các khái niệm cơ bản về mạch điện

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN 1.1 Mạch điện và mô hình Mạch điện là 1 hệ thống gồm các thiết bị điện, điện tử ghép lại trong đó xảy ra các quá trình truyền đạt, biến đổi năng lượng hay tín hiệu điện từ đo bởi các đại lượng dòng điện và điện áp. Mạch điện được cấu trúc từ các phần tử riêng rẻ đủ nhỏ, thực hiện các chức năng xác định được gọi là các phần tử mạch điện. Nguồn là các phần tử dùng để cung cấp năng lượng điện hoặc tín hiệu điện cho mạch, ví dụ máy phát điện, ắc qui Phụ tải là các thiết bị nhận năng lượng điện hay tín hiệu điện, ví dụ đèn điện, bếp điện, động cơ điện . . . Điện áp giữa điểm A với điểm B là công cần thiết để làm dịch chuyển 1 đơn vị điện tích(1 coulomb) từ A đến B. Đơn vị của điện áp là vôn(V). uAB: điện áp giữa A và B uBA = uAB: điện áp giữa B và A Dòng điện là dòng các điện tích chuyển dịch có hướng. Cường độ dòng điện là lượng điện tích dịch chuyển qua 1 bề mặt nào đó trong 1 đơn vị thời gian. Dòng điện được ký hiệu là i và đơn vị là Ampe(A). Chiều dòng điện theo định nghĩa là chiều chuyển động của các điện tích dương(ngược với chiều chuyển động của các điện tích âm). Hiện tượng nguồn là hiện tượng biến đổi từ các dạng năng lượng khác như cơ năng, nhiệt năng, hóa năng. . . thành năng lượng điện từ. Hiện tượng tiêu tán là hiện tượng biến đổi năng lượng điện từ thành các dạng năng lượng khác như nhiệt, cơ, quang, hóa năng tiêu tán đi không hoàn trở lại trong mạch nữa. Trường điện từ gồm 2 mặt thể hiện: trường điện và trường từ Trong tụ điện, hiện tượng năng lượng chủ yếu xảy ra là hiện tượng tích phóng năng lượng trường điện. Trong cuộn dây xảy ra chủ yếu là hiện tượng tích phóng năng lượng trường từ Trong điện trở thực, hiện tượng chủ yếu xảy ra là hiện tượng tiêu tán biến đổi năng lượng trường điện từ thành nhiệt năng. Mô hình mạch được xây dựng từ các phần tử mạch lý tưởng sau: Phần tử điện trở: là phần tử đặc trưng cho hiện tượng tiêu tán năng lượng điện từ. Quan hệ giữa dòng và áp trên phần tử điện trở là u = Ri

CHƯƠNG I:

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN 1.1 Mạch điện và mô hình

Mạch điện là 1 hệ thống gồm các thiết bị điện, điện tử ghép lại trong đó xảy ra các quá trình truyền đạt, biến đổi năng lượng hay tín hiệu điện từ đo bởi các đại lượng dòng điện và điện áp Mạch điện được cấu trúc từ các phần tử riêng rẻ đủ nhỏ, thực hiện các chức năng xác định được gọi là các phần tử mạch điện

Nguồn là các phần tử dùng để cung cấp năng lượng điện hoặc tín hiệu điện cho mạch, ví dụ máy phát điện, ắc qui

Phụ tải là các thiết bị nhận năng lượng điện hay tín hiệu điện, ví dụ đèn điện, bếp điện, động cơ điện

Điện áp giữa điểm A với điểm B là công cần thiết để làm dịch chuyển 1 đơn vị điện tích(1 coulomb) từ A đến B Đơn vị của điện áp là vôn(V)

uAB: điện áp giữa A và B

uBA = -uAB: điện áp giữa B và A

Dòng điện là dòng các điện tích chuyển dịch có hướng Cường độ dòng điện là lượng điện tích dịch chuyển qua 1 bề mặt nào đó trong 1 đơn vị thời gian Dòng điện được ký hiệu là i và đơn vị là Ampe(A) Chiều dòng điện theo định nghĩa là chiều chuyển động của các điện tích dương(ngược với chiều chuyển động của các điện tích âm)

Hiện tượng nguồn là hiện tượng biến đổi từ các dạng năng lượng khác như cơ năng, nhiệt năng, hóa năng thành năng lượng điện từ

Hiện tượng tiêu tán là hiện tượng biến đổi năng lượng điện từ thành các dạng năng lượng khác như nhiệt, cơ, quang, hóa năng tiêu tán đi không hoàn trở lại trong mạch nữa

Trường điện từ gồm 2 mặt thể hiện: trường điện và trường từ

- Trong tụ điện, hiện tượng năng lượng chủ yếu xảy ra là hiện tượng tích phóng năng lượng trường điện

- Trong cuộn dây xảy ra chủ yếu là hiện tượng tích phóng năng lượng trường từ

- Trong điện trở thực, hiện tượng chủ yếu xảy ra là hiện tượng tiêu tán biến đổi năng lượng trường điện từ thành nhiệt năng

Mô hình mạch được xây dựng từ các phần tử mạch lý tưởng sau:

- Phần tử điện trở: là phần tử đặc trưng cho hiện tượng tiêu tán năng lượng điện từ Quan hệ giữa dòng và áp trên phần tử điện trở là u = Ri

- Phần tử điện cảm: là phần tử đặc trưng cho hiện tượng tích phóng năng lượng trường từ Quan hệ giữa dòng và áp trên phần tử điện cảm là u=Ldi/dt

Với L là điện cảm

- Phần tử điện dung: là phần tử đặc trưng cho hiện tượng tích phóng năng lượng trường điện Quan hệ giữa dòng và áp trên phần tử điện dung là i = Cdu/dt

Với C là điện dung

- Phần tử nguồn: Là phần tử đặc trưng cho hiện tượng nguồn Phần tử nguồn gồm 2 loại: phần tử nguồn áp và phần tử nguồn dòng

1.2 Các phần tử mạch tuyến tính

1.2.1 Phần tử điện trở

Phần tử điện trở được định nghĩa là phần tử được đặc trưng bởi quan hệ giữa dòng điện và điện áp là u = fR(i) hoặc i = φR(u) Trong đó fR và φR là các hàm liên tục Nếu các hàm u = fR(i) hoặc i = φR(u) là đường thẳng thì ta có phần tử điện trở tuyến tính Quan hệ giữa dòng điện và điện áp được biểu thị qua định luật Ohm:

u=Ri

với R = u/i là điện trở đo bằng Ohm(Ω))

G =1/R được gọi là điện dẫn đo bằng Siemen(S) hoặc mho(J ) hoặc (Ω)-1)

1.2.2 Phần tử điện dung

Phần tử điện dung được đặc trưng bởi quan hệ giữa điện tích tích lũy trên cốt tụ và điện áp giữa 2 cốt tụ q = fc(u)

Nếu hàm này là đường thẳng ta có phần tử điện dung tuyến tính Trong trường hợp này: q=Cu

Với C = q/u là điện dung được tính bằng Farad(F)

Dòng điện chảy qua điện dung bằng tốc độ biến thiên của điện tích:

i(t)=dq(t)/dt Với q(t) = Cu(t)

Nếu điện dung C không thay đổi theo thời gian thì :

i(t)=C.du(t)/dt

o

t

o t

u t u t

C

Với u(to) = q(to)/C

1.2.3 Phần tử điện cảm

Là phần tử đặc trưng cho hiện tượng tích phóng năng lượng từ trường Ký hiệu phần tử điện cảm là L

1.2.4 Nguồn điện áp độc lập

Là phần tử 2 cực mà điện áp của nó không phụ thuộc vào giá trị dòng điện cung cấp từ nguồn và chính bằng sức điện động của nguồn

u(t) =e(t)

1.2.5 Nguồn dòng độc lập

Là phần tử 2 cực mà dòng điện của nó không phụ thuộc vào điện áp trên 2 cực nguồn

i(t) = j(t)

1.2.6 Các nguồn phụ thuộc

Nguồn dòng phụ thuộc áp

Phần tử này phát ra dòng điện i2 phụ thuộc vào điện áp u1 theo hệ thức:

i2 = g.u1

Đơn vị của g là siemen(S), hoặc mho(J )

Nguồn áp phụ thuộc dòng

Phần tử này phát ra điện áp u2 mà phụ thuộc dòng i1 theo hệ thức:

u2 = r.i1

Đơn vị của r là (Ω))

Nguồn áp phụ thuộc áp

Phần tử này phát ra điện áp: u2 = αu1u1

Nguồn dòng phụ thuộc dòng

Phần tử này phát ra dòng điện: i2 = βi1i1

1.3 Các định luật cơ bản

Kết cấu hình học của mạch điện:

1.3.1 Định luật Kirchhoff 1 (K1)

1.3.2 Định luật Kirchhoff 2 (K2)

Tổng đại số các sức điện động trong một vòng bằng tổng đại số các sụt áp trên các phần tử khác

v ng v ng

Nếu chiều của vòng đi từ cực – sang cực + của 1 nguồn sức điện động thì sức điện động ấy mang dấu +, ngược lại mang dấu -

Đối với điện áp trên các phần tử khác, nếu chiều vòng đi từ cực + sang cực – của 1 điện áp thì điện áp ấy mang dấu +, ngược lại mang dấu -

VD 1.9: Cho mạch điện như hình vẽ Xác định dòng điện trên các nhánh và điện áp trên dòng nguồn

Giải:

VD1.10: Xác định U0 ở mạch hình 1.15

1.4 Biến đổi tương đương mạch

1.4.1 Biến đổi điện trở:

1.4.2 Biến đổi nguồn

1.4.3 Biến đổi sao - tam giác:

1.4.4 Nguồn sức điện động mắc nối tiếp với 1 điện trở

u=e-ri (1)

j=i+u/r

→ u = rj – ri (2)

(1) và (2) → e = rj hay j = e/r

Ví dụ 1:

Cho mạch như hình vẽ Tìm dòng điện i biết e = 6V

Giải:

Biến đổi tam giác thành sao:

Tiếp tục biến đổi tương đương ta được:

i=e/Rab = 2.24(A)