giáo trình môn điện kỹ thuật

Xét lại hình 1.2 Giả sử chưa có Q2 thì khoảng không gian bao quanh Q1 gồm điểm A là điểm đặt Q2 Vẫn tồn tại điện trường gọi là điện trường Q1 Nếu như có một điện tích khác chẳng hạn n

Chương 1 TĨNH ĐIỆN 1.1 Khái niệm về điện tích và điện trường.

- Điện tử, ion dương, ion âm gọi chung là điện tích

- Bình thường vật thể trung hoà về điện, điện tích âm và dương phân bố đồng đều cho nhau

- Nếu dùng một tác nhân nào đó chẳng hạng như ma sát để truyền thêm hay làm mất bớt một số điện tử của vật thể thì nó mất tính trung hoà trở thành vật tích điện

- Lượng điện tích mà vật thể thêm hay mất bớt, để trở thành vật tích điện gọi là điện lượng (hay điện tích)

- Ký hiệu điện tích:q (hoặc Q )

- Đơn vị điện tích: c ( hoặc C )

1 khoảng R, 2 điên tích này sẽ tác dụng

lên nhau Các lực đẩy (nếu cùng dấu)

và lực hút (nếu trái dấu)

- Lực tác dụng giữa các điện tích đứng

yên gọi là lực tỉnh điện F12 = 2

2 1

4

.

R

Q Q

t

πε

t: hằng số điện môi tuyệt đối của môi trường đặt Q1 Q2

Giáo trình môn: Điện kỹ thuật Trang 1

A

R

Hình 1.1

Định luật culông: Lực tỉnh điện có phương và phương nối tâm hai điện

tích, có cường độ tỉ lệ thuận với hai điện tích, tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa hai điện tích và phụ thuộc vào môi trường đặt điện tích

 Định nghĩa và tính chất của điện trường.

Định nghĩa: Khoảng không gian bao quanh một điện tích mà ở đó có lực

tác dụng của điện tích dó lên các điện tích khác goi là điện trường Điện trường của điện tích không chuyển động gọi là điện trường tỉnh điện

 Tính chất

• Cường độ điện trường và đường sức điện trường.

Xét lại hình 1.2

Giả sử chưa có Q2 thì khoảng không gian

bao quanh Q1 (gồm điểm A là điểm đặt Q2 )

Vẫn tồn tại điện trường gọi là điện trường Q1

Nếu như có một điện tích khác chẳng hạn

như Q2 vào điện trường Q1 sẽ xuất hiện lực

tĩnh điện F12 càng lớn, nhưng tỉ số giữa F12

và Q2 không phụ thuộc vào Q2 mà đặc trưng

cho tác dụng lực của điện trường Q1 tại điểm A gọi là cường độ điện trường

Cường độ điện trường của một điện tích điểm tỉ lệ thuận với điện tích đó,

tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách từ điểm xét tới điện tích điểm và phụ thuộc môi trường đặt điểm tỉnh hay: Cường độ điện trường là đại lượng đặc trưng cho độ mạnh của điện trường, đo bằng tỉ số giữa lực tác dụng của điện trường lên điện tích điểm đặt trong trường tại điểm tình cường độ với chính điện tích điểm đó

Tổng quát: = Q F (q) (lực điện trường tác dụng lên q)

- Lực là một đại lượng vectơ nên cường độ điện trường cũng là đại lượng vectơ

- Phương và chiều của cường độ điện trường cùng phương và chiều với lực tác dụng lên điện tích dương (hay phương của cường độ điện trường là đường thẳng nối điện tích tới điểm xét)

Cường độ điện trường của điện tích + có chiều rời khỏi điện tích, còn điện tích âm sẽ vào điện tích

Lực điện trường Q1 tác dụng lên điện tích Q2 là

• Đường sức điện trường

Là đường cong vẽ trong điện trường, tiếp xúc với vectơ cường độ điện trường và tại những điểm khác nhau

• Điện trường đều

Là điện trường có cường độ tại mọi

điểm cùng trị số và cùng hướng.Ví dụ,

điện trường giữa 2 bản phẳng tích điện

1.2 Điện thể – hiệu điện thế

1.2.1 Công của lực điện trường.

Tại một điểm A trong một điện trường

Công của lực điện trường F làm q di chuyển theo

đường AC là

AAC = F.AC.cosα = F.AB = F.d = q.ε.d Công

của lực điện trường F làm q di chuyển theo đường

AAB = AAC = AADB = q.ε.d ( J ) Với q ( C ) là độ lớn của điện tích

di chuyển trong điện trường ; ε ( V/m ) là cường độ điện trường ; d ( m ) là khoảng cách giữa 2 bản cực

1.2.2 Điện thế

 Định nghĩa: Để xác định thế của điện trường hay điện thế, ta cần quy

ước chọn một điểm làm mốc Đối với điện trường, người ta chọn điểm mốc là một điểm ở vô cực, vì tại đó :r = ∞ → F = k q Q

r

.

2 = 0 → ε = F

q = 0

tức là điện thế tại vô cực bằng 0

Người ta định nghĩa , điện thế tại A là công của lực điện trường F làm di chuyển một điện tích +1 C từ A ra vô cực

Gọi AA ∞là công của lực điện trường F làm di chuyển một điện tích q(+) từ A

ra vô cực, và ϕA là điện thế tại A,

Theo địmh nghĩa của điện thế tại một điểm, ta có:

ϕA = AqA∞

Điện thế tại một điểm: Nếu Q là điện tích gây ra điện trường, và rA là khoảng

cách từ Q đến điểm đang xét A, thì điện thế tại A là

Hình 1.7

ϕA = AqA ∞ = k.rQ

A ( V )

Nhận xét: Điện thế tại một điểm luôn luôn tỉ lệ với điện tích gây ra điện

trường Q, và có trị số (+), (-) hoặc bằng 0 tùy theo Q có điện tích (+), (-) hay bằng 0

1.2.3 Hiệu điện thế ( Điện áp )

 Định nghĩa: Giả sử dưới tác dụng của lực điện trường F, một điện tích

(+) di chuyển từ B qua C ra vô cực Khi đó, công của lực F đã thực hiện là

V

m = 1 V/m

Vậy, Vôn/mét là cường độ của một điện trường đều mà điện áp dọc theo mỗi mét đường sức là 1 Vôn

Ví dụ 1.1: Hai lá kim loại mỏng A, B,

ép sát vào một tờ giấy cách điện và đặt vào

điện áp 20 V Giấy dày 0,1 mm Tính cường

Giáo trình môn: Điện kỹ thuật Trang 5

Hình 1.8

độ điện trường giữa 2 lá kim loại.

Giải : Điện trường ε đều nên:

ký hiệu là C, và được gọi là điện dung vật dẫn :

C = Qϕ

Cho ϕ = 1V thì C = Qϕ = Q

1= Q Vậy, khi điện thế là 1 Vôn thì lượng điện tích vào vật dẫn chính là điện dung của nó

Suy ra, cùng một điện thế, vật dẫn có điện dung càng lớn thì tích điện càng nhiều

 Đơn vị: Cho ϕ = 1V, Q = 1 C thì C = 1 đơn vị điện dung, gọi là Fara, ký hiệu F

Vậy, Fara là điện dung của vật dẫn khi đặt vào điện thế 1 Vôn nó tích được một lượng điện là 1 Culông:

1F = 11

C V

Vì Fara là một đơn vị quá lớn nên người ta thường dùng các ước của Fara :

- Hai vật dẫn đặt gần nhau và cách nhau

bởi một lớp điện môi tạo thành một tụ điện

Xét một tụ điện phẳng gồm 2 bản

cực cách nhau bởi một lớp điện môi là

giấy, mica, hoặc sứ

Muốn tích điện cho tụ, ta có nhiều cách :

- Nối 2 bản cực của tụ với 2 cực của

nguồn điện ( tích điện nhờ công của

S d 4

Hay: C = 8,86.10-12 ε S

d ( F )Trong đó : ε là hằng số điện môi

S là diện tích bản cực, tính bằng m2

Giáo trình môn: Điện kỹ thuật Trang 7

( điện tích của tụ ) ( điện áp trên 2 bản cực )

Hình 1.11

Là ghép các cực cùng tên với nhau, và đặt vào một điện áp U chung.

Vì các tụ đều có chung một điện áp U nên:

Q1 = C1.U, Q2 = C2.U, , Qn = Cn.UGọi CBộ và QBộ là điện dung và điện áp của cả bộ (còn gọi là tụ tương đương), ta có:

Bo = 3 3

0 22

, , = 15 (cái )Vậy, muốn có bộ tụ 3,3 µF - 400 V thì phải ghép song song 15 tụ 0,22 µF - 400V

Hình 1.12

U = Q.C1

Bo ( 4 )( 3 ) và ( 4 ) cho ta: C1

Giải : Vì điện áp làm việc lớn hơn điện áp mỗi tụ nên phải ghép nối tiếp

các tụ Và do các tụ có điện áp bằng nhau là Utụ = 150 V nên:

Giáo trình môn: Điện kỹ thuật Trang 9

Hình 1.13

U = nUtụ ⇒ 600 = n x 150 ⇒ n = 150600 = 4 ( cái )

Vậy, số tụ cần ghép nối tiếp là 4 tụ

Điện dung của bộ tụ là CBộ = C

n = 4

4 = 1 µF

1.4 Năng lượng điện trường

Năng lượng điện trường là năng lượng được tích lũy trong tụ điện khi tụ được nạp điện Khi tụ phóng điện, năng lượng này sẽ được giải phóng

Gọi WE là năng lượng điện trường, ta có:

WE = 1

2Q.U, biết Q = C.U ⇒ WE = 1

2C.U2 ( J )Trong đó: C là điện dung của tụ điện, tính bằng F

1.5 Tác dụng của điện trường lên vật dẫn và điện môi

1.5.1 Vật dẫn trong điện trường.

 Hiện tượng

Đặt vật dẫn vào trong điện trường giữa

2 bản cực tích điện trái dấu như hình vẽ bên

Cường độ trường giữa 2 bản cực gọi

là cường độ trường ngoài: ng

Dưới tác dụng của ng các điện tử

tự do di chuyển ngược chiều điện

trường về phía đối diện với bản cực

dương Phía còn lại đối diện với bản Vật dẫn trong điện trường

cực âm sẽ tích điện âm sẽ tích điện dương Bên trong vật dẫn hình thành một điện trường mới gọi là điện trường phụ có cường độ f và có chiều ngược lại với

ng Nên f có tác dụng khử, nếu f < ng thì điện từ vẫn tiếp tục phân bố lại –> f

tiếp tục tăng Khi f = ng thì điện trường trong vật dẫn triệt tiêu, điện tích thôi

phân bố lai –> trạng thái cân bằng

 Kết luận

Hình 1.14

Khi đặt vật dẫn vào trong điện trường, trong vật dẫn có sự phân bố điện tích Cường độ điện trường bên trong vật dẫn bị triệt tiêu Hiện tượng này gọi là hiện tượng cảm ứng tỉnh điện.

 Ứng dụng

Dùng để chế tạo màn tỉnh điện Khi

muốn tránh ảnh hưởng của điện trường đến một

thiết bị nào đó, người

ta đặt thiết bị đó trong một vỏ bọc bằng kim loại

gọi là màn tỉnh điện

Do hiệu ứng phân bố lại điên tích

–> điện trường bên trong màn tỉnh điện bằng không

1.5.2 Điện môi trong điện trường

 Hiện tượng

Đăt điện môi thuộc loại không phân cực

vào trong điện trường Điện trường sẽ

chuyển các lượng cực điện

Các lưỡng cực điện phân tử điện môi không

phân cực thành các này sáp xếp theo

phương của đường sức điện Đầu dương hướng về

phía cực âm, đầu âm hướng về phía cực dương, của

điện trường ngoài

trường ε1và ε2 và các vectơ lực hút hoặc đẩy do 2 điện tích Q1 và Q2 tàc dụng lên

ĐS bài 1:

Bài 2: Một thanh êbônit xát vào dạ nhận thêm 5.1010 điện tử Tính điện tích của

nó ĐS bài 2: q = - 8.10-9C

Bài 3 : Hai điện tích điểm cách nhau một khoảng d trong chân không Lực tác

dụng sẽ thay đổi ra sao khi (a) một trong hai điện tích tăng gấp đôi (b) cả hai điện tích đều giảm đi một nửa trị số ban đầu (c) hai điện tích có trị số không đổi, nhưng khoảng cách tăng gấp đôi ?

ĐS bài 3: (a) tăng gấp đôi; (b) giảm 4 lần; (c) giảm 4 lần

Bài 4: Tính công thực hiện khi di chuyển một điện tích q = 5.10-8C giữa hai điểm của điện trường có điện áp 1200V

ĐS bài 4 : A = 6.10-5J

Bài 5 : Một điện tích di chuyển từ điểm A đến điểm B trong điện trường đã thực

hiện một công là 2.10-6J Biết điện tích q = 32.10-7C, tìm điện áp giữa hai điểm

A, B ĐS bài 5: UAB = 30V

Bài 6: Một điện tích chuyển dời trong một điện trường giữa hai điểm có điện áp

3000V đã thực hiện một công là 1J Tính độ lớn của điện tích

ĐS bài 6: q =

3

10 − 3

C

Bài 7: Tính cường độ điên trường và điện thế tại điểm M ở cách một điện tích

Q một khoảng d = 5cm, biết độ lớn của điện tích Q = - 9.10-9C trong hai trường hợp:

(a) điện tích trong không khí

(b) điện tích đặt trong nước có ε = 81

Bài 10: Hai tấm cực phẳng hình tròn, bán kính 40cm, đặt cách nhau 1cm trong

không khí Tính điện dung của tụ

ĐS bài 10: C = 0,44nF

Bài 11: Bốn tụ điện giống nhau (a) lần thứ nhất đấu song song (b) lần thứ hai

đấu nối tiếp Biết điện dung mỗi tụ là C, Tìm điện dung của cả bộ tụ điện trong hai trường hợp

ĐS bài 11 : (a) Cbộ = 4C (b) Cbộ = C4

Bài 12: Cũng các tụ ở bài 11, người ta đấu nối tiếp từng 2 tụ, rồi đấu song song

chúng lại Tính điện dung cả bộ

ĐS bài 12: Cbộ = C

Bài 13: Tụ điện ở bài 10 được đặt vào điện áp 500 Tính điện tích trên bản cực

và cường độ điện trường trong tụ

Chương 2 MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU 2.1 Dòng điện và dòng điện 1 chiều.

- Dòng điện là dòng điện tích chuyển dời có hướng dưới tác dụng của lực điện trường

Qui ước: chiều dòng điện là chiều duy chuyển của các điện tích dương,

tức là hướng từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp hơn, và đó cũng là chiều của điện trường Chiều dòng điện tử ngược với qui ước của chiều dòng điện

- Sự duy chuyển điện tích theo một hướng nhất định với tốc độ không đổi

sẽ tạo thành dòng điện 1 chiều, hay gọi là dòng điện không đổi

=>Vậy dòng điện 1 chiều là dòng điện có chiều và trị số không đổi theo thời gian (Đồ thị của dòng điện 1 chiều là một đường thẳng song song với trục thời gian )

2.1.1 Chiều qui ước của dòng điện

Chiều dòng điện là chiều duy chuyển của các điện tích dương, tức là hướng từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp

Trong kim loại dòng điện là dòng có điện tử chuyển dời có hướng Vì điện tử chuyển từ nơi có điện thế thấp đến nơi có điện thế cao => chiều điện tử khác với qui ước chiều dòng điện

Trong dung dịch điện li dòng điện là dòng mà các ion chuyển đổi có hướng, gồm có hai dòng ngược chiều nhau

- Ion dương cùng chiều với chiều qui ước: duy chuyển từ Anôt –> catôt

- Ion âm ngược chiều với chiều qui ước: duy chuyển từ catôt –>Anôt

Trong môi trường chất khí bị ôxi hóa dòng điện là dòng các ion và điện tử chuyển dời có hướng

Nó gồm: Ion dương từ anôt về catôt

Ion âm từ catôt về anôt

2.1.2 Cường độ và mật độ dòng điện

Hình 2.1

Ampe là cường độ của dòng điện, cứ mỗi giây có một culông qua tiết diện dây dẫn.

10 − 3

=0,1A

Ví dụ 2.2 Một acqui nạp bằng dòng điện 5A trong thời gian 10 giờ Tìm điện

lượng đã nạp vào acqui

Giải: Điện lượng đã nạp vào ắc qui

Q = I.t = 5.10 = 50(Ah) =5.360=1.80.000 C

 Mật độ dòng điện

Cường độ dòng dđện qua một đơn vị diện tích tiết diện được gọi là mật

độ tiết diện: Ký hiệu (đenta)

δ = I/S δ (A/m2hoặc (A/cm2,A/mm2)

200

=2,05 A/mm2

2.2 Mạch điện và các phân tử của mạch điện

2.2.1 Mạch điện

Mạch điện là tập hợp các thiết bị để dòng điện chạy qua,các thiết bị lẻ chấp nối

để tạo thành mạch điện gọi là các phần tử của mạch

Giáo trình môn: Điện kỹ thuật Trang 15

2.2.2.Các phần tử cấu thành mạch điện

Nguồn điên, dây dẫn, thiết bị tiêu thụ điện thiết bị phụ trợ

 Nguồn điện: Là thiết bị biến đổi các dạng năng lượngkhác thành năng

lượng điện như: ắc qui, pin ( dùng năng lượng hoá học ) máy phát điên (năng lượng cơ học)

 Dây dẫn: Để dẫn dòng điện (chuyển tải năng lượng điện ) từ nguồn đến

nơi tiêu thụ

 Thiết bị tiêu thụ điện: Để biến đổi năng lượng điện thành các dạng năng

lượng khác, như ánh sáng (neon điện ), nhiệt điện (bếp điện, lò điện ), cơ (động cơ)

 Các thiết bị phụ trợ

Thiết bị đóng cắt (cầu dao, máy cắt điện ) để đóng cắt mạch điện, thiết

bị bảo vệ (cầu chì ) dụng cụ đo(ampe – met )

Các yếu tố kết cấu của mạch điện là nut và nhánh

- Nhánh: là phần đoạn mạch chỉ

có duy nhất một dòng điện chạyqua

- Nút: là điểm nối của 3 nhánh trở lên.

Mạch điện không có điểm nút nào gọi

là mạch điện không phân nhánh

dòng điện duy nhất qua tất cả các phân tử của nó Nếu mạch có điểm nút thì gọi

là mạch phân nhánh

2.3 Các định luật và biểu thức cơ bản trong mạch điện một chiều.

2.3.1 Định luật ôm

(Do nhà bác học G-Ôm người Đức tìm ra bằng thực nghiệm ở thế kỉ 19)

Phát biểu: Dòng điện đi qua một đoạn mạch tỉ lệ thuận nghịch với điện trở

của đoạn mạch

Giả sử có U đặt vào hai đầu đoạn mạch (vật dẫn ) dài là l

=> Điện trường đều có cường độ là: =

l U

Điện trở, điện trở suất và sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ.

- Đơn vị của điện trở và điện dẫn

Điện dẫn của đoạn mạch

0 , 25 ( )

4

1 1

s R

l

s R.

=

Nếu s = 1; l = 1 → ρ = R

* Điện trở suất của vật liệu là điện trở của vật dẫn làm bằng vật liệu đó, có tiết

diện là một đơn vị diện tích, dài 1 đơn vị dài

2

s

l R m

m

ρ

ĐẶC TÍNH CỦA MỘT SỐ LOẠI VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN

Vật liệu Khối lượng

riêng g/cm3

Gioi hạn bền keo m bar

Nhiệtđộ chảy 0C

Điện trở suất

20 0C

Hệ số nhiệt điện trỏ (hay phạm

vi 0 – 100

0C )Nhôm

137 -215

49 -5884067-392592539

245 – 392683

784 – 1470-

784

65790033701520120090096010631360140014501500

0,0290,021 – 0,40,0560,13 – 0,30,4 – 0,510,07 – 0,080,42

0,01751,10,13 – 0,251,4

1,4

0,0040,0040,004640,0060,000.0050,0020,000.0060,0040,000.150,0060,000260,000.04

phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ

Điện trở của vât liệu tăng lên khi nhiệt độ tăng lên trong thời gian từ 0 –>

1000C đa số các dây kim loại đều có độ tăng điện trở là r, tỉ lệ với độ tăng nhiệt

độ ∆θ = θ - θo

=

− +

) (

o o

o o

o

o o

o o

r r

r

r

r

r r

r

r

θ θ α θ

θ α

θ θ θ α

=

∆ +

o o

20 , 1

20 , 1 44 , 1 004 , 0

1

1

= +

−

= +

=

α

Tính siêu dẫn: khi hạ nhiệt độ của một số kim loại và hợp kim, xuống gần độ

không tuyệt đối.(-2730C)người ta thấy xuát hiện trạng thái dẫn điện đặc biệt gọi

là hiện tượng siêu dẫn –> nhiệt độ tương ứng này gọi là nhiệt độ tới hạn

2.3.2 Công suất và điện năng trong mạch điện một chiều.

Nối nguồn F có suất điện động E và r0 với r

(điện trở trong với điện trờ tải) thì dưới tác dụng

của lực trường ngoài của nguồn điện, các điện liên

tục chuyễn động qua nguồn, và mạch ngoài tạo

thành I

=> công của trường ngoài cũng là công của

nguồn để di chuyển điện tích Q qua nguồn là :Af =EQ

mà Q = It →Af = EIt

Theo định luật bảo toàn và biến hoá năng lượng

Nếu gọi điện áp trên tải (giữa 2 cực AB) là

Năng lượng Q thực hiện qua đoạn mạch AB là: U= ϕA - ϕB

Giáo trình môn: Điện kỹ thuật Trang 19

Hình 2.3

P =

dt

dA t

EIt t

A

P f = f = =

Công suất tải

UI t

It U t

Wh, hWh, KWh, MWh, oát giờ là công suất dòng điện có công suất thực hiện trong 1 giờ

Ví dụ 2.7 Mạch điện áp U= 218V, cung cấp cho tải dòng điện I = 2,75A, trong

thời gian 3 giờ Biết giá tiền điện là 0,15đ/kwh Tìm công suất của tải tiêu thụ và tiền điện phải trả

Giải: Công suất tải.

2.3.4 Hiện tượng nhiệt điện

Ví dụ, K1 có mật độ điện tử tự do lớn hơn K2 Khi đó, điện tử từ K1 sẽ khuếch tán qua K2 Kết quả K1 sẽ tích điện (+) vì thiếu điện tử, còn K2

sẽ tích điện (-) vì thừa điện tử

Giáo trình môn: Điện kỹ thuật Trang 21 Hình 2.4

Vậy, tại mặt tiếp xúc hình thành một điện trường, tức là có một hiệu điện thế Utx xuất hiện

gọi là hiệu điện thế tiếp xúc.

Muốn lấy được hiệu điện thế tiếp xúc, ta phải nối kín mạch cả 2 đầu để hình thành 2 mối tiếp xúc

Gọi nhiệt độ ở mối hàn A là T1, ở mối hàn B là T2, thì hiệu điện thế tiếp xúc ở 2 mối A, B là Utx1 = C.T1; Utx2 = C.T2

Với C là hệ số nhiệt điện, hệ số này phụ thuộc vào bản chất kim loại.

Vậy, nếu ta đặt mối A vào một môi trường có T1 cao, mối B vào môi trường có

Pin nhiệt điện gồm 2 kim loại khác nhau

được hàn nối nhau ở một đầu ( đầu a, đầu

nóng ), còn đầu kia đặt ở nơi có nhiệt độ

bình thường ( đầu b, đầu lạnh) Sđđ nhiệt

điện của pin sẽ dùng để đo nhiệt độ hoặc

dùng để cung cấp điện cho vật tiêu thụ

điện

Ví dụ, đặt đầu a vào nơi có nhiệt độ cần đo, đầu b tiếp xúc với môi trường có nhiệt độ bình thường Độ chênh nhau về nhiệt độ giữa 2 đầu sẽ phát sinh dòng nhiệt điện làm lệch kim nhiệt kế, hoặc Ampe kế, đặt ở đầu b, cho ta đọc được nhiệt độ cần đo, hoặc vận hành được một dụng cụ dùng điện nào đó

2.3.5 Tác dụng hóa của dòng điện

 Hiện tượng điện phân

Khi có dòng điện qua dung dịch

điện phân như dung dịch muối ăn chẳng

Giáo trình môn: Điện kỹ thuật Trang 22

Hình 2.5

hạn, anion Cl- đi về anốt ( cực dương ),

còn cation Na+ đi về catốt ( cực âm )

Tại anốt, Cl- nhường bớt điện

tử cho anốt ( là cực dương luôn luôn

thiếu điện tử ) và trở thành nguyên

tử Clo trung hòa thoát ra ở anốt

( khí Clo )

Trong khi đó, tại catốt, Na+ thu thêm điện tử của catốt ( là cực âm luôn luôn thừa điện tử ) và trở thành nguyên tử Natri trung hòa tan trong dung dịch cho ta sút ( NaOH ), và khí hydro ( H2 ) thu được ở catốt

Vậy, hiện tượng điện phân là hiện tượng dòng điện qua chất điện phân phân ly chất này thành các ion, và do đó sẽ giải phóng kim loại, hoặc hydro ở cực âm

 Các định luật Faraday

Định luật 1: Khối lượng m của chất thoát ra ở âm cực tỉ lệ với

lượng điện tích q đã chuyển qua chất điện phân :

m = k.q = k.I.t ( g )

Với k là đương lượng điện hóa của chất được giải phóng.

Nếu cho q = 1 C thì k = m ( g/C )

Vậy, đương lượng điện hóa của một chất là khối lượng gam chất đó thoát

ra ở âm cực khi có 1 Culông qua dung dịch

Ví dụ: đồng (hóa trị 2) có k = 0,3294.10-3 g/C;bạc (hóa trị 1) có k = 1,118.10-3

g/C

Định luật 2: Đương lượng điện hóa k của một nguyên tố tỉ lệ thuận

với nguyên tử lượng A và tỉ lệ nghịch với hóa trị n của nguyên tố

k = C.A

nVới C là hệ số tỉ lệ: C = 1

Giải : Cường độ dòng điện qua bình điện phân là

Giáo trình môn: Điện kỹ thuật Trang 23

 Ứng dụng của hiện tượng điện phân

Hiện tượng điện phân được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp như: luyện kim, mạ điện

- Luyện kim: Dùng dòng điện tiến hành phân quặng kim loại nóng chảy

hoặc dung dịch muối của chúng để thu được kim loại ròng ở catốt

- Mạ điện: Dùng dòng điện điện phân dung dịch muối của kim loại mạ

để phủ một lớp kim loại mạ thu được ở catốt lên vật cần mạ Như vậy, cực (+) phải được làm bằng kim loại mạ, còn cực (-) phải là chính vật cần mạ

2.3.6 Nguồn điện hóa học

Pin cũng như ắc quy là những nguồn điện hóa học thông dụng, nhưng ắc quy mang tính chất sử dụng thuận nghịch, nghĩa là vừa có thể cung cấp điện, vừa có thể nạp điện để dùng lại

Ví dụ 2.9 Ta hãy khảo sát cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin Vônta.

 Cấu tạo

Gồm một bình điện phân đựng dung dịch acid sulfuric (H2SO4), trong đó

có nhúng 2 thanh kim loại khác loại dùng làm điện cực, một làm bằng đồng dùng làm cực dương, một làm bằng kẽm dùng làm cực âm

lực cản này tại lớp tiếp xúc

mỏng đó

Tuy nhiên, khi mật độ điện tích trái dấu trên cực kẽm và trong dung dịch tăng lên thì cường độ điện trường ε cũng tăng lên.Vì vậy, lực hóa học không còn có thể thắng

được lực điện trường Khi

đó, ta bảo rằng có sự cân

Giáo trình môn: Điện kỹ thuật Trang 24

bằng giữa 2 lực, ion Zn++

không thể tiếp tục tan vào

dung dịch nữa, pin đã đạt

đến một hiệu điện thế nhất

định giữa cực kẽm (-) và dung dịch điện phân (+)

Còn tại cực đồng, đồng không có phản ứng với dung dịch H2SO4 nên không có điện trường nào xuất hiện giữa cực đồng và dung dịch Cực đồng dẫn điện và được nhúng trong dung dịch, do đó, nó có cùng điện tích (+) với dung dịch Vì thế, cực đồng trở thành anốt ( cực dương )

Hiệu điện thế ứng với trạng thái cân bằng nói trên chính là sđđ của pin.Bây giờ, khi pin phóng điện: các điện tử di chuyển từ cực kẽm sang cực đồng ( trong vật dẫn ) sẽ trung hòa một số các ion Zn++ trong dung dịch, làm mật

độ điện tích trái dấu giữa cực kẽm và dung dịch giảm xuống Lập tức điện trường ε giảm, cho phép các ion Zn++ lại tiếp tục tan vào dung dịch để duy trì hiệu điện thế giữa 2 cực của pin, tức là duy trì sđđ của pin

Vậy, nguyên nhân duy trì sđđ của pin là công của lực hóa học Muốn có được sđđ này thì 2 cực của pin phải có hoạt tính hóa học khác nhau, và kim loại hoạt động hơn sẽ là cực (+), kim loại kia sẽ là cực (-) của pin

2.4 Các phương pháp giải mạch một chiều

2.4.1.Phương pháp biến đổi điện trở

 Mạch đấu nối tiếp và song song

Đấu nối tiếp các điện trở

Đấu nối tiếp là cách đấu điện trở sao choChỉ có một dòng điện duy nhất qua tất

cả

Các điện trở

Áp dụng định luật ôm ta cóU1 = IR1; U2 = IR2; U3 = IR3

(U1, U2, U3 là điện áp giáng trên điện trở nối tiếp.)

Điện áp trên mỗi đoạn là hiệu điện thế giữa 2 điểm đầu và cuối

Cuộn dây kích từ của máy điện có điện trở R1 = 25, nối tiếp với một biến trở

R2 đặt vào điện áp U = 125V Biết R2 có thể điều chỉnh 0 -> 100 Tìm giới hạn biến đổi của dòng điện

Đấu song song điện trở

Đấu song song các điện trở là cách đấu sao cho tất cả các điện trở điều cùng đặt vào một điện áp -> đấu phân nhánh

2

1

1

3 3

3

2 2

2

1 ,

1 ,

1

R

g R

Ri R

g g

g

g

g g g U I I I Ug

R

U

I

1 1

1 1

1

) (

3 2 1

3 2 1

3 2 1 3

2 1

∑

= + +

=

∑

= +

+

=

⇒

+ +

= + +

3 2 1 3

2 1

3 1 3 2 2 1 3 2

.

.

.

1 1

1

1

R R R R R R

R R R R

R R R

R R R R R R R R

R

+ +

= + +

=

+Mạch có hai điện trở đấu song song

2 1

2 1 1

2 1 2

1

.

1

1

1

R R

R R R R R

R R R

R

+

= +

1 120

1 60

1

s

= + +

điện trở tương đương

I

A Ug

I

A Ug

I

8 , 0 150

1 120

1 120

1 120

2 60

1 120

đươc loại bỏ bằng cách nối tắt lại.Hình 2.10

=>E1 sẽ tạo ra các dòng điện I’1, I’2, I’3

trong các nhánh, sau đó E2 tác động E1 loại

trong các nhánh sẽ có I1”, I2”, I3”

Mạch chỉ có E1 tác động (hình 2.11) Mạch chỉ có E2 tác động (hình 2.12)

Phương pháp xếp chồng dòng điện gồm các bước sau

- Cho E1 tác động các sức điện động còn lại bỏ (nối tắt lại),giải mạch điện bằng phương pháp biến đổi điện trở Ta tính được dòng điện trong các nhánh I1’ ,I2’…

- Lặp lại các bước một cho E2 tác động ta tính được dòng điện trong các nhánh

do E2 tác động I1”, I2” … cứ tiếp tục như thế cho đến sức điện động cuối cùng

- Cộng đại số tất cả các dòng điện trong mỗi nhánh ta sẽ được dòng điện kết quả của nhánh

Ví dụ 2.13 Cho mạch điện ( hình 2.13)

Hì

nh 2.1 2

Biết E1 = 40V, E2 = 16V, R1 = 2, R2 = 4, R3 = 4

Hãy tính dòng điện I2 trong nhánh 2 của mạch

Giải:

- Bước 1: Lập sơ đồ chỉ có một nguồn E1 tác động

- Bước 2: Sơ đồ chỉ có một nguồn E1 tác động

= + + = + + =4Ω

4 4

4 4 2

3 2

3 2 1

R R

R R R

R tñ

Dòng điện nhánh 1 do nguồn E1 tác động

A

R

E I

td

10 4

40

1 '

Dòng điện nhánh 2 do nguồn E1 tác động

A

R R

R I

4 4

4 10

3 2 3

1 1 '

+

= +

=

- Lập sơ đồ chỉ có một nguồn sức điện động E2 tác động

= + +. =4+44+.22 =163 ΑΩ

1 2

1 2 3

R R

R R R

A

R R

R I

2 3

2 3

1 2 1

- Nhánh: Là bộ phận của mạch điện gồm các phần tử nối tiếp nhau trong đó có

cùng dòng điện đi qua

- Nút: Là chỗ gặp nhau của các nhánh(từ 3 nhánh trở lên)

- Mạch vòng: Là lối đi kép kín qua các nhánh.

Hay I1 + I2 + (-I3) + (-I4) = 0

Qui ước: Dòng điện hướng tới nút lấy dấu dương, dòng điện rời khỏi nút lấy dấu âm

Định luật kirchooff2

Theo một vòng kín, tổng các sức điện động bằng tổng đại số các sụt áp (các điện

áp rơi trên các điện trở của mạch vòng)

4

Hình 2.16

Hình 2.17

3 3 2 2

1

3 3 1 1

R

R I E I

R

R I E I

Ta thấy E1, E3, I2, I3, I4 ngược chiều dương nên biểu thức trên chúng mang dấu

âm E2, I1 cùng chiều dương nên mang dấu dương

 Phương pháp dòng điện nhánh

Giải mạch điện bằng phương pháp dòng điện nhánh gồm các bước sau:

Bước 1:Qui ước của dòng điện nhánh mỗi dòng điện là một ẩn, việc chọn chiều

là tuỳ ý,nếu tính ra kết quả âm thì chiều thực của dòng điện ngược với chiều đã chọn

Bước 3: Giải hệ phương trình tìm đáp số

Ví dụ 2.14 E1 = 125V, E2 = 10V, R1 = 3, R2 = 2, R3 = 4 Tìm dòng điện trong các nhánh và áp đặt vào tải R3

A I

A I

I I I

I R

R I E R

R I

E

15 ,

5 ,

20

0 2

4 90 3

4

125

0

1 2

3

3 3 3

3 2

3 3 2 1

3 3

−

⇒

Ví dụ 2.15

E1=35V, điện trở trong coi như bằng không

Giáo trình môn: Điện kỹ thuật Trang 31

Hình 2.18

Hình 2.19

- Bước 2: Thành lập hệ M phương trình mạch vòng đối với mỗi vòng

- Bước 3: Giải hệ phương trình

+ Nếu nhánh chỉ có một dòng vòng duy nhất đi qua, thì dòng nhánh bằng dòng vòng

+ Nếu nhánh có từ 2 dòng vòng đi qua dòng nhánh sẽ bằng tổng đại số các dòng vòng đó

Ví dụ2.16 Xác định các dòng điện nhánh của mạch điện vòng như hình vẽ 2.20

120+ =

Hình 2.20

Thay vào (5)=>Ib= 17 , 68A

5

4 5 , 4

 Phương pháp điện thế nút(điện thế 2 điểm)

các bước giải mạch bằng phương pháp điện thế nút

- Bước: Chọn tuỳ ý một nút, coi thế nút đó bằng 0, giã sử nút thứ N còn gọi là (m-1) nút, chọn thế các nút đó làm ẩn ϕ1, ϕ2 ϕm-1

g11,g12 gii tổng dẫn nối đến từng nút gọi là điện dẫn riêng nút i, gii = Σgk

g12,g21 gij tổng dẫn nối giữa 2 nút i – j gọi là điện dẫ R1 = 2 n tương hỗ giữa 2 nút i - j, gij =i j Eg k

Điện dẫn riêng các nút

Tại nút A: gA = g1 + g2 + g3 + g4 = 1 , 05s

5

1 10

1 4

1 2

1

= + + +

Tại nút B: gB = g2 + g3 + g5 + g6 = 0 , 95s

5 , 2

1 5

1 10

1 4

1

= +

Nguồn dòng tới các nút A và B

A g

E g E g

E

Eg

5 , 2

15 4

12 2

12

4 4 2 2 1

15 4

12

6 6 2

E I

A R

I

A R

E I

A R

I

A R

E I

A R

E

I

B B A

B A

A B A

96 , 1 5 , 2

2 , 13 15

64 , 2 5

2 , 13

98 , 0 5

1 , 10 15

31 , 0 10

2 , 13 1 , 10

22 , 2 4

1 , 10 2 , 13 12

95 , 0 2

1 , 10 12

6

6 6

5 5

4

4 4

3 3

2

2 2

1 1

−

= +

ϕ ϕ

ϕ ϕ ϕ

 Dòng I3 có chiều ngược với chiều đã vẽ

CÂU HỎI BÀI TẬP CHƯƠNG 2

1 Định nghĩa dòng điện, cho biết chiều qui ước và chiều thực của dòng điện

trong môi trường vật dẫn

2 Giải thích bản chất suất điện động của nguồn điện

3 Phát biểu và nêu ứng dụng của định luật Jun_lenxơ (Juole-lenz)

4 Dòng điện cho phép của dây dẫn là gì? Tại sao can bảo vệ quá tải cho

mạch điện

Trình bày nguyên tắc bảo vệ bằng cầu chì ?

5 Vẽ và giải thích đặc tính biến đổi dòng điện, điện áp và công suất của

mạch điện có 1 nguồn, điện trở tải biến đổi từ hở mạch đến ngắn mạch (rt = φ→0)

Bài tập Bài 1: Tính lượng điện tích qua mạch trong 1 giờ, biết dòng điện là 5A

ĐS bài 1: q = 5Ah = 18000C

Bài 2: Dây đồng tiết diện 4mm2 có dòng điện cho phép là 40A Tính mật độ dòng điện cho phép

ĐS bài 2: δ = 10A/mm2

Bài 3: Dây dẫn bằng đồng dài 1000m, đường kính dây d = 2mm ( tiết diện

tròn ) Biết γ = 57m/Ωmm2, tính điện trở dây

ĐS bài 3: r = 5,6Ω

Bài 4: Dây sắt dài 52m, có điện trở r = 3Ω Biết ρ = 0,1Ωmm2/m Hãy xác định đường kính tiết diện dây ( dây tròn )

ĐS bài 4: d = 1,5mm

Bài 5: Một điện trở mắc vào một ắc quy 2,2V, có dòng điện 0,55A Tìm trị số

điện trở ( bỏ qua nội trở ắc quy )

ĐS bài 5: r = 4Ω

Bài 6: Bộ ắc quy có điện trở trong ro = 0,2Ω, sức điện động E = 12V, cung cấp cho điện trở R qua đường dây điện trở 0,8Ω Dòng điện qua mạch là 2A Tìm điện trở R

ĐS bài 6: R = 5Ω

Bài 7: Bếp điện mắc vào điện áp 120V, có dòng điện 3A đi qua trong 20 phút

xác định công suất, điện năng và nhiệt lượng

ĐS bài 8: P = 41,7W

Bài 9: Ac quy có sđđ 2,2V, nội trở 0,05Ω Tính dòng điện qua tải r = 0,95Ω và dòng điện ngắn mạch

ĐS bài 9: I = 2,2A ; IN = 44A

Bài 10: Tìm điện trở trong ro của một nguồn điện, biết khi điện trở tải là 1Ω, dòng điện là 1A, còn khi điện trở tải là 2,5Ω, dòng điện là 0,5A

ĐS bài 10: ro = 0,5Ω

Bài 11: Một tải điện trở R = 1,5KΩ mắc vào một nguồn điện có sđđ E = 20V, điện trở trong không đáng kể Để dòng điện không quá 10mA thì phải mắc nối tiếp thêm một điện trở phụ rP bằng bao nhiêu ?

Bài 14: Sđđ của một nguồn điện là E = 100V Biết điện trở trong của nguồn nhỏ

hơn điện rở tải 5 lần Xác định điện áp trên tải

ĐS bài 14: U = 83,33V

Bài 15: Khi tăng điện trở tải R từ 5 lên 10KΩ, dòng trong mạch giảm đi 2 lần Biết trị số ban đầu của dòng điện là 10mA Tìm sđđ và điện trở trong của nguồn

ĐS bài 15: E = 50V ; ro = 0

Bài 16: Một tải có điện trở R = 19, đấu vào nguồn điện một chiều có E = 100V,

điện trở trong Rtr = 1 Tính dòng điện I, điện áp U và công suất P của tải

Bài 17: Mạch điện có nguồn E = 24V, r0 = 0.3 cung câp cho tải điện trở Rt =23 qua một đường dây làm bằng đồng tiết diện S=16mm2, chiều dài l = 640m

Cho đcu =0,0175mm2/m

a Tính điện trở của đường dây và dòng điện trong mạch

b Tính điện áp trên 2 cực của nguồn tải, sụt áp trong nguồn và trên đường dây

c Tính công suất của nguồn, tải, tổn thất công suất trên đường dây và bên trong nguồn

c Công suất phát của nguồn và các công suất tổn hao.

Một nguồn điện có sức điện động E và điện trở trong Rtr = 0,5, cung cấp điện cho tải có điện trở R.Biết điện áp của tải U=95V, công suất tải tiêu thụ P

Cho mạch điện như hình vẽ(hình 2.23)

Dùng phép biến đổi tương đương tính dòng điện trong các nhánh Tính công suất nguồn và công suất trên các điện trở Cho biết: U = 80V; R =1,25 ; R1 = 6;

Bài 22:Cho mạch điện như hình vẽ (hình 2.25)

b/ Tính điện áp trên điện trở R11

Bài 24: Cho mạch điện như (hình 2.27)

Hãy tính I1 , I2 , I3

Hình 2.24

Hình 2.25

Hình 2.26

Giáo trình môn: Điện kỹ thuật Trang 39

Hình 2.27

Chương 3

TỪ TRƯỜNG VÀ CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ 3.1 Đại cương nề từ trường.

3.1.1.Tương tác từ.

Đặt một kim nam châm vào một dây dẫn mang dòng điện kim lệch khỏi vị trí ban đầu đến một vị trí mới hoàn toàn xác định, thay kim nam châm băng dây dẫn có dòng điện khác sẽ xuất hiện lực hút hay nay tác dụng lên dây dẫn Tuỳ theo dòng điện mới này cùng chiều hay ngược chiều với dòng điện trước

=> Xung quanh dây dẫn mang dòng điện có tồn tại từ trường, biểu hiện của nó

là tác dụng lực lên kim nam châm hay dây dẫn mang dòng điện khác

3.1.2 Khái niệm về từ trường

Từ trường là một dạng đặc biệt của vật chất có biểu hiện đặt trưng là tác dung lực diện từ lên kim nam châm hay dây dẫn mang dòng điện đặt trong nó

Đường sức từTrong thực tế người ta có thể làm hiện lên hình ảnh của đường sức từ như sau:Rắc mạc mắt (hay kim nam châm mảnh) đều lên một tấm bìa cứng đặt trong từ trường rồi gõ nhẹ lên tấm bìa, khi đó mỗi hạt vụn sắt nhiễm từ trở thành một kim nam châm, chiếc nọ nối chiếc kia thành cắc đường sức từ –> ảnh đó của đường sức từ gọi là từ phổ

3.2 Từ trường của dòng điện qua vòng dây