GIÁO TRÌNH Kỹ Thuật Điện

Giáo trình Kỹ thuật điện tử được biên soạn dựa theo nhiều tài liệu của những tác giả đã được xuất bản, cập nhật thông tin trên mạng sau đó chọn lọc,

Kỹ Thuật Điện GV: Đào Xuân DầnChương 1 TĨNH ĐIỆN HỌC§1.1. ĐIỆN TÍCH - Hai loại điện tích : Vật chất được cấu tạo từ những hạt rất nhỏ, không thể phân chia được thánh nhỏ hơn ( trong giới hạn hiểu biết của khoa học), gọi là những hạt sơ cấp. Trong tự nhiên có nhiều hạt sơ cấp mang điện. bằng thực ngiệm người ta thây rằng nếu hạt sơ cấp mang điện thì người ta không thể lấy được điện tích của nó đi.Có hai loạiđiện tích là điện tích dương và điện tích âm. - Điện tích nguyên tố Điện tích của các hạt sơ cấp hoàn toàn xác định và là điện tích nhỏ nhất tồn tại trong thiên nhiê, không thể tách thành những lượng nhỏ hơn. Vì thế lượng điện thích ấy gọi là điện tích nguyên tố có độ lớn bằng 1,6.10-19C. Khi một vật mang điện tích thì nó bao giừ cũng là một số nguyên lần điên tích nguyên tố. - Định luật bảo toàn điện tích Trong một hệ kín cô lập về điện, tổng đại số các điện tích luôn là một hằng số.- Định luật Culông Lực tương tác giữa hai điện tích điểm đứng yên trong chân không tỉ lệ với các độ lớn của điện tích và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng lực tương tác có phương trùng với đường thẳng nối hai điện tích.2214 rqqFaπε=trong đó : + q1, q2 là điện lượng của hai điện tích đó đo bằng C(Culông). + r là khoảng cách giữa hai điện tích đó đo bằng m (mét) + aεlà độ thẩm điện môi tuyệt đối (là hệ số thể hiện sự ảnh hưởng của môi trường chữa các điện tích lên lực tương tác).0.εεε=a + ε là độ thẩm điện môi tương đối của môi trường. + 0ε là hằng số điện môi của chân không. 12010.86,8−=εđơn vị F/m( Fara/mét)FFFFFF+--- Đơn vị của lực điện trường N( Neutơn)§ 1.2 ĐIỆN TRƯỜNG- Khái niệm điện trườngĐiện trường là dạng vật chất tồn tại xung quanh điện tích và tác dụng lực lên điện tích khác đặt trong nó.1 Kỹ Thuật Điện GV: Đào Xuân Dần- Cường độ điện trường Cường độ điện trường tại một điểm là đại lượng vật lí đắc trưng cho điện trường về phương diện tác dụng lự, được đo bằng thương số của lực điện trường tác dụng lên một điện tích thử đặt tại điểm đó và độ lớn của điện tích thử đó. qFE=- Lực tác dụng lên điện tích đặt trong điện trường EqF=+ Nếu q >0 thì F cùng chiều với E+ Nếu q <0 thì F nược chiều với E- Cường độ điện trường gây bởi một điện tích điểm Q tại một điểm cách nó một khoảng cách là r.24 rQEaπε= Phương của điện trường gây bởi một điện tích điểm là đường thẳng hướng ra xa mếu Q > 0 ; hướng về Q nếu Q < 0.- Đường sức của điện trường Đường sức của điện trường là đường mà tiếp tuyến với nó tại mỗi điểm trùng với phương của véc tơ cường độ điện trường tại điểm đó, chiều của đường sức là chiều của véc tơ cường độ điện trường tại điểm đó. - Điện trường đều Điện trường đều là điện trường mà tại mọi điểm cường độ điện trường có trị số giống nhau và chiều giống nhau. Ví dụ điện trường giữa hai má của một tụ điện phẳng có khoảng cách giữa hai má của tụ điện nhỏ hơn rất nhiều so với chiều dài và chiều rộng các má.- Đơn vị của cường độ điện trường là V/m (Vôn/mét)§.1.3 ĐIỆN THẾ, HIỆU ĐIỆN THẾ- Công của lực điện trường Công của lực điện làm di chuyển một điện tích từ điểm này đến điểm khác trong điện trường (tĩnh) tỉ lệ với độ lớn điện tích di chuyển, không phụ thuộc vào hình dạng đường đi, mà chỉ phụ thuộc vào vị trí điểm đầu điểm cuối.qEdA=- Điện thế và hiệu điện thế Điện thế tại một điểm tong điện trường có độ lớn bằng thương số giữa cong của lực điện trường làm di chuyển điện tích điểm từ vị chí đó ra xa vô cùng với độ lớn của điện tích đó.qAVMM∞=- Hiệu điện thế Hiệu điện thế giữa hai điểm trong điện trường là đại lượng đặc chưng cho khả năng thực hiện công của điện trường giữa hai điểm đó và được đo bằng thương số giữa công của lực điện trường làm di chuyển một điện tích dương từ điểm nọ đến điểm kia và độ lớn của điện tích di chuyển. qAUABAB=2 Kỹ Thuật Điện GV: Đào Xuân Dần- Chiều dương của hiệu điện thế là chiều từ điểm có điện thế cao xuông điểm có điện thế thấp.- Điện thế gây ra bởi một điện tích điểm Q tại một điểm cách nó một khoảng các là r.rQVaπε4=- Đơn vị của điện thế và hiệu điện thế là V(Vôn)- Liên hệ giữa cường độ điện tường đều với hiệu điện thế Trong điện trường đều ta có quan hệ giữa cường độ điện trường với hiệu điện thế như saudUE= Véc tơ cường độ điện trường E có chiều từ nơi có điện thế cao xuống nơi có điện thế thấpChương 2NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN3 Kỹ Thuật Điện GV: Đào Xuân Dần§ 2.1. MẠCH ĐIỆN KẾT CẤU HÌNH HỌC CỦA MẠCH ĐIỆN2.1.1 Khái niệm về mạch điện- Mạch điện là tập hợp các thiết bị nối với nhau bằng dây dẫn tạo thànhdòng kín trong đó dòng điện có thể chạy qua. - Mạch điện gồm các phần tử sau:+ Nguồn điện: là thiết bị phát ra điện năng . Là thiết bị biến đổi các dạng năng lượng khác như cơ năng, hoá năng , nhiệt năng ….thành điện năng.+ Tải : là thiết bị tiêu thụ điện năng và biến đổi năng lượng từ điện năng thành các dạng năng lượng khác như cơ năng, nhiệt năng, quang năng…+ Dây dẫn : dây dẫn bằng kim loại dùng để truyền tải điện năng từ nguồn đến tải.2.1.2 Kết cấu hình học của mạch điện- Nhánh . Nhánh là bộ phận của mạch điện gồm các phần tử nối tiếp nhau trong đó có cùng dòng điện chạy qua- Nút. Là chỗ gặp nhau của từ ba nhánh trở lên- Vòng. Là lối đi khép kín qua các nhánh§ 2.2. CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC CHƯNG QUÁ TRÌNH NĂNG LƯỢNG TRONG MẠCH ĐIỆN2.2.1. Dòng điện Dòng điện i về trị số bằng tốc độ biến thiên của điện tích q qua tiết diện ngang của một vật dẫn. dtdqi= Chiều dòng điện quy ước là chiều chuyển động của các điện tích dương trong điện trường.RABiUAB2.2.2. Mật độ dòng điện : - Mật độ dòng điện trong vật dẫn bằng thương số giữa cường độ dòng điện và tiết diện ngang của vật dẫn.SIJ=4 Kỹ Thuật Điện GV: Đào Xuân Dần- Đơn vị của mật độ dòng điện là A/m2(Ampe/mét vuông).2.2.3. Điện áp- Tại mỗi điểm trong mạch điện có một điện thế. Hiệu điện thế giữa hai điểm gọi là điện áp. BAABUϕϕ−=- Chiều dương của điện áp quy ước là chiều từ điểm có điện áp cao đến điểm có điện áp thấp.- Điện áp giữa hai cực của nguồn khi hở mạch ngoài I=0 được gọi là sức điện động E.2.2.4. Chiều dương dòng điện và điện áp- Đối với mạch điện đơn giản ta áp dụng quy ước chiều dương dòng và áp ta dễ ràng xác định được dòng điện và điện áp trong các nhánh. - Đối với mạch điện phức tạp , ta không thể xác định ngay được dòng điện và điện áp của các nhánh, đặc biệt là đối với dòng xoay chiều. Vì vậy khi giải mạch ta tuỳ ý chọn giả sử chiều dương cho dòng điện và điện áp. Dựa trên cơ sở chiều đã vẽ ta thiết lập hệ phương trình giải mạch điện. Nếu sau khi ta tính toán thấy các đại lượng mang dấu dương tức là chiều của chúng cùng chiều đã vẽ và ngược lại. 2.2.5. Công suất- Trong một mạch điện , một nhánh, một phần tử có thể nhận nănglượng hoặc phát năng lượng.- Để phân biệt một nhánh là phát hay thu năng lượng ta chọn chiều dòng điện và điện áp trong mạch điện có chiều trùng nhau. Ở một thời điểm nào nếu- Nếu: p = u.i > 0 Nhánh là nhận năng lượng- Nếu: p = u.i <0 Nhánh là phát năng lượng- Nếu ta chọn chiều dòng điện và điện áp trong mạch điện có chiều ngược nhau. Ở một thời điểm nào nếu- Nếu: p = u.i > 0 Nhánh là phát năng lượng- Nếu: p = u.i <0 Nhánh là thu năng lượng- Đơn vị của dòng là A( Ampe), đơn vị điện áp là V( vôn), đơn vị công suấtlà W( oát)§3.3. MÔ HÌNH MẠCH ĐIỆN, CÁC THÔNG SỐ2.3.1 Khái niệm về mô hình mạch điện5 Kỹ Thuật Điện GV: Đào Xuân Dần- Khi tính toán người ta thường thay thay mạch thực bằng mô hình mạch điện.- Yêu cầu về mô hình mạch điện: mô hình mạch điện phải đảm bảo kết cấu hìnhhọc và quá trình năng lượng giống như mạch điện thực.- Một mạch thực cụ thể có nhiều mô hình mạch điện, điều đó là tuỳ thuộc vàomục đích nguyên cứu và điều kiện làm việc của mạch điện.- Các phần chính của mô hình mạch điện:+ Nguồn điện áp u(t)+ Nguồn dòng j(t)+ Điện trở R+ Điện cảm L+ Điện dung C2.3.2. Nguồn điện áp u(t)- Nguồn điện áp đặc trưng cho khả năng tạo lên và duy chì một điện áp trên hai cực của nguồn. Chiều điện áp được quy định từ điểm có hiệu điện thế cao xuống điểm có hiệu điện thế thấp. Chiều sức điện động được quy định từ điểm có điện thế thấp đến điểm có điện thế cao.- Quan hệ giữa sức điện động và hai đầu cực.u(t)= e(t)2.3.3. Nguồn dòng điện j(t) Nguồn dòng đặc trưng cho khả năng của nguồn điện tạo nên và duy chì một dòng điện cung cấp cho mạch ngoài.2.3.4. Điện trở R- Khi cho dòng điện i qua điện trở R gây ra điện áp rơi trên điện trở uR. Theo định luật ôm quan hệ giữa i và uR là :uR =Ri RiUR- Công suất tiêu thụ trên điện trở P=uRi=Ri2 Như vậy điện trở R đặc chưng cho công suất tiêu hao trên điện trở. Đơn vị điện trở là Ω(ôm).6eu(t)J(t) Kỹ Thuật Điện GV: Đào Xuân Dần- Ngoài ra còn dung khái niệm điện dẫn Rg1=. Đơn vị của điện dẫn là S(simen).- Điện năng tiêu thụ trên điện trở trong khoảng thời gian t là∫∫===tttRidtRipdtA0220- Đơn vị của điện năng là Wh (oát giờ), hay bội số là kWh.2.3.5. Điện cảm L- Khi có dòng điện i chạy qua cuộn dây co w vòng sẽ sinh ra từ thông móc vòng qua cuộn dây Φ=Ψw- Điện cảm của cuộn dây được định nghĩa iwiLΦ=Ψ=- Đơn vị của điện cảm là H(Henri)- Nếu có dòng điện i biến thiên thì từ thông cũn biến thiên và theo định luật cảm ứng điện từ trong cuộn dây xuất hiện sức điện động tự cảm dtdiLdtdeL−=Ψ−=Điện áp rơi trên cuộn dâydtdiLeuLL=−=Công suất trên cuộn dây dtdiLiiupLL==Năng lượng tích lũy trong cuộn dây 2200LiLididtPWitLM===∫∫- Như vậy điện cảm L đặc chưng cho hiện tượng tích lũy lăng lượng từ trường của cuộn dây.- Kí hiệu. L ABiL3.3.6. Hỗ cảm M- Hiện tượng hỗ cảm là hiện tượng xuất hiện từ trường trong một cuộn dây do dòng điện biến thiên trong cuận dây khác tạo nên 121Mi=Ψ- Nếu i biến thiên thì điện áp hỗ cảm của cuộn 2 do cuộn 1 gây nên là :dtdiMdtdu12121=Ψ=71121i1U21a)Mb) Kỹ Thuật Điện GV: Đào Xuân Dần-Tương tự điện áp hỗ cảm của cuộn 1 do dòng điện biến thiên trong cuộn 2 gây nên là :dtdiMdtdu21212=Ψ=- Đơn vị hỗ cảm là H(Henry). Để xác định dấu của phương trình người ta đánh dấu (*) ở một cực của cuôn dây.2.3.7. Điện dung C- Khi đặt điện áp của uc lên tụ điện có điện dung C thì tụ sẽ được nạp điện với điện tích q cCuq=- Nếu uc biến thiên sẽ có dòng điện dịch chuyển qua tụ điện dtduCdtdqic==- Từ đó suy ra `∫=tcidtCu01- Công suất trên tụ điện dtduCuiupcccc==- Năng lượng tích lũy trong tụ điện ∫ ∫===touccccECuduCudtpW022- Như vậu điện dung C đặc chưng cho hiệ tượng tích lũy năng lượng điện trượng trong tụ diện. Đơn vị của điện dung là F(Fara).6912(1 10 )(1 10 )(1 10 )F F FnF nF FpF pF Fµ µ−−−===2.3.8. Mô hình mạch điện-Mô hình mạch điện cọ gọi là sơ đồ thay thế mạch điện, trong đó kết cấu hình học và quá trình năng lượng giống như ở mạch điện thực, song các phần tử của mạch điện được mô hình hóa bằng các thông số lý tưởng e, j, R, L, M, C.- Để thành lập được mô hình mạch điện, đầu tiên ta phải liệt kê được các hiện tượng năng lượng xảy ra trong từng phần tử và thay thế chúng bằng các thông số lý tưởng rồi nối với nhau tùy theo kết cấu của mạch điện.Ví dụ chuyển từ mạch thực sang mô hình mạch điện8Rd LdRfLfRd LdRLefR® Kỹ Thuật Điện GV: Đào Xuân Dần Hình bên là sơ đồ thay thay mạch điện : Máy phát điện được thay thế bằng ef nốitiếp Lf, đường dây được thay thế bàng Rd và Ld, cuộn dây được thay thế bằngR,L Khi mạch điện mà nguồn điện lại là nguồn 1 chiều thì mạch điện như sau:§ 2.4. PHÂN LOẠI VÀ CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA MẠCH ĐIỆN2.4.1. Phân loại theo dòng điện trong mạch- Mạch điện một chiều Dòng điện một chiều là dòng điện có chiều không đổi theo thời gian. Mạch điện có dòng điện một chiều gọi là mạch điện một chiều. Dòng điện có chiều và trị số không đổi theo thời gian gọi là dòng điện không đổi - Mạch điện xoay chiều Dòng điện xoay chiều là dòng điện có chiều thay đổi theo thời gian. Mạch điện có dòng điện có dòng điện xoay chều gọi là mạch điện xoay chiều. 2.4.2. Phân loại theo tính chất các thông số R, L, C của mạch- Mạch điện tuyến tínhTất cả các phần tử trong mạch là phần tử tuyến tính, nghĩa là các thông số R, L, C của mạch là hằng số, không phụ thuộc vào dòng điện i và điện áp u trên chúng- Mạch điện phi tuyếnMạch điện chứa các phần tử phi tuyến gọi là mạch điện phi tuyến các thông số R, L, C của mạchthay đổi phụ thuộc vào dòng điện i và điện áp u trên chúng.2.4.3. Phân loại theo quá trình năng lượng trong mạch 9RdRfRdREfR® Kỹ Thuật Điện GV: Đào Xuân Dần- Chế độ xác lậpChế độ xác lập là quá trình, trong đó dưới tác động của các nguộn, dòng điện và điện áp trên các nhánh đạt trạng thái ổn định. Ở chế độ xác lập dòng điện và điện áp biế thiên theo quy luật giống như quy luật của biến thiên của nguồn điện- Chế độ qua độChế độ quá dộ là quá trình chuyển tiếp từ chế độ xác lập này sang chế độ xác lập khác. Ở chế độ quá độ, dòng điện và điện áp biến thiên theo quy luật không giống quy luật biến thiên ở chế dộ xác lập.2.4.4. Phân loại bài toán về mạch điện Việc nghiên cứu mạch điện được phân tích thành hai loại bài toán : phân tích mạch và tổng hợp mạch. Nội dung bài toán phân tích mạch điện là cho biết các thông số và kết cấu của mạch điện, cần tính dòng điện, điện áp và công suất các nhánh. Tổng hợp mạch điện là bài toán ngược lại phải thành lập một mạch diện với thông số và kết cấu thích hợp, để đạt yêu cầu định trước về dòng, áp và năng lượng. § 2.5. HAI ĐỊNH LUẬT KIẾCHỐP2.5.1. Định luật kiếchốp 1 Định luật Kiếchốp 1 phát biểu cho một nút.Tổng đại số các dòng điện tại một nút bằng không0=∑i Trong đó quy ước các dòng điện đi vào một nút mang dấu dương thì các dòng điện đi ra khỏi nút mang dấu âm và ngược lại2.5.2. Định luật kiếchốp 2 Định luật Kiếchốp phát biểu cho mạch vòng kín Đi theo một vòng kín, theo một chiều tùy ý tổng đại số các điện áp rơi trên một phần tử bằng tổng đại số các sức điên động trong vòng ; trong đó những sức điện động và dòng điện có chiều trùng với chiều đi vòng sẽ lấy dấu dương ngược lại mang dấu âm.10 [...]... dịng điện nhánh bằng tổng đại số của các dòng điện vòng chạy qua các nhánh ấy. Thuật tốn giải mạch điện theo phương pháp dịng điện vịng như sau: - Tùy ý chọn chiều dòng điện nhánh và dịng điện vịng - Lập m-n+1 phương trình dịng vịng - Giải hệ m-n+1 phương trình các dịng điện vịng - Từ các dòng điện vòng giải ra các dòng điện nhánh. § 3.6. PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN ÁP HAI NÚT Phương pháp này dung cho mạch điện. .. tích khác đặt trong nó. 1 Kỹ Thuật Điện GV: Đào Xuân Dần + Biểu diễn dòng điện các nhánh theo suất điện động và các điện thế các nút. + Áp dụng định luật K1 thiết lập n-1 phương trình . + Giải hệ phương trình với biến là điện thế tại các nút + Tính dịng điện các nhánh trên cơ sở điện thế các nút - Ví dụ minh họa: Cho mạch điện như hình vẽ, các điện trở và sức điện động đã cho trước. Hãy xác... và dịng điện có chiều trùng với chiều đi vòng sẽ lấy dấu dương ngược lại mang dấu âm. 10 Kỹ Thuật Điện GV: Đào Xuân Dần - Đơn vị của mật độ dịng điện là A/m 2 (Ampe/mét vng). 2.2.3. Điện áp - Tại mỗi điểm trong mạch điện có một điện thế. Hiệu điện thế giữa hai điểm gọi là điện áp. BAAB U ϕϕ −= - Chiều dương của điện áp quy ước là chiều từ điểm có điện áp cao đến điểm có điện áp thấp. - Điện áp... chiều Dịng điện một chiều là dịng điện có chiều khơng đổi theo thời gian. Mạch điện có dịng điện một chiều gọi là mạch điện một chiều. Dòng điện có chiều và trị số khơng đổi theo thời gian gọi là dịng điện khơng đổi - Mạch điện xoay chiều Dịng điện xoay chiều là dịng điện có chiều thay đổi theo thời gian. Mạch điện có dịng điện có dịng điện xoay chều gọi là mạch điện xoay chiều. 2.4.2. Phân loại... dịng điện chạy kín trong mạch vật dẫn. Ta gọi là dịng điện xốy hay dịng điện Phucơ. 3.8.2 ý nghĩa: − Dịng điện xốy chạy quẩn trong khối kim loại sẽ toả nhiệt và gây tổn hao. Có hai trường hợp xẩy ra: a) Tổn hao dịng xoáy gây ra trong các mạch từ của máy điện, khí cụ điện làm nóng máy và tổn hao năng lượng. Do đó cần phải hạn chế dịng điện này. Trong kỹ thuật điện người ta hạn chế nó bằng 32 Kỹ Thuật. .. chiều dòng điện và điện áp trong mạch điện có chiều ngược nhau. Ở một thời điểm nào nếu - Nếu: p = u.i > 0 Nhánh là phát năng lượng - Nếu: p = u.i <0 Nhánh là thu năng lượng - Đơn vị của dòng là A( Ampe), đơn vị điện áp là V( vôn), đơn vị cơng suất là W( ốt) §3.3. MƠ HÌNH MẠCH ĐIỆN, CÁC THƠNG SỐ 2.3.1 Khái niệm về mơ hình mạch điện 5 Kỹ Thuật Điện GV: Đào Xuân Dần 23 Kỹ Thuật Điện GV: Đào... trên đó chọn chiều dịng điện ở mỗi vịng như hình vẽ. 18 Kỹ Thuật Điện GV: Đào Xuân Dần - Chế độ xác lập Chế độ xác lập là q trình, trong đó dưới tác động của các nguộn, dòng điện và điện áp trên các nhánh đạt trạng thái ổn định. Ở chế độ xác lập dòng điện và điện áp biế thiên theo quy luật giống như quy luật của biến thiên của nguồn điện - Chế độ qua độ Chế độ quá dộ là quá trình chuyển tiếp từ chế... phương trình đã viết. 2. Số phương trình Kiếchốp2 cần viết là m-(n-1)=(m-n+1). Vậy phải chọn (m- n+1) vòng độc lập. Giả hệ phương trình đã viết, ta tìm được dịng điện nhánh Tóm lại thuật tốn giải mạch điện theo phương pháp dòng điện nhánh như sau : - Tùy ý chọn chiều dịng điện nhánh. - Viết n-1 phương trình Kiếchốp cho nút. - Viết m-n+1 Phương trình Kiếchốp2 cho mắt lưới - Giải hệ m phương trình tìm... điện động E. 2.2.4. Chiều dương dòng điện và điện áp - Đối với mạch điện đơn giản ta áp dụng quy ước chiều dương dòng và áp ta dễ ràng xác định được dòng điện và điện áp trong các nhánh. - Đối với mạch điện phức tạp , ta không thể xác định ngay được dòng điện và điện áp của các nhánh, đặc biệt là đối với dịng xoay chiều. Vì vậy khi giải mạch ta tuỳ ý chọn giả sử chiều dương cho dòng điện và điện. .. sức điện động và dịng điện có chiều trùng với chiều đi vòng sẽ lấy dấu dương ngược lại mang dấu âm. ∑ ∑ = ERI 13 E, r R B A U AB R E', r' I 1 I 2 I 3 Kỹ Thuật Điện GV: Đào Xuân Dần § 2.1. MẠCH ĐIỆN KẾT CẤU HÌNH HỌC CỦA MẠCH ĐIỆN 2.1.1 Khái niệm về mạch điện - Mạch điện là tập hợp các thiết bị nối với nhau bằng dây dẫn tạo thành dịng kín trong đó dịng điện có thể chạy qua. - Mạch điện . tiêu thụ trên điện trở P=uRi=Ri2 Như vậy điện trở R đặc chưng cho công suất tiêu hao trên điện trở. Đơn vị điện trở là Ω(ôm).6eu(t)J(t) Kỹ Thuật Điện . dây.2.3.7. Điện dung C- Khi đặt điện áp của uc lên tụ điện có điện dung C thì tụ sẽ được nạp điện với điện tích q cCuq=- Nếu uc biến thiên sẽ có dòng điện dịch