Chip máy tính Intel 486 mạch Chương MẠCH ĐIỆN, PHẦN Trong chương 3, tự giới hạn khảo sát mạch điện tương đối đơn giản, không ngoài pin bóng đèn Mục tiêu chương giới thiệu với bạn mạch điện phức tạp hơn, gồm nhiều điện trở hay nguồn điện mắc nối tiếp, song song, hai Tại cần phải biết thứ ? Xét cho cùng, bạn có dự định trở thành kĩ sư điện, bạn không cần học vật lí từ sách Tuy nhiên, xem xét bạn cắm bóng đèn hay radio, bạn thêm thiết bị điện vào mạng điện gia đình làm cho phức tạp thêm lên An toàn điện không thực hiểu biết tốt không hiểu mạch điện nhiều thành phần, bị sốc điện thường gồm hai thành phần: dụng cụ tiêu thụ điện cộng với thể người bị nạn Nếu bạn sinh viên chuyên khoa học sống, bạn phải nhận thức tế bào có tính chất điện, thể đa bào có mạch điện nối tiếp song song đa dạng Cho dù không kể đến mục tiêu thực tế này, có lí để đọc chương này: để hiểu chương tốt Ở quan điểm này, chuyện học hành sinh viên, quan sát họ sử dụng từ ngữ đủ thứ kiểu giải thích cho thấy họ chưa hoàn toàn thoải mái lĩnh hội hết khái niệm điện dòng điện Họ hỏi “điện dòng điện có phải loại ý tưởng hay không ?” Họ nói điện “đi qua” bóng đèn Một họ bắt đầu rèn luyện kĩ mạch điện phức tạp hơn, thấy lòng tin hiểu biết họ tăng lên nhiều © hiepkhachquay | Bài giảng Điện học 77 4.1 Sơ đồ mạch điện Tôi xem ván cờ; Kasparov đấu với Ruy Lopez Đối với người không am hiểu, giản đồ trông khó hiểu hình vẽ ngoằn ngoèo người Maya, bạn xem lướt qua để tìm ý nghĩa chúng Sơ đồ mạch hình vẽ đơn giản hóa cách điệu hóa mạch điện Mục đích nhằm loại bỏ bớt nhiều đặc điểm liên quan tốt, nên đặc điểm có liên quan dễ nắm bắt a/ Sai: Hình dạng dây dẫn không thích hợp Sai: Cần phải sử dụng góc vuông Sai: Mạch điện đơn giản vẽ trông xa lạ phức tạp Đúng Một ví dụ đặc điểm liên quan hình dạng, chiều dài đường kính dây dẫn Trong toàn mạch điện, gần tốt giả sử dây dẫn vật dẫn hoàn hảo, nên đoạn dây dẫn nối liên tục thành phần khác có điện không đổi suốt đoạn dây dẫn Việc thay đổi chiều dài dây dẫn, chẳng hạn, không làm thay đổi thực tế (Tất nhiên, sử dụng hàng dặm dài dây dẫn, đường dây điện thoại, điện trở bắt đầu tăng lên chiều dài trở thành vấn đề cần giải quyết) Hình dạng dây dẫn liên quan, nên vẽ chúng theo hình dạng chuẩn hóa quy ước hóa đường thẳng đứng nằm ngang vuông góc với Cách biểu diễn làm cho mạch điện tương tự trông giống giúp nhận đặc điểm quen thuộc, giống chữ in trang báo dễ nhận so với chữ viết tay Hình a biểu diễn số ví dụ quan điểm Bước quan trọng việc học cách đọc mạch điện học cách nhận đoạn dây dẫn liền phải có điện không đổi đoạn Ví dụ, hình b, hai mẫu dây dẫn có hình dạng chữ E mẫu phải có điện Hình làm tập trung ý tới hai biến mà dự đoán được: điện chữ E bên trái điện chữ E bên phải b/ Hai vùng có hình chữ “E” vùng có điện 4.2 Các điện trở mắc song song quy tắc mối nối Một ví dụ đơn giản để phân tích mạch điện trở song song ví dụ hình b Nói chung, có điện trở không R1 R2, hình c/1 Vì có hai vùng điện không đổi mạch điện, c/2, nên ba thành phần có hiệu điện hai đầu chúng giống Một pin thông thường © hiepkhachquay | Bài giảng Điện học 78 liên tục trì hiệu điện hai cực mà thiết kế, nên độ giảm V1 V2 qua điện trở phải hiệu điện pin: V1 = V2 = Vnguồn Như vậy, điện trở chịu hiệu điện thể thành phần mạch điện, định luật Ohm cho biết cường độ dòng điện chạy qua điện trở giống cường độ dòng điện chạy mạch điện trở Đây lí mạch điện gia dụng mắc dây song song với Chúng ta muốn thiết bị làm công việc giống nhau, cho dù thiết bị khác có cắm vào hay không cắm vào, mở hay tắt (Tất nhiên, công ti điện lực không sử dụng pin, phân tích giống dụng cụ trì hiệu điện không đổi) c/1 Hai điện trở mắc song song Có hai vùng điện không đổi Dòng điện khỏi pin tách hai điện trở, sau nhập trở lại Hai điện trở mắc song song xem điện trở đơn giản có giá trị nhỏ Dĩ nhiên công ti cấp điện nói bật bóng đèn nhà Làm họ biết ? Câu trả lời tiêu thụ dòng điện lớn Mỗi điện trở tiêu thụ lượng dòng điện định, lượng điện phải cung cấp tổng hai dòng điện riêng rẽ Dòng điện giống sông tách thành hai nhánh, c/3, sau hợp lại Cường đô dòng điện tổng cộng Itổngcộng = I1 + I2 Đây ví dụ thực tế chung gọi quy tắc mối nối: quy tắc mối nối Trong mạch điện không tích trữ hay giải phóng điện tích, bảo toàn điện tích đưa đến dòng điện tổng cộng chạy khỏi mối nối phải với dòng điện tổng cộng vào mối nối Trở lại với phép phân tích mạch điện chúng ta, áp dụng định luật Ohm cho điện trở, kết 1 Itoànphần = V/R1 + V/R2 = V R1 R2 Trong chừng mực mà công ti điện lực nắm được, toàn nhà bạn điện trở với điện trở R gọi điện trở tương đương Chúng ta viết định luật Ohm sau: Itoànphần = V / R từ xác định điện trở tương đương cách so sánh với phương trình trước © hiepkhachquay | Bài giảng Điện học 79 1 R R1 R2 1 R R1 R2 1 [điện trở tương đương hai điện trở mắc song song] Hai điện trở mắc song song, c/4, tương đương với điện trở với giá trị cho phương trình Ví dụ Hai bóng đèn mạch điện gia đình Bạn bật hai bóng đèn mạng điện gia đình Mỗi bóng đèn có điện trở ohm Hãy tính điện trở tương đương so sánh công suất tiêu hao với trường hợp có bóng đèn Điện trở tương đương hai đèn mắc song song 1 1 1 R 11 1 1 1 1 R1 R2 1 2 1 1 , 5 Hiệu điện hai đầu toàn mạch điện luôn 110 V công ti điện lực thiết đặt (dòng điện biến thiên, điều liên quan) Điện trở toàn mạch điện giảm phân nửa lúc bật bóng đèn thứ hai, hiệu điện ổn định tạo cường độ dòng điện gấp đôi Dòng điện gấp đôi chạy qua hiệu điện có nghĩa công suất tiêu hao tăng gấp đôi Việc giảm nửa điện trở làm nhiều sinh viên thấy ngạc nhiên, “thêm điện trở nữa” vào mạch điện cách đặt vào bóng đèn thứ hai Tại điện trở tương đương lại nhỏ điện trở bóng đèn ? Đây trường hợp mà giải thích túy lời gây hiểu lầm Một thành phần điện trở mạch điện, ví dụ dây tóc bóng đèn, vừa không vật cách điện hoàn hảo vừa vật dẫn hoàn hảo Thay phân tích loại mạch điện dạng “điện trở”, tức vật cách điện phần, nói “vật dẫn” Khi thí dụ trông giải thích được, “thêm độ dẫn điện”, điều không xác trường hợp điện trở mắc nối tiếp mà nói tới phần sau Có lẽ cách dễ hình dung nghĩ sử dụng trực giác giới Tương tự, lỗ mũi bạn làm cản trở không khí qua nó, có hai lỗ mũi việc thở dễ thực hai lần Ví dụ Ba điện trở mắc song song Hiện tượng xảy có ba hay nhiều điện trở mắc song song ? Đây thí dụ quan trọng, lời giải có liên quan tới kĩ thuật quan trọng dùng để tìm hiểu mạch điện: phá vỡ chúng thành phần nhỏ hơn, đơn giản hóa phần Trong mạch điện hình d/1, với ba điện trở mắc song song, nghĩ hai điện trở hình thành nên điện trở, d/2, với điện trở tương đương 1 R12 R1 R2 1 Sau đó, đơn giản hóa mạch điện rõ hình d/3, cho gồm hai điện trở Điện trở tương đương toàn mạch điện cho R123 1 R12 R3 1 Thay R12 đơn giản hóa, thu kết © hiepkhachquay | Bài giảng Điện học 80 R123 1 1 R1 R2 R3 1 Đó kết bạn dự đoán Điều lí thú quan điểm chia-và-nghịch đảo, kết toán học e/ Hợp bốn điện trở mắc song song tương đương với điện trở có chiều dài có tiết diện ngang lớn gấp lần Kết điện trở có điện trở 1/4 d/ Ba điện trở mắc song song Ví dụ Nhiều điện trở giống hệt mắc song song Tìm điện trở tương đương N điện trở giống hệt mắc song song ? Khái quát hóa kết trường hợp hai ba điện trở, có 1 RN R1 R2 1 dấu “…” có nghĩa lấy tổng hết tất điện trở Nếu tất điện trở giống hệt 1 R N RN N R Ví dụ Sự phụ thuộc điện trở vào tiết diện ngang Chúng ta nói tới thực tế điện trở vật phụ thuộc vào kích thước hình dạng nó, bắt đầu tìm cách phát biểu mang tính toán học Như rõ hình e, việc tăng tiết diện ngang điện trở tương đương với việc mắc thêm điện trở theo kiểu song song, chúng mang lại giảm điện trở Bất kì điện trở thực tế có mặt thẳng, song song nhau, bị cắt thành số lớn mảnh, mảnh có tiết diện ngang, chẳng hạn, m2 Số N mảnh tỉ lệ với tiết diện ngang tổng cộng điện trở, cách áp dụng kết ví dụ trước, tìm điện trở vật tỉ lệ nghịch với tiết diện ngang © hiepkhachquay | Bài giảng Điện học 81 f/ Ống béo có điện trở nhỏ ống gầy Một mối quan hệ tương tự ống nước, lí đường dẫn dòng chảy lớn thường có tiết diện ngang lớn Để làm cho nhiều nước (dòng điện) chảy qua ống gầy, cần chênh lệch áp suất (điện thế) lớn không thực tế Ví dụ Sai số volt kế Volt kế thực điện kế có điện trở trong, mắc volt kế song song với đối tượng muốn đo hiệu điện hai đầu Điều có nghĩa đo độ giảm qua điện trở, đặt hai điện trở song song Điện kế bên volt kế bỏ qua mục đích phân tích dòng điện chạy qua mạch điện nào, số cuộn dây có điện trở thấp Bây giờ, tiến hành phép đo điện trở phần mạch điện lớn, làm thay đổi hành vi mạch điện qua hoạt động đo Giống làm biến đổi mạch điện cách thay điện trở R điện trở tương đương nhỏ R RV mắc song song Vì lí mà volt kế phải chế tạo cho có điện trở lớn Lấy ví dụ số, sử dụng volt kế có điện trở M để đo độ giảm thể qua điện trở , điện trở tương đương 0,999999 , không đủ khác biệt để gây chênh lệch Nhưng thử dùng volt kế đo độ giảm qua điện trở M, làm giảm điện trở phần mạch điện ba lần, gây thay đổi đáng kế hành vi toàn mạch điện g/ Volt thực điện kế có điện trở Khi đo hiệu điện hai đầu điện trở, 1, thật xây dựng mạch điện trở mắc song song, © hiepkhachquay | Bài giảng Điện học 82 Đây lí bạn sử dụng volt kế để đo hiệu điện hai điểm khác chừng không khí, hay hai đầu mảnh gỗ Đây muốn làm việc ngu ngốc, giới xung quanh môi trường đẳng thế, ví dụ dễ thấy bão hình thành Nhưng không hoạt động với volt kế bình thường điện trở không khí hay gỗ vào bậc nhiều giga ohm Kết việc vẫy cặp mũi đo volt kế không khí mang lại đường dẫn phù hợp cho điện tích dương âm tách rời – qua volt kế, vật dẫn tốt so với không khí Việc làm giảm tới chênh lệch điện mà muốn đo Tóm lại, volt cấu tạo với mạch điện hở (hay điện trở lớn) hai đầu đo “trôi nổi” Một điện kế analog kiểu cũ thuộc loại mô tả số để trôi nổi, kết tương tự đặt nằm kệ Còn volt kế kĩ thuật số trôi thường thông báo lỗi 4.3 Các điện trở mắc nối tiếp Hai cách mắc mạch điện mắc song song mắc nối tiếp, nên cặp điện trở nối tiếp nhau, h/1, dạng khác đa số mạch điện mà chế tạo Theo bảo toàn điện tích, toàn dòng điện chạy qua điện trở phải dòng điện chạy qua điện trở (cũng dòng điện chạy qua pin): I1 = I2 Cách để biết thông tin hai giá trị điện trở có ích áp dụng định luật Ohm, định luật liên hệ điện trở điện trở với dòng điện chạy qua hiệu điện hai đầu Hình h/2 rõ ba vùng đẳng Hiệu điện có ý nghĩa quan trọng điện thế, nên biểu diễn kí hiệu cho hai hiệu điện hai điện trở hình h/3 Chúng ta có ba vùng đẳng thế, với kí hiệu chênh lệch điện cặp số chúng Ba hiệu điện phải liên hệ với Giống cho bạn biết Fred cao Ginger foot, Ginger cao Sally foot, Fred cao Sally foot Thông tin cho thừa, bạn thật cần hai số ba mẫu liệu để suy thứ ba Trong trường hợp hiệu điện chúng ta, có |V1| + |V2| = |Vpin| Kí hiệu giá trị tuyệt đối chưa biết rõ cách xác định hiệu điện Nếu mắc ngược hai đầu đo volt kế, thu kết trái dấu Volt kế kĩ thuật số thật dấu trừ hình nối châm cắm “V” với điểm có điện thấp điểm nối vào chân cắm “COM” Volt kế analog quay kim phía chốt bạn thử dùng chúng đo hiệu điện âm, nên bạn phải nối dây theo chiều thuận, sau tự thêm vào dấu trừ cần thiết © hiepkhachquay | Bài giảng Điện học 83 h/4 Pin cấp dòng điện chạy qua hai điện trở mắc nối tiếp Có ba miền đẳng Ba hiệu điện có liên quan với Nếu điện kế mắc qua mạch điện không đảo chiều hay nối chéo chân cắm nó, điện đo có dấu cộng dấu trừ khiến cho chúng cộng lại không Hình h/4 biểu diễn cách chuẩn cẩn thận với nhập nhằng dấu Đối với phép đo số ba phép đo hiệu điện xung quanh mạch kín, giữ đầu đo (đầu tô đậm hơn) phía chiều kim đồng hồ Cứ thể volt kế bò qua mạch điện cua, không “bắt chéo chân nó” Với quy ước này, mối quan hệ độ giảm trở thành V1 + V2 = - Vpin hay dạng đối xứng V1 + V2 + Vpin = Tổng quát hơn, kết gọi định luật vòng kín cho phép phân tích mạch điện: định luật vòng kín Giả sử quy ước chuẩn cho dấu cộng trừ, tổng độ giảm qua vòng kín mạch điện phải không Việc tìm ngoại lệ cho định luật vòng kín giống đòi hỏi lối xuống dốc theo hướng quay trở lại điểm xuất phát nó! Đối với mạch điện mà đưa phân tích, phương trình V1 + V2 + Vpin = viết lại cách áp dụng định luật Ohm cho điện trở © hiepkhachquay | Bài giảng Điện học 84 I1R1 + I2R2 + Vpin = Dòng điện nhau, nên nhóm làm thừa số chung I (R1 + R2) + Vpin = Và kết thu phân tích mạch điện điện trở có điện trở (R1 + R2) Như vậy, điện trở tương đương điện trở mắc nối tiếp tổng điện trở chúng Ví dụ Hai bóng đèn mắc nối tiếp Nếu hai bóng đèn giống hệt mắc nối tiếp với nhau, độ sáng chúng so sánh với độ sáng bóng đèn ? Xét toàn thể, hai bóng đèn hoạt động điện trở kép, nên chúng cho dòng điện chạy từ tường lên phân nửa Mỗi bóng đèn tối trường hợp bóng đèn i/ Ví dụ Công suất toàn phần tiêu tán mạch điện I V Độ giảm qua toàn mạch giống trước đây, dòng điện chia đôi, nên mạch hai bóng đèn nửa công suất mạch bóng đèn Mỗi bóng đèn tiêu thụ phần tư công suất bình thường Nói đại khái, mong chờ điều mang lại phần tư ánh sáng tạo bóng đèn, thực tế bóng đèn lãng phí phần trăm cao công suất chúng dạng nhiệt bước sóng ánh sáng không nhìn thấy (hồng ngoại tử ngoại) Sẽ tạo ánh sáng hơn, thật khó tiên đoán xác bao nhiêu, hiệu suất bóng đèn thay đổi cho chúng hoạt động điều kiện khác Ví dụ Nhiều điện trở mắc nối tiếp Bằng cách áp dụng trực tiếp kĩ thuật chia-và-trị nói tới phần trước, tìm thấy điện trở tương đương N điện trở R mắc nối tiếp NR Ví dụ Sự phụ thuộc điện trở vào chiều dài Trong phần trước, chứng minh điện trở tỉ lệ nghịch với tiết diện ngang Bằng lí giải tương tự điện trở mắc nối tiếp, thấy điện trở tỉ lệ thuận với chiều dài Tương tự, thật khó thổi qua cọng rơm dài so với cọng rơm ngắn j/ Tăng gấp đôi chiều dài điện trở giống mắc hai điện trở nối tiếp Điện trở tăng gấp đôi © hiepkhachquay | Bài giảng Điện học 85 Đặt hai đối số lại với nhau, tìm điện trở vật có mặt thẳng, song song cho R = (hằng số) L/ A Hằng số tỉ lệ gọi điện trở suất, phụ thuộc vào chất cấu tạo nên điện trở Phép đo điện trở suất sử dụng, chẳng hạn, để nhận biết vật cấu tạo từ chất chưa biết Ví dụ Chọn hiệu điện cao cho đường dây tải điện Thomas Edison bị lôi vào tranh luận kĩ thuật tiếng hiệu điện dùng cho đường dây tải điện Vào thời đó, công chúng chưa quen thuộc với điện, dễ dàng bị làm cho hoảng sợ Chẳng hạn, tổng thống Mĩ từ chối thắp đèn điện Nhà Trắng thương mại hóa, ông xem không an toàn, ưa chuộng mối nguy hiểm lửa biết đèn dầu nguy bí ẩn dòng điện Chủ yếu biện pháp để vượt qua nỗi sợ hãi công chúng, Edison tin dây tải điện phải truyền hiệu điện nhỏ ông công khai quan điểm ông cách đưa chứng theo chó bị nhử vào vị trí bị giết chết hiệu điện lớn hai kim loại mặt đất (Các đối thủ Edison chủ trương dòng điện biến thiên thay cho dòng điện chiều, điện xoay chiều nguy hiểm điện chiều Như thảo luận phần sau, điện xoay chiều dễ dàng tăng lên hạ xuống đến mức điện mong muốn dụng cụ gọi máy biến thế) Ngày nay, muốn phân phối lượng công suất P L định đến tải, ví dụ bóng đèn điện, bị thúc ép phương trình P L = IVL Chúng ta phân phối lượng công suất mà muốn, với hiệu điện thấp, sử dụng dòng điện lớn Tuy nhiên, mạng lưới phân phối điện đại sử dụng hiệu điện cao đến mức nguy hiểm vào bậc hàng chục nghìn volt Tại Edison thất bại tranh luận ? Vấn đề toán chi phí Công ti điện phải phân phối lượng công suất P L mà khách hàng mong muốn qua đường truyền có điện trở RT cố định kinh tế địa lí định Dòng điện chạy qua tải dây truyền dẫn nhau, tiêu thụ công suất có ích tải công suất vô ích dây truyền Hiệu suất hệ thống Công suất khách hàng trả tiền Hiệu suất = Công suất thực tiễn phải trả PL PL PT 1 PT / PL Đặt vai trò công ti điện, muốn tống khứ biến P T, thứ điều khiển gián tiếp cách chọn VT I Thay P = IVT, tìm Hiệu suất I VT 1 PL Chúng ta giả sử đường truyền (không thiết tải) tuân theo định luật Ohm, nên thay VT = IRT mang lại Hiệu suất I RT 1 PL Đại lượng rõ ràng làm cho cực đại cách làm cho I nhỏ tốt, chia cho số nhỏ có mẫu biểu thức Mạch điện có dòng điện nhỏ phân phối lượng đáng kể công suất sử dụng hiệu điện cao, lí hệ thống truyền dẫn điện sử dụng điện cao nguy hiểm © hiepkhachquay | Bài giảng Điện học 86 quy luật viết lại cách xáo trộn ba kí hiệu F, B, v Hãy xét mô hình bạn, mô hình xác mô hình không xác ? 17 Chứng minh hai vòng dây dẫn phẳng có giá trị IA chịu mômen quay từ trường, bất chấp hình dạng chúng Nói cách khác, mômen lưỡng cực vòng dây điện định nghĩa IA, cho dù hình dạng hình vuông 18 Cuộn Helmholtz định nghĩa cặp cuộn dây tròn giống hệt cách khoảng cách h với bán kính chúng, b (Mỗi cuộn dây có nhiều dây) Dòng điện chạy theo vòng tròn theo hướng cuộn, nên trường có xu hướng củng cố lẫn vùng bên Cấu hình có thuận lợi mở, nên thiết bị khác dễ dàng đặt bên làm biến đổi trường nhìn thấy từ bên Việc chọn lựa h = b mang lại trường gần (a) Tìm phần trăm độ giảm trường tâm cuộn dây, so với cường độ toàn vẹn tâm toàn thiết bị (b) Giá trị h (không với b) làm cho độ chênh lệch phần trăm không ? 19 (a) Trong hình thiết bị ống chân không phần 6.2, suy hướng từ trường từ chuyển động chùm electron (b) Dựa câu trả lời bạn cho phần a, tìm chiều dòng điện cuộn dây (c) Các electron bên cuộn dây theo chiều ? (d) Dòng điện cuộn dây đẩy hay hút dòng điện tạo chùm tia bên ống ? So sánh với câu a 14 20 Trong hình thiết bị ống chân không phần 6.2, từ trường gần gây chuyển động tròn Hỏi có khả khác quỹ đạo tròn không ? Nói chung, tượng có khả xảy ? 21 Trong 1, bạn ước tính lượng giải phóng cú sét, dựa lượng dự trữ điện trường trước tia sét xảy Giả thiết điện trường thiết đặt đến giá trị định, giá trị cần thiết để làm ion hóa không khí Tuy nhiên, phép đo thực tế dường luôn cho thấy cường độ điện trường đại khái nhỏ chục lần so với điện trường cần thiết mô hình Trong thời gian dài, rõ ràng phép đo trường sai, hay mô hình sai Nghiên cứu thực hồi năm 2003 dường cho thấy mô hình sai Bây người ta tin khởi cuối cú sét tia vũ trụ vào bầu khí làm ion hóa số không khí Nếu điện trường nhỏ 10 lần so với giá trị giả định 1, điều có ảnh hưởng lên kết cuối ? 22 Trong phần 6.2, cung cấp phương trình cho từ trường bên solenoid, phương trình không cho câu trả lời gần miệng hay bên solenoid Mặc dù nói chung tính toán máy tính trường vùng khác thật phức tạp, người ta tìm kết đơn giản, xác cho trường tâm hai miệng ống, sử dụng phép đối xứng phép cộng vectơ Giải pháp ? © hiepkhachquay | Bài giảng Điện học 131 Chương A ĐIỆN DUNG VÀ ĐỘ TỰ CẢM Chương phần tự chọn Con đường dài dẫn từ bóng đèn điện đến máy vi tính bắt đầu với bước tiến quan trọng: việc đưa khái niệm hồi tiếp vào mạch điện tử học Mặc dù nguyên lí hồi tiếp hiểu ứng dụng cho hệ nhiều kỉ, cho hệ điện kể từ đầu kỉ 20, đa số từ gợi lên hình ảnh Jimi Hendrix (hay số tay ghita gần hơn) cố tình sáng tạo tiếng rít chói tai, hay hình ảnh nhân vật trường học tình cờ thực điều tương tự thính phòng Trong ví dụ đàn ghita, nhà soạn nhạc đứng trước dòng ampe bật lên cao đến mức sóng âm phát từ loa dội trở lại dây ghita làm cho rung mạnh Đây ví dụ hồi tiếp dương: dây dao động mạnh sóng âm mạnh, sóng âm mạnh dây dao động mạnh Hạn chế khả làm chủ công suất khuếch đại Sự hồi tiếp âm quan trọng không Bộ ổn nhiệt bạn, chẳng hạn, mang lại hồi tiếp âm cách tắt bếp lò nhà trở nên đủ ấm áp, cách bật lên trở lại nhà trở nên lạnh Cơ chế làm cho nhiệt độ nhà dao động tới lui ngưỡng định Giống tiến triển theo hàm mũ tầm kiểm soát hành vi hệ hồi tiếp dương, dao động tiêu biểu trường hợp hồi tiếp âm Bạn nghiên cứu kĩ lưỡng hồi tiếp âm Dao động Sóng (cuốn tập sách này) trường hợp hệ cơ, không gọi A.1 Điện dung độ tự cảm Trong dao động học, lượng biến đổi tuần hoàn dạng động năng, có lẽ chuyển sang dạng nhiệt tiêu hao ma sát Trong mạch điện, điện trở thành phần tiêu thụ nhiệt Đâu đối tượng tương tự điện học việc dự trữ giải phóng động vật dao động ? Khi bạn nghĩ lượng dự trữ mạch điện, bạn tưởng tượng tới pin, pin nạp lại nạp 10 đến 100 lần trước chúng cạn kiệt Ngoài ra, pin khả biến đổi lượng khoảng thời gian đủ ngắn cho đa số ứng dụng Mạch điện nhạc cụ điện dao động hàng ngàn lần giây, lò vi sóng bạn hoạt động tần số gigahertz Thay cho pin, thường sử dụng tụ điện cuộn cảm để dự trữ lượng mạch dao động Các tụ điện, đối tượng bắt gặp, dự trữ lượng điện trường Cuộn cảm làm điều tương tự từ trường Tụ điện Năng lượng tụ điện tồn điện trường xung quanh Nó tỉ lệ với bình phương cường độ trường, cường độ trường tỉ lệ với điện tích tụ Nếu giả sử mang điện tích có độ lớn nhau, +q –q lượng dự trữ tụ điện phải tỉ lệ với q2 Vì lí lịch sử, viết số tỉ lệ 1/2C EC q 2C Hằng số C thuộc tính hình học tụ điện, gọi điện dung © hiepkhachquay | Bài giảng Điện học 132 a/ Kí hiệu tụ điện c/ Hai dạng hình học phổ biến cuộn cảm Kiểu hình trụ bên trái gọi solenoid d/ Kí hiệu cuộn cảm b/ Một số tụ điện e/ Một số cuộn cảm Dựa định nghĩa này, đơn vị điện dung phải C2/J, kết hợp thường viết gọn lại farad, F = C2/J “Cái tích điện” tên gọi thức tụ điện Chú ý nhãn in tụ điện thường sử dụng MF để F, MF thật kí hiệu cho megafarad, microfarad Sự lộn xộn không kí hiệu không theo chuẩn này, giá trị picofarad nanofarad thông dụng nhất, thập niên 1990 giá trị milifarad farad trở nên có sẵn kích thước vật lí thật tế Hình a cho biết kí hiệu dùng sơ đồ biểu diễn tụ điện Cuộn cảm Bất kì dòng điện tạo từ trường, nên thật dây dẫn mang điện mạch điện đóng vai trò cuộn cảm! Tuy nhiên, loại độ tự cảm “tản lạc” thường bị bỏ qua, giống thường bỏ qua điện trở tản lạc dây dẫn xét tới điện trở thật Để dự trữ lượng đáng kể lượng từ, người ta thường sử dụng cuộn dây thiết kế đặc biệt thành cuộn cảm Tất đóng góp vòng cho từ trường cộng lại với cho từ trường mạnh Không giống tụ điện điện trở, cuộn cảm thực tế dễ dàng chế tạo tay Chẳng hạn, người ta cuộn số dây xung quanh chốt gỗ ngắn, đặt cuộn dây bên chai nhựa aspirin với dây chì đưa ngoài, đổ đầy epoxy vào chai làm cho toàn lổn nhổn Một cuộn cảm giống này, dạng cuộn dây hình trụ, gọi solenoid, c, solenoid cách điệu hóa, d, kí hiệu sử dụng để biểu diễn cuộn cảm mạch điện, dạng hình học thật Một cuộn cảm dự trữ lượng ? Mật độ lượng tỉ lệ với bình phương cường độ từ trường, cường độ trường tỉ lệ với dòng điện chạy qua cuộn dây, nên lượng dự trữ cuộn cảm phải tỉ lệ với I2 Chúng ta viết L/2 cho số tỉ lệ EL © hiepkhachquay | Bài giảng Điện học L I 133 Như định nghĩa điện dung, có hệ số 1/2, túy vấn đề định nghĩa Đại lượng L gọi độ tự cảm cuộn cảm, thấy đơn vị phải J/A2 Tổ hợp đơn vị khó coi thường viết gọn lại henry, H = J/A Thay ghi nhớ định nghĩa này, điều có ý nghĩa tìm thấy cần thiết từ định nghĩa độ tự cảm Nhiều người biết đến cuộn cảm đơn giản “cuộn dây” không hiểu ý bạn bạn nhắc tới “phần cảm điện”, họ nhớ tới L “độ tự cảm” Ví dụ Các cuộn cảm giống mắc nối tiếp Nếu hai cuộn cảm mắc nối tiếp, dòng điện qua cuộn cảm ghép đôi phải qua hai phần Như vậy, theo định nghĩa độ tự cảm, độ tự cảm tăng gấp đôi Nói chung, độ tự cảm mắc nối tiếp cộng gộp lại, giống điện trở Lí giải tương tự cho thấy độ tự cảm solenoid xấp xỉ tỉ lệ với chiều dài nó, giả sử số vòng dây đơn vị chiều dài giữ không đổi g/ Các điện dung mắc song song cộng lại f/ Các độ tự cảm mắc nối tiếp cộng lại Ví dụ Các tụ điện giống mắc song song Khi hai tụ điện giống mắc song song, điện tích tích hai đầu tụ ghép tự chia hai phần Điện trường xung quanh tụ chia đôi cường độ, dự trữ phần tư lượng Hai tụ điện, tụ dự trữ phần tư lượng, mang lại phân nửa lượng dự trữ toàn phần Vì điện dung tỉ lệ nghịch với lượng dự trữ, nên điều hàm ý hai điện dung giống mắc song song cho điện dung gấp đôi Nói chung, điện dung mắc song song cộng gộp lại Điều không giống với hành vi cuộn cảm điện trở, với chúng cấu hình mắc nối tiếp cộng lại Điều phù hợp với thực tế điện dung tụ phẳng tỉ lệ với diện tích tụ Nếu có tụ hai song song, ghép chúng theo kiểu song song mang chúng lại gần liền bản, tạo tụ với có diện tích gấp đôi, có điện dung gần gấp đôi Các độ tự cảm mắc song song điện dung mắc nối tiếp khảo sát tập Ví dụ Tụ xoay Hình h/1 cho thấy cấu trúc tụ xoay gồm hai kim loại hình bán nguyệt song song Một cố định, quay xung quanh trục chung chúng với núm xoay Các điện tích trái dấu hai hút lại, có xu hướng làm tăng diện tích chồng lên Diện tích chồng lấn diện tích góp phần hiệu cho điện dung, việc chỉnh nút xoay làm thay đổi điện dung Thiết kế đơn giản mang lại giá trị điện dung nhỏ, nên thực tế người ta thường sử dụng dãy tụ, mắc dây song song, với tất phần chuyển động có trục xoay h/ Tụ xoay © hiepkhachquay | Bài giảng Điện học 134 Câu hỏi thảo luận A Giả sử hai tụ song song mắc dây song song nhau, đặt gần nhau, liền bản, cho điện trường chúng chồng lên Điện dung thu nhỏ, hay lớn ? Bạn xoay mạch điện sang hình dạng khác làm cho hiệu ứng xảy tương tự, hiệu ứng bị loại trừ ? Còn trường hợp hai cuộn cảm mắc nối tiếp ? B Đa số tụ điện thực tế khe không khí hay khe chân không bản; thay chúng có chất cách điện gọi điện môi Chúng ta nghĩ tới phân tử chất dạng lưỡng cực tự quay (ít phần đó), chúng không tự chuyển động xung quanh, chất rắn Hình bên cho thấy cách cách điệu hóa cao độ không thật để hình dung điều Chúng ta tưởng tượng tất lưỡng cực ban đầu xoay sang bên (1), tụ tích điện, chúng phản ứng cách xoay góc định (2) (Trong thực tế, tình cảnh lộn xộn nhiều, hiệu ứng thẳng hàng yếu nhiều) i/ Câu hỏi thảo luận B Cho đơn giản, tưởng tượng đưa lưỡng cực điện vào khe chân không Đối với lượng điện tích cho trước bản, điều ảnh hưởng đến lượng lượng dự trữ điện trường ? Điều ảnh hưởng thí nghiệm đến điện dung ? Bây giờ, lặp lại phép phân tích dạng công học cần thiết để tích điện cho A.2 Mạch dao động Hình j biểu diễn mạch dao động đơn giản Đối với ứng dụng thực tế nào, thật người ta cần nhiều thành phần Ví dụ, phím chuyển kênh radio, cần phải nối với ănten khuếch đại Tuy nhiên, toàn sở vật lí cần thiết j/ Mạch RLC nối tiếp k/ Tương đương học mạch RLC © hiepkhachquay | Bài giảng Điện học 135 Chúng ta phân tích mà không cần đổ mồ hôi sôi nước mắt cả, đơn giản cách xây dựng tương đương với hệ học Trong dao động tử học, có hai dạng lượng dự trữ Elòxo = K= kx (1) mv (2) Trong trường hợp dao động tử học, thường giả sử lực ma sát thuộc dạng cho kết toán học đẹp nhất, F = - bv Trong mạch điện, tiêu hao lượng thành nhiệt xảy qua điện trở, lực học có liên quan, để tạo tương tự, phải trình bày lại vai trò lực ma sát dạng lượng Công suất tiêu hao ma sát với công học mà thực khoảng thời gian t , chia cho t , P W/ t F x / t Fv bv , nên Tốc độ tiêu thụ nhiệt = - bv2 (3) Phương trình (1) có x bình phương, phương trình (2) (3) có v bình phương Vì chúng bình phương lên, nên kết không phụ thuộc vào biến dương hay âm Điều có ý nghĩa vật lí không ? Trong mạch điện, dạng dự trữ lượng EC q 2C (1’) EL LI (2’) tốc độ tiêu thụ nhiệt điện trở tốc độ tiêu thụ nhiệt = - RI2 (3’) So sánh hai hệ phương trình, trước hết thiết lập tương tự đại lượng biểu diễn trạng thái hệ số thời điểm thời gian xq vI v liên hệ với x mặt toán học ? I liên hệ với q ? Hai mối liên hệ có tương tự với không ? Tiếp theo, liên hệ đại lượng mô tả đặc điểm cố định hệ: k 1/C mL bR Vì hệ vốn dao động với chu kì T 2 m / k , nên giải phương trình điện cách lấy tương tự, cho ta T 2 LC Thay cho chu kì, T, tần số, f, tiện lợi làm việc với đại lượng 2 f , đại lượng hiểu số radian giây Khi © hiepkhachquay | Bài giảng Điện học 136 LC Vì điện trở R tương đương với b trường hợp cơ, nên tìm Q (hệ số tỉ lệ, không điện tích) mạch cộng hưởng tỉ lệ nghịch với R, biên độ cộng hưởng tỉ lệ trực tiếp với R Ví dụ Điều chỉnh máy thu radio Máy thu radio sử dụng loại mạch điện để chọn đài phát Vì máy thu cộng hưởng tần số định, đài có tần số lệch xa không kích thích phản ứng mạch điện Giá trị R phải đủ nhỏ cho đài thời điểm bắt sóng, phải đủ lớn cho đài không nhiễu Tần số cộng hưởng chỉnh cách điều chỉnh L C, tụ xoay dễ chế tạo cuộn cảm biến thiên Ví dụ Áp dụng số Công ti điện thoại gửi nhiều thoại thời điểm sợi dây, điều thực cách chuyển tín hiệu giọng nói thành vùng tần số khác trình truyền Số tín hiệu dây tăng lên tối đa cách làm cho vùng tần số (gọi dải thông) nhỏ tốt Thành vùng tương đối hẹp tần số cần thiết để làm cho giọng nói người nhận thức được, nên công ti điện thoại lọc hết tần số cao thấp (Đây lí giọng nói qua điện thoại bạn khác với giọng nói bình thường bạn) Nếu lọc gồm mạch RLC với tần số cộng hưởng chừng kHz tụ điện F, giá trị độ tự cảm phải sử dụng ? Giải phương trình cho L, có L 1 = 2,5 x 10-3 F-1s2 1 C 10 F 2 10 s Kiểm tra xem kết có thật đơn vị henri việc buồn tẻ, F-1s2 = (C2/J)-1s2 = J.C-2s2 = J/A2 = H Kết 25 mH Đây thật giá trị độ tự cảm lớn, cần cuộn dây to, nặng, đắt tiền Thật ra, có thủ thuật chế tạo loại mạch điện nhỏ rẻ tiền Có loại chip silicon gọi op-amp, số nhiều chất khác, chúng dùng để mô hành vi cuộn cảm Hạn chế chủ yếu op-amp hạn chế với ứng dụng công suất thấp A.3 Điện dòng điện Hiện tượng vật lí xảy mạch dao động ? Trước tiên, nhìn vào trường hợp cơ, sau vạch tương tự cho mạch điện Để cho đơn giản, bỏ qua tồn tắt dần, ma sát dao động tử học, điện trở mạch dao động điện Giả sử lấy dao động tử học kéo vật nặng khỏi trạng thái cân bằng, sau buông Vì ma sát có xu hướng chống lại lực lò xo, nên chất phác mong đợi việc ma sát cho phép vật nặng nhảy tức thời vị trí cân Tuy nhiên, điều xảy ra, vật nặng phải có vận tốc vô hạn để thực nhảy tức thời Vận tốc vô hạn yêu cầu động vô hạn, loại lượng có sẵn cho việc biến đổi thành động năng lượng dự trữ lò xo, lượng hữu hạn, vô hạn Tại bước hành trình trở lại trạng thái cân bằng, vận tốc vật nặng điều khiển xác lượng lượng lò xo trước chuyển hóa thành động Sau vật nặng đạt tới trạng thái cân bằng, qua vị trí quán tính riêng Nó thực © hiepkhachquay | Bài giảng Điện học 137 dao động giống hệt hai phía trạng thái cân bằng, không độ cao ma sát mặt để chuyển hóa lượng thành nhiệt Bây xét dao động tử điện, đối tượng tương tự vị trí điện tích Việc kéo vật nặng khỏi trạng thái cân giống việc tích điện +q –q hai tụ điện Vì điện trở có xu hướng chống lại dòng điện tích, nên tượng tượng mặt ma sát, điện tích chạy tức thời qua cuộn cảm (thật mẫu dây dẫn), tụ điện phóng điện tức thời Tuy nhiên, phóng điện tức thời không thể, yêu cầu dòng điện vô hạn cho phóng điện tức thời Dòng điện vô hạn tạo từ trường vô hạn xung quanh cuộn cảm, trường có lượng vô hạn Thay vậy, tốc độ chạy dòng điện điều khiển thời điểm mối quan hệ lượng lượng dự trữ từ trường lượng dòng điện phải tồn để có từ trường mạnh Sau tụ điện đạt tới q = 0, vượt khỏi giá trị Mạch điện có loại “quán tính” điện riêng nó, điện tích ngừng chạy, phải có dòng điện không qua cuộn cảm Nhưng dòng điện cuộn cảm phải liên hệ với lượng lượng dự trữ từ trường riêng Khi tụ điện trạng thái q = 0, toàn lượng điện cuộn cảm, phải có từ trường mạnh xung quanh có chút dòng điện chạy qua Điều trông hoang mang thường nói dòng điện cuộn cảm gây từ trường, nghe từ trường gây dòng điện Thật triệu chứng chất khó hiểu nhân vật lí học Thật không phần hợp lí nghĩ tới mối quan hệ nhân theo kiểu Tuy nhiên, điều trông không thỏa ý, chẳng hạn không thật trả lời câu hỏi đâu nguyên nhân gây chênh lệch điện hai đầu điện trở (trong trường hợp điện trở hữu hạn); phải có chênh lệch điện thế, không có, định luật Ohm tiên đoán dòng điện không chạy qua điện trở Như vậy, điện thật thiếu câu chuyện từ trước đến Hãy bắt đầu nghiên cứu hiệu điện hai đầu tụ điện Điện thế điện đơn vị điện tích, hiệu điện hai tụ liên hệ với lượng lượng tăng lên tăng giá trị tuyệt đối điện tích tụ từ q lên q + q: VC Eq q Eq / q EC q 2 q q 2C q C Nhiều sách sử dụng phương trình làm định nghĩa điện dung Nhân thể, phương trình có khả giải thích nguyên nhân lịch sử C định nghĩa cho lượng tỉ lệ nghịch với C giá trị cho trước C: người đưa định nghĩa nghĩ tới tụ điện dụng cụ tích điện tích lượng, lượng điện tích dự trữ hiệu điện ổn định (“sức chứa” điện tích) tỉ lệ với C © hiepkhachquay | Bài giảng Điện học 138 l/ Cuộn cảm giải phóng lượng đưa vào hộp đen Trong trường hợp cuộn cảm, biết có dòng điện không đổi, ổn định chạy qua nó, từ trường không đổi,và lượng lượng dự trữ; trao đổi lượng cuộn cảm thành phần khác mạch điện Nhưng dòng điện biến thiên ? Từ trường tỉ lệ với dòng điện, nên thay đổi đối tượng thay đổi đối tượng Để cụ thể, tưởng tượng từ trường dòng điện giảm Năng lượng dự trữ từ trường giảm, theo bảo toàn lượng, lượng biến – số thành phần khác mạch điện phải nhận lượng từ cuộn cảm Ví dụ đơn giản nhất, biểu diễn hình l, loạt mạch điện chứa cuộn cảm thành phần mạch điện khác Không quan trọng thành phần mạch điện gì, nên gọi hộp đen, thích bạn nghĩ điện trở, trường hợp lượng cuộn cảm bị điện trở chuyển hóa thành nhiệt Quy luật mối nối cho biết hai thành phần mạch điện có dòng điện chạy qua chúng, nên I kí hiệu cho hai dòng điện, tương tự vậy, định luật vòng kín cho biết Vcuộn cảm + Vhộp đen = 0, nên hai độ giảm phải có giá trị tuyệt đối, kí hiệu V Cho dù hộp đen tốc độ mà nhận lượng từ cuộn cảm cho |P| = |IV|,vì IV EL 1 2 I LI LI t t t Hay V L I t nhiều sách giáo khoa, định nghĩa độ tự cảm Chiều độ giảm (dấu cộng hay trừ) cho cuộn cảm chống lại thay đổi dòng điện Có thứ thú vị với kết Giả sử, để cụ thể, hộp đen hình l điện trở, lượng cuộn cảm giảm, chuyển hóa thành nhiệt điện trở Độ giảm qua điện trở cho biết có điện trường bên nó, điện trường chi phối dòng điện Nhưng điện trường từ đâu mà có ? Không có điện tích để tạo nó! Cái vừa phát trường hợp đặc biệt nguyên lí tổng quát hơn, nguyên lí cảm ứng: từ trường biến thiên tạo điện trường, điện trường điện tích tạo (Điều ngược lại đúng: điện trường biến thiên theo thời gian tạo từ trường) Sự cảm ứng hình thành nên sở cho công nghệ máy phát điện máy biến thế, cuối dẫn tới tồn ánh sáng, dạng sóng điện trường từ trường Đây chủ đề chương 6, điều thật đáng lưu ý tới kết luận mà không cần biết chi tiết từ học Tranh hoạt hình hình m so sánh điện trường điện tích gây ra, 1, với điện trường từ trường biến thiên gây ra, 2-3 Trong hình m/1, hai nhà vật lí phòng có trần tích điện dương sàn tích điện âm Nhà vật lí phía ném © hiepkhachquay | Bài giảng Điện học 139 bóng bowling tích điện dương vào ống dẫn uốn cong Nhà vật lí phía sử dụng súng radar để đo tốc độ bóng khỏi ống Họ nhận thấy bóng bị chậm lại vào lúc lên tới Bằng cách đo biến đổi động bóng, hai nhà vật lí đóng vai trò giống hệt volt kế Họ kết luận phía ống điện cao phía ống Sự chênh lệch điện xác nhận điện trường, trường rõ ràng gây điện tích sàn trần nhà Trong hình m/2, điện tích phòng, ngoại trừ bóng bowling tích điện Các điện tích chuyển động gây từ trường, nên có từ trường xung quanh ống xoắn ốc bóng chuyển động Một từ trường tạo nơi trước gì, trường có lượng Năng lượng đâu mà có ? Nó đến từ bóng, bóng phải động Hai nhà vật lí làm việc với lần đóng vai trò volt kế, lần họ kết luận có chênh lệch điện phần phần ống Hiệu điện xác nhận điện trường, điện trường điện tích tạo ra, điện tích có mặt phòng Điện trường tạo thay đổi từ trường m/ Điện trường điện tích gây ra, 1, từ trường biến thiên gây ra, Nhà vật lí phía tiếp tục ném bóng vào ống, ống chứa đầy bóng, m/3, cuối dòng điện ổn định thiết lập Trong ống chứa đầy bóng, lượng từ trường tăng lên đặn, lượng lấy từ động bóng Nhưng dòng điện ổn định thiết lập, lượng từ trường không biến thiên Các bóng cung cấp lượng để tích lũy trường, nhà vật lí phía nhận thấy bóng khỏi ống tốc độ trọn vẹn trở lại Không có chênh lệch điện Mặc dù có dòng điện, I / t không Câu hỏi thảo luận A Điều xảy nhà vật lí phía hình m/3 bắt đầu mệt mỏi, làm giảm dòng điện? A Sự tắt dần Cho tới lúc này, “khều nhẹ” thực tế cách thay đổi đặc trưng dao động tử, người ta tạo hành vi không dao động Ví dụ, tưởng tượng lấy hệ vật nặng lò xo làm cho lò xo lúc yếu Trong giới hạn k nhỏ, thể lò xo cả, hành vi hệ bạn kích vật nặng bắt đầu chuyển động chậm dần Trong trường hợp ma sát tỉ lệ với v, giả định, kết vận tốc tiến tới không, không thật đạt tới không Điều không chân thật dao động tử học, ma sát biến vận tốc nhỏ, thực tế trường hợp mạch điện, giảm qua điện trở thật đạt tới không dòng điện đạt tới không © hiepkhachquay | Bài giảng Điện học 140 Các mạch điện biểu hành vi tương tự Để cho đơn giản, phân tích trường hợp mạch LRC có L = C = Mạch RC Trước tiên, phân tích mạch RC, n Trong thực tế, người ta phải “kích” mạch điện, ví dụ cách chèn vào pin thời gian ngắn, để có hành vi hấp dẫn Chúng ta bắt đầu với định luật Ohm phương trình cho hiệu điện hai đầu tụ điện VR = IR VC = q/C Định luật vòng kín cho ta VR + VC = kết hợp ba phương trình cho ta mối quan hệ q I: I q RC Dấu trừ cho biết dòng điện có xu hướng làm giảm điện tích tụ điện, tức làm cho phóng điện Cần nhớ cường độ dòng điện tỉ lệ với q: q lớn, lực hút điện tích +q –q hai tụ lớn, điện tích chạy nhanh qua điện trở để hợp Nếu có điện tích không tụ, nguyên dòng điện chạy Vì ampe, đơn vị dòng điện, tương đương với coulomb giây, nên đại lượng RC phải có đơn vị giây, bạn tự kiểm tra điều RC số thời gian mạch điện I q thay đổi xác theo thời gian ? Viết lại I dạng q / t , có q q t RC Phương trình mô tả hàm q(t) luôn giảm theo thời gian, tốc độ giảm lúc đầu lớn, q lớn, lúc nhỏ q tiến tới không Là thí dụ loại hành vi toán học này, tưởng tượng người đàn ông có 1024 cần sa sân sau nhà ông ta, tâm nhổ phân nửa số chúng ngày Vào ngày thứ nhất, ông ta nhổ phân nửa, lại 512 Ngày tiếp theo, ông ta nhổ phân nửa số lại, để lại 256 Số lại tiếp tục giảm theo hàm mũ: 128, 64, 32, 16, 8, 4, 2, Trở lại ví dụ điện chúng ta, hàm q(t) cần lũy thừa, lũy thừa viết dạng aebt, e = 2,718… số logarith tự nhiên Chúng ta viết với số 2, câu chuyện cần sa, thay cho số e, sở toán học phần sau hóa đơn giản sử dụng e Không thể đưa số có đơn vị vào hàm làm số mũ, nên bt đơn vị, b phải có đơn vị nghịch đảo giây Số b xác định mức độ nhanh tắt dần theo hàm mũ Các thông số vật lí mạch điện mà b có khả phụ thuộc vào R C, cách đặt đơn vị ohm farad với đơn vị nghịch đảo giây cách tính 1/RC Như vậy, thật sử dụng 7/RC, hay 3/RC, hay số đơn vị chia cho RC, nơi việc sử dụng số e thành có lợi: số e, số đơn vị hóa Như vậy, đáp số © hiepkhachquay | Bài giảng Điện học 141 t q q0exp RC Con số RC, với đơn vị giây, gọi số thời gian RC mạch điện, cho biết phải chờ muốn thấy điện tích giảm 1/e o/ Trong khoảng thời gian RC, điện tích tụ điện giảm e lần Mạch RL Mạch RL, p, khảo sát với phương pháp tương tự, người ta dễ dàng cho ta R I I 0exp t L Hằng số thời gian RL L/R p/ Mạch RL Ví dụ Mối nguy hiểm solenoid; ổ cắm xẹt điện Khi đột ngột phá vỡ mạch RL, điều xảy ? Có thể đối mặt với nghịch lí, có hai dạng lượng, lượng từ nhiệt, dòng điện giảm đột ngột, từ trường phải co lại đột ngột Nhưng lượng từ trường bị đâu ? Nó chuyển hóa thành nhiệt cản trở điện trở, mạch điện bị hở, dòng điện chạy! Cách thoát khỏi câu đố nhận khe hở mạch điện có điện trở lớn, không vô hạn Điện trở lớn làm cho số thời gian RL L/R nhỏ Như vậy, dòng điện tiếp tục chạy thời gian ngắn chạy thẳng qua khe không khí nơi mạch điện bị hở Nói cách khác, có tia lửa điện! Chúng ta xác định dựa vài cách lí giải khác độ giảm từ đầu tia lửa điện đến đầu phải lớn Trước hết, điện trở không khí lớn, V = IR cần điện lớn Chúng ta giải thích tất lượng từ trường bị tiêu hao thời gian ngắn, nên công suất tiêu hao tia lửa điện, P = IV lớn, điều cần giá trị lớn V (I không lớn – giảm từ giá trị ban đầu nó) Nhưng cách thứ ba tới kết xét phương trình VL = I/t: số thời gian ngắn, đạo hàm thời gian I/t lớn Đây cách thức đánh lửa xe hoạt động Một ứng dụng khác an toàn điện: thật nguy hiểm phá vỡ mạch cảm kháng đột ngột, nhiều lượng giải phóng © hiepkhachquay | Bài giảng Điện học 142 thời gian ngắn Cũng chẳng hoan nghênh tia lửa điện phóng qua khe không khí; thể qua người bạn, thể bạn có điện trở thấp Câu hỏi thảo luận A Một chuột cắn mòn dây dẫn hệ thống thắp sáng DC sân trước nhà bạn, bóng đèn bị tắt Ngay lúc mạch điện trở nên bị hở, xem hai đầu trần dây dẫn giống hai tụ điện, với khe không khí (hay khe chuột) chúng Ở nói tới loại giá trị điện dung ? Giá trị có cho bạn biết số thời gian RC hay không ? A Trở kháng Từ trước đến đây, nghĩ dao động tự mạch điện Đây giống dao động tử học kích thích sau tự dao động theo cách riêng mà ngoại lực giữ cho dao động không bị tắt dần Giả sử mạch LRC điều khiển điện biến thiên dạng sin, ví dụ điều xảy chỉnh radio xoay với ănten thu Chúng ta biết dòng điện chạy mạch điện, biết có hành vi cộng hưởng, không thiết đơn giản liên hệ dòng điện với điện trường hợp tổng quát Hãy bắt đầu với trường hợp đặc biệt mạch LRC gồm điện trở, điện dung độ tự cảm Chúng ta quan tâm tới hưởng ứng trạng thái bền Trường hợp điện trở thật dễ Định luật Ohm cho ta I V R Trong trường hợp điện dung, mối quan hệ V = q/C cho ta tính I q V C t t q/ Trong tụ điện, dòng điện sớm pha 90o so với điện ~ Nếu hiệu điện biến thiên, chẳng hạn V t V sin t , dòng điện ~ ~ ~ I t CV cos t , nên dòng điện cực đại I CV Bằng cách lấy tương tự với định luật Ohm, viết ~ V I ZC ~ © hiepkhachquay | Bài giảng Điện học 143 Trong đại lượng ZC C [trở kháng tụ điện] có đơn vị ohm, gọi trở kháng tụ điện tần số Lưu ý có cực đại dòng ~ ~ điện, I , tỉ lệ với cực đại hiệu điện thế, V , nên tụ điện không hành xử giống điện trở Cực đại V I xảy thời điểm khác nhau, biểu diễn hình q Cần ý trở kháng trở nên vô hạn tần số không Tần số nghĩa cần thời gian vô hạn trước hiệu điện thể biến thiên lượng Nói cách khác, giống tình tụ điện nối qua hai cực pin phép ổn định trạng thái có điện tích không đổi hai cực Vì điện trường hai không đổi, nên lượng thêm vào hay lấy khỏi trường Một tụ điện trao đổi lượng với thành phần mạch điện khác không mạch điện hở Tại tụ điện trở kháng in nhãn với điện dung ? Tính toán tương tự cho ta ZL = L [ trở kháng cuộn cảm] cuộn cảm Cần lưu ý cuộn cảm có trở kháng thấp tần số thấp hơn, tần số không, biến thiên từ trường theo thời gian Không có lượng thêm vào hay giải phóng từ từ trường, hiệu ứng cảm ứng, cuộn cảm đóng vai trò mẫu dây dẫn có điện trở không đáng kể Thuật ngữ “kháng” dùng cho cuộn cảm ám khả “kháng lại” tần số cao r/ Dòng điện chạy qua cuộn cảm chậm pha 90o so với hiệu điện Mối quan hệ pha biểu diễn hình q r ghi nhớ cách nhớ riêng tôi, “eVIL”, nghĩa hiệu điện (V) trước dòng điện (I) mạch tự cảm, điều ngược lại mạch điện dung Cách nhớ thông dụng “ELI ICE”, sử dụng kí hiệu E cho suất điện động, khái niệm quan hệ gần gũi với hiệu điện Những nội dung cần thận trọng với trở kháng (1) khái niệm áp dụng cho mạch điện điều khiển dạng sin, (2) trở kháng cuộn cảm hay tụ điện phụ thuộc vào tần số và, (3) trở kháng mắc song song hay nối tiếp không kết hợp theo quy luật ghép điện trở Tuy nhiên, người ta khắc phục hạn chế © hiepkhachquay | Bài giảng Điện học 144 Bài tập Nếu dò radio FM gồm mạch LRC chứa cuộn cảm H, ngưỡng điện dung mà tụ xoay cung cấp ? (a) Chứng minh phương trình VL LI / t có đơn vị phù hợp (b) Xác nhận RC có đơn vị thời gian (c) Xác nhận L/R có đơn vị thời gian Tìm lượng dự trữ tụ điện theo điện dung hiệu điện hai đầu Tìm độ tự cảm hai cuộn cảm giống hệt mắc song song Bản thân dây dẫn mạch điện có điện trở, độ tự cảm điện dung Độ tự cảm điện dung “tản lạc” quan trọng mạch điện tần số cao hay tần số thấp ? Để cho đơn giản, giả sử dây dẫn tác dụng giống chúng mắc nối tiếp với cuộn cảm tụ điện (a) Tìm điện dung hai tụ điện giống hệt mắc nối tiếp (b) Dựa kết a, bạn mong đợi điện dung tụ song song phụ thuộc vào khoảng cách hai ? Tìm điện dung bề mặt trái đất, giả sử có “bản” cầu bên vô (Trong thực tế, bên miêu tả phận xa chừng mực vũ trụ mà mang số điện tích khỏi để tích điện cho trái đất) Bắt đầu từ quan hệ V LI / t cho hiệu điện hai đầu cuộn cảm, cuộn cảm có trở kháng L An Minh, Xuân Mậu Tý 2008 02/02/2008, 17:15:04 © hiepkhachquay | Bài giảng Điện học 145 [...]... cách góp cho trường là E = kq/2b2 2b nên độ lớn do nó đóng Điện tích dương có trường hướng ra xa chúng, nên vectơ trường hợp một góc 135 o ngược chiều kim đồng hồ tính từ trục x Eq,x kq kq cos 135o 3 / 2 2 2 2b 2 b Eq,y kq kq sin135o 3 / 2 2 2 2b 2 b Trường tổng hợp là © hiepkhachquay | Bài giảng Điện học 98 Ex 1 2 3 / 2 Ey kq b2 kq 2 b2 3/ 2 Lưỡng cực điện Tập hợp đơn giản nhất của... cặp điện trở đóng vai trò giống hệt như một đơn vị đơn lẻ có giá trị điện trở nhất định gọi là điện trở tương đương của chúng Các điện trở mắc nối tiếp cộng lại tạo ra điện trở tương đương lớn hơn Rnốitiếp = R1 + R2 vì dòng điện phải tiếp tục hành trình của nó qua cả hai điện trở Các điện trở mắc song song tạo ra giá trị điện trở tương đương nhỏ hơn từng điện trở thành phần © hiepkhachquay | Bài giảng. .. Áp dụng định lí cơ bản của phép tính tích phân E dV dx [một chiều] Ví dụ 7 Điện thế do một điện tích điểm gây ra Tìm biểu thức của điện thế do một điện tích điểm gây ra Như đã có từ câu hỏi tự kiểm tra ở phần trước, điện trường do một điện tích điểm gây ra là |E| = © hiepkhachquay | Bài giảng Điện học kQ r2 1 02 Hiệu điện thế giữa hai điểm trên cùng một đường bán kính là V dV Ex dx... đóng góp của chúng vào điện trường, trong đó r = d – z là khoảng cách tính từ điện tích tại z đến điểm mà chúng ta thích © hiepkhachquay | Bài giảng Điện học 105 Ez L / 2 L / 2 kdq k dz dz k 2 2 2 r r L / 2 L / 2 d z s/ Ví dụ 8 Tích phân có thể tìm trong bảng kê, hay hạ bậc xuống dạng cơ bản bằng cách đặt một biến mới thay cho (d – z) Kết quả là L / 2 kQ 1 1 1 Ez ... 5.3 Điện trường Định nghĩa Định nghĩa của điện trường hoàn toàn tương tự, và có cùng động cơ, như định nghĩa trường hấp dẫn © hiepkhachquay | Bài giảng Điện học 97 định nghĩa điện trường Vectơ điện trường, E, tại một điểm bất kì trong không gian được xác định bằng cách đặt một điện tích thử qt tại điểm đó Vectơ điện trường được cho bởi E = F/qt, trong đó F là lực điện tác dụng lên điện tích thử Các điện. .. hiepkhachquay | Bài giảng Điện học 100 Liên hệ giữa hiệu điện thế và cường độ điện trường Hiệu điện thế là thế năng trên đơn vị điện tích, và cường độ điện trường là lực trên đơn vị điện tích Do đó, chúng ta có thể liên hệ hiệu điện thế và trường nếu chúng ta bắt đầu từ mối quan hệ giữa thế năng và lực, PE = - Fd [giả sử lực không đổi và chuyển động song song với lực] và chia cho điện tích PE = -... hiepkhachquay | Bài giảng Điện học 101 D Trong một đèn flash cấp nguồn bằng pin, điện trường hướng theo chiều nào ? Trường đó sẽ trông như thế nào bên trong các dây dẫn ? Còn trong dây tóc của đèn sợi đốt thì sao ? E Phê bình phát biểu sau: Điện trường có thể biểu diễn bằng một biển mũi tên chỉ chiều dòng điện đang chạy” F Điện trường của một điện tích điểm, |E| = kQ/r2, có được trong phần câu hỏi tự... biểu rằng lưỡng cực là bất kì vật nào chịu mômen quay trong điện trường k/ Trường lưỡng cực Điện trường đi ra ở điện tích dương và đi vào ở điện tích âm l/ Phân tử nước là một lưỡng cực © hiepkhachquay | Bài giảng Điện học 99 m/1 Điện trường đều do một số điện tích “bên ngoài” gây ra 2 Một lưỡng cực đặt trong điện trường 3 Lưỡng cực sắp thẳng hàng với trường Cái gì xác định mômen quay tác dụng lên một... mạch điện gồm hai điện trở chưa biết mắc nối tiếp, và một mạch điện thứ hai gồm hai điện trở chưa biết mắc song song (a) Bạn có thể kết luận gì về các điện trở trong mạch điện mắc nối tiếp khi tìm thấy dòng điện chạy qua chúng là bằng nhau ? (b) Nếu bạn tìm thấy hiệu điện thế giữa hai đầu các điện trở trong mạch điện mắc nối tiếp là bằng nhau thì bạn kết luận như thế nào ? (c) Bạn biết gì về các điện. .. hiepkhachquay | Bài giảng Điện học 89 9 Có bao nhiêu giá trị điện trở khác nhau có thể tạo ra bằng cách kết hợp ba điện trở không bằng nhau ? (Không tính đến những khả năng trong đó không sử dụng hết cả ba điện trở) 10 Một người ở khu vực nông thôn không có điện sử dụng kéo một đường dây dẫn cực kì dài đến nhà một người bạn ở cuối con đường nên cô ta có thể thắp sáng một bóng đèn điện Dây dẫn dài đến mức điện ... / 2 2b b Eq,y kq kq sin135o / 2 2b b Trường tổng hợp © hiepkhachquay | Bài giảng Điện học 98 Ex 1 2 3 / Ey kq b2 kq b2 3/ Lưỡng cực điện Tập hợp đơn giản nguồn xảy với điện học. .. mạch điện rõ hình d/3, cho gồm hai điện trở Điện trở tương đương toàn mạch điện cho R 123 1 R 12 R3 1 Thay R 12 đơn giản hóa, thu kết © hiepkhachquay | Bài giảng Điện học 80 R 123 1... © hiepkhachquay | Bài giảng Điện học 100 Liên hệ hiệu điện cường độ điện trường Hiệu điện thế đơn vị điện tích, cường độ điện trường lực đơn vị điện tích Do đó, liên hệ hiệu điện trường mối quan