Giáo trình Mạch điện (Nghề Điện dân dụng - Trình độ Cao đẳng) cung cấp những kiến thức cơ bản về các bộ phận cấu thành mạch điện một chiều và xoay chiều, những phương pháp biểu diễn và giải mạch điện từ đơn giản đến phức tạp bằng các phương pháp khác nhau dựa trên những cơ sở lý thuyết khác nhau. Giáo trình gồm có 2 phần, phần 1 sẽ bao gồm các kiến thức lý thuyết về mạch điện 1 chiều, từ trường và cảm ứng điện từ. Mời các bạn cùng tham khảo.
Trang 1TRUONG CAO DANG GIAO THONG VAN TAI TRUNG UONG I
GIAO TRINH
Mach dién
NGHE: DIEN DAN DUNG TRINH DO CAO DANG
Ban hành theo Quyết định số 1955/QĐ-CĐGTVTTWI-ĐT ngày 21/12/201
của Hiệu trưởng Trường Cao đắng GTVT Trung ương I
| Hà Nội, năm 2017
Trang 3MÔN HỌC MẠCH ĐIỆN CHƯƠNG 1: MACH DIEN MOT CHIEU 1.1.Dòng điện 1.1.1 Khái niệm vê dòng điện 1.1.2 Tác dụng của dòng điện 1.1.3 Cường độ và mật độ dòng điệ 1.2.Mạch điện 1.2.3 Nhánh, nút và mạch vòng của mạch điện:
2.2 Định luật Jun - Lenxo (Joule -Lenzo ): 2.2.1 Định luật Jun - Lenxơ: 9/212, 5 ỦNg dụng: 2332: Định luật Kiếc - khốp 2 (Định luật thế sigh vong - KU) 9;:8:3 Bài:tập ỨNg dụ! suscssseiaeeiiiadiaAdiaecidnadi602d6 342: Nguồn điện một chiều 3.3 Dau ghép nguồn thành bộ: 3.3.1 Đầu ghép nồi tiếp các nguôn áp thực 3.3.2 Đầu ghép song song các nguồn áp thực 3.3.3 Bài tập ứng dụng: 4.1 Phương pháp dòng điện nhánÌ : co các ă G22 22 1.2 2244 0084016046164604016836 488/08 17 4.2 Phương pháp dòng điện vòng, 4.3 Phương pháp điện áp hai nút (Phương pháp điện tị 4.4 Phương pháp xếp chồng dòng điện
CHƯƠNG 2: TỪ TRƯỜNG - CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ cccocccccccccccvvvcvvccvveeevvev 26
Trang 42
1.3 Từ trường của một số dây dẫn mang dòng điện
1.3.1 Từ trường của dòng điện trong dây dẫn thải 1.3.2 Từ trường của dòng điện trong ống dây hình trụ
1.3.3 Từ trường của dòng điện trong khung dây tròn .- - ¿+ c+++xe+exe+ 30 1.4 Lực tương tác 1.5 Lực tác dụng giữa hai dây dân có dòng điện
1.5.1 Hai dây dẫn song song có dòng điện cùng ch
1.5.2 Hai dây dẫn song song có dòng điện ngược chiều c:-5555cvzsssccvez 3 2.1 Khái niệm mạch từ - 5+ 5S St +32331215121212121111111111111111111111111111112 1x 32
2.1.2 Phan loai mach ttr:
2.2 Định luật dong dién toan pl
2.3 Tương quan B, H và đường cong từ hoá
2.3.1 Tương quan B, H của các vật liệu sắt 2.3.2 Đường cong từ hoá và chu trình từ hóa sắt từ: 3 Cảm ứng điện từ 3.1 Định luật cảm ứng điện
3.2 Suất điện động (S014) G 5m TỮHDosoaassesirsoansdadiakiLiiA.40181013433864161363c05841313304433383 08838 36 3.3 Hiện tượng tự Cảm - ¿6-5 tt TH HT TH HH ườn 37 3.4 Hiện tượng hỗ cảm 3.5 Dòng điện xoáy
CHƯƠNG 3: MẠCH ĐIỆN XOAY CHIẾU
1.1 Định nghĩa và nguyên lý tạo ra dòng điện xoay chiêu hình sin -. 4I 1.1.1 Dòng điện xoay chiều: 1.1.3 Phương pháp tạo ra dòng điện xoay chiêu hình sin 1.2 Cách biểu diễn đại lượng xoay chiều hình sin 1.2.1 Biều diễn bằng hàm số: 1.2.3 Biều diễn bằng đồ thị véc tơ:
1.3 Mạch điện xoay chiều thuần trở
1.4 Mạch điện xoay chiều thuần cảm 222-2222 2EE221111221111112711111271111122111 re
1.5 Mạch điện xoay chiều thuần dung
1.6 Mạch điện xoay chiều có điện trở, điện cảm, điện dung mắc nôi tiêp
1.7 Mạch điện xoay chiều có điện trở, điện cảm, điện dung mắc song song
Trang 5118 Hàiitập ỨHØ ÍWfỦf ‹eseeeassacssntsisosgitddlkiiG0518151800516146600045616150056861160181414103g345624108450248442g30XÓ 51
TAL LIEU THAM KHAO vicescssesssssssssssssssssssssssssssssssssssesesssesesssssssesssesssenesssssesesenesecceceseseneeneeees 71
MON HOC MACH DIEN Mã số môn học: MH 08
Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của môn học: Môn học được bồ trí sau khi học sinh học xong các môn học chung, trước các mô đun nghề Đây là môn học
lý thuyết cơ sở giúp cho học sinh có khái niệm ban đâu về chuyên ngành điện Môn học cung câp những kiến thức cơ bản về các bộ phận câu thành mạch điện
một chiều và xoay chiều, những phương pháp biểu diễn và giải mạch điện từ đơn giản đến phức tạp bằng các phương pháp khác nhau dựa trên những cơ sở lý
Trang 6Mục tiêu môn học:
* Về kiến thức:
~ Trình bày được các định luật cơ bản về mạch điện, các phương pháp giải mạch điện một chiều, xoay chiều
- Xác định đúng chiều dòng điện cảm ứng, véc tơ cảm ứng điện từ và véc tơ lực
điện từ trong ống dây, day dẫn thing, vòng dây đặt trong từ trường nam châm
vĩnh cửu
- Giải thích được một số hiện tượng điện từ trong các thiết bị điện dân dụng
* Về kỹ năng:
- Vận dụng được các biểu thức đề tính toán các thông số kỹ thuật trong
mạch điện một chiều, xoay chiéu, mach ba pha o trang thai xac lap
- Phân tích được sơ đồ mạch đơn giản, biến đổi được mạch phức tạp thành các mạch điện đơn giản *Về thái độ: - Kiên nhẫn, tập trung, tỷ mỷ, chính xác, có tư duy sáng tạo, trách nhiệm Nội dung môn học: Thời gian - | Kiêm sé | z |Lý | Thực tra”
TT Tên chương mục ree thuy hanh (LT
89° | & | Baitap | hode
TH) I Mạch điện một chiều 17 |10 6 1
Khái niệm dòng điện và mạch điện |2 2 0 0 Các định luật cơ bản về mạch điện | 3 2 1 0 Nguôn điện 3 2 |1 0 Thu pháp giải mạch điện phức 9 4 4 1 II | Từ trường - Cảm ứng điện từ 15 |12 |2 1 Từ trường 3 4 i 0 Mạch từ 4 4 0 0 Cảm ứng điện từ 6 4 1 1
II | Mạch điện xoay chiều 13 |8 5 0
Mach điện xoay chiêu | pha 8 4 4 0 Mach dién xoay chiéu 3 pha 4 3 1 0
Hệ sô công suât 1 1 0 0
Cong 45 | 30 13 2
Trang 7Mã chương: MH08.01 Giới thiệu:
Khái niệm, định nghĩa về dòng điện, mạch điện, nguồn điện là những khái
niệm, định nghĩa cơ bản nhất trong ngành điện Khi tìm hiểu và giải các mạch điện, chúng ta không thê bỏ qua các định luật cơ bản về mạch điện Từ đó áp
dụng các định luật cơ bản này để giải các mạch điện từ đơn giản đến phức tạp bằng các phương pháp thích hợp khác nhau, tùy theo đặc điểm của từng mạch cụ thê Chương đầu tiên này sẽ cung cấp cho học sinh những kiến thức cơ bản về những điều đã đề cập ở trên
Trang 86
Trình bày được các khái niệm về dòng điện, mạch điện, nguồn điện và các phương pháp giải mạch điện một chiều
Giải được các mạch điện một chiều phức tạp Tuân thủ các bước giải mạch điện
Tỉ mi, chính xác, có tư duy logic, trách nhiệm trong công việc
Nội dung chính:
Khái niệm dòng điện và mạch điện Mục tiêu:
- Trình bày được khái niệm dòng điện và mạch điện
- Xác định được số nhánh, nút, mạch vòng của một mạch điện đã cho
1.1.Dòng điện
1.1.1 Khái niệm về dòng điện
Dòng điện là dòng chuyền dời có hướng của các điện tích trong điện
trường
Tùy theo từng môi trường khác nhau mà bản chất dong điện trong đó sẽ khác nhau Ví dụ: Nếu trong kim loại thì dòng điện là dòng chuyền đời có hướng
của các electron tự do; trong chất điện phân là dòng chuyên đời có hướng của các ion dương và ion âm; trong không khí là dòng chuyên dời có hướng của các
điện tích dương và điện tích âm
1.1.2 Tác dụng của dòng điện Dòng điện có các tác dụng:
- Tác dụng nhiệt: Khi có dòng điện chạy qua các vật dẫn thì các vật dan bi
phát nóng Người ta sử dụng tác dụng nhiệt của dòng điện đề chế tạo các thiết bị như máy sây, nỗi cơm điện, lò nướng điện
- Tác dụng quang: Khi có dòng điện chay qua các vật dan thì các vật dẫn bị phát sáng Người ta sử dụng tác dụng quang của dòng điện đề chế tạo bóng
đèn sợi nung
- Tác dụng hóa học: Khi có dòng điện chạy qua các dung dịch hóa học sẽ làm cho tính chat héa học của chúng thay đổi oe ta su dung tac dung hoa học của dòng điện dé điện phân, nap ắc quy
1.1.3 Cường độ và mật độ dòng điện Người ta biểu diễn độ “mạnh”, “yếu”
cường độ dòng điện
Cường độ dòng điện là trị số của dòng điện tính bằng tốc độ biến thiên
của lượng điện tích q qua tiết diện ngang của vật dẫn, đơn vị tính của cường độ
của dòng điện thông qua tham số
dòng điện là Ampe (A):
i= = it A (- 1) dì
Chiều quy ước của dòng điện là chiều chuyển động của các điện tích
Trang 9Trong tính toán mạch điện, người ta còn sử dụng khái niệm mật độ dong điện
Mật độ dòng điện là trị sô của dòng điện tính băng tốc độ biến thiên của lượng điện tích q qua một đơn vị diện tích của tiết diện ngang của vật dân,
đơn vị tính của mật độ dòng điện là A/mmẺ
Nếu tiết điện ngang của vật dẫn là S thì mật độ dòng điện o được tính:
dq
O= sa, Mmm’ (1-2)
1.2.Mạch điện
1.2.1 Khái niệm về mạch điện ` -
Mạch điện là tập hợp các thiệt bị điện nôi với nhau bằng các dây dẫn tạo thành mạch kín theo một quy luật đã được thiết kế trước, trong đó có dòng điện
chạy qua Mạch điện thường bao gồm các phân tử: nguồn điện, phụ tải, dây dan
Hình I- 1 là một ví dụ về mạch điện
- Nguồn điện: Nguồn điện là thiết bị biến đổi các dạng năng lượng khác
như cơ năng, nhiệt năng, hóa năng thành điện năng
- Tải: Tải là các thiết bị tiêu thụ điện năng và biến đổi điện năng thành
các dạng năng lượng khác như cơ năng, nhiệt năng, quang năng
- Dây dẫn: Dây dẫn làm bằng vật liệu dẫn điện tốt (đồng nhốm .) dùng để truyền tải điện năng từ nguồn đến tải “` Dây dân Hình 1.1: Mạch điện Nguồn điện fs) ~N 9
1.2.2 M6 hinh mach dién „
Để tiện lợi khi tính toán thiết kế và khảo sát các quá trình điện từ xảy ra
trong mạch điện người ta sử dụng mô hình mạch điện Mạch điện thực tế với các
thiết bị điện được thay thé bằng mô hình mạch với các phân tử lý tưởng đặc
trưng cho một quá trình nào đó Mô hình mạch bao gồm:
- Các phân tử tích cực: nguôn áp u(t), nguôn dòng i(t) lý tưởng;
- Các phần tử thụ động: điện trở R, điện cảm L, điện dung C lý tưởng;
- Dây dẫn lý tưởng
ie Nguén ap u(t)
Nguồn áp u(t) hay máy phát điện áp, còn được gọi là nguồn sức điện động
e(t) đặc trưng cho khả năng tạo nên và duy trì một điện áp không đồi trên hai cực của nguôn Đặc tính quan trọng của nguồn áp là có điện trở nội r = 0 ©, hiệu
điện thế trên hai cực của nguôn là không đổi và không phụ thuộc vào giá trị phụ
tải Ký hiệu quy ước của nguôn áp như hình 1-2, a Ta có giá trị của nguôn áp:
Trang 102 Nguồn dòng điện i(0)
Nguồn đòng điện i(t) hay máy phát dòng, đặc trưng cho khả năng tạo nên
và duy trì một dòng điện không đồi trong mạch Đặc tính quan trọng của nguồn dong là có nội trở r = œ © và giá trị của dòng điện trong mạch không phụ thuộc
vào phụ tải Ký hiệu quy ước của nguồn dong chi ra trên hình I- 2, b
Trên thực tế, các bộ nguồn đều có một nội trở hữu hạn nảo đó Do vậy, khi thay thế trong mô hình mạch, chúng được biểu diễn ở dạng một nguồn sức điện động e(t) mắc nối tiếp với một một điện trở r (hình I- 2 c), hoặc ở dạng một nguồn dòng điện ¡ (t) mắc song song với một điện trở r (hình 1- 2 d) ° , ett) ae â : i) Ơ) r e ¿ qd) a)
Hinh 1-2 Ky hiệu quy ước nguồn áp và nguồn dòng
a, b— Nguồn áp và nguồn dòng lý tưởng; c, d— Nguôn áp và nguồn dòng thực tế
3 Điện trở R `
Điện trở R đặc trưng cho vật dẫn về mặt cản trở dòng điện Về mặt năng lượng điện trở R đặc trưng cho quá trình tiêu thụ điện năng và biến điện năng
thành các dang nang lượng khác như nhiệt năng, quang năng, cơ năng, Quan hệ giữa dòng điện và điện áp trên điện trở là: UR= Ri (1-4)
Cơng st thốt ra trên điện trở: p=Ri? (1-5) Trong hé don vi SI don vi dién tro 1a 6m (Q)
i R
o"\\/—0
Ký hiệu: + St
4 Cuộn dây L
Là phần tử có khả năng tích — phóng năng lượng dưới dạng từ trường Một cuộn dây có dòng điện ¡ chạy qua sẽ sinh ra từ trường Từ thông gửi qua n
vòng của cuộn dây là W = n.® Điện cảm của cuộn dây được định nghĩa là:
W _ n.®
i i
Trong hệ đơn vị SI đơn vị điện cảm (L) là henri (H) Năng lượng từ trường được tích lũy trên cuộn cảm:
Wu = SLỮ ái
Trang 11L o=/W_o U Ký hiệu: ae 5 Tu dién C
La phan tử có khả năng tích — phóng năng lượng dưới dạng điện trường Khi nối hai đầu của một tụ điện có điện dung C vào nguồn điện áp u, tụ điện sẽ được tích điện Độ lớn của điện tích q: q=Cu (1-6)
Trong hệ đơn vị SI đơn vị điện dung (C) là fara (F) Năng lượng điện trường được tích lũy trên tụ điện: We = +CU? d Quan hệ giữa dòng và áp trên tụ dién: i = C = (V) é o=—| |—o Ký hiệu: +ị 6 Dạng các phân tử thụ động trên thực tế:
Trên thực tế không có phần tử nào là thuần điện tr@R, thuan dung C, thuần cảm L cả Đề tiện cho tính toán giải mạch điện ta đã chấp nhận sai số mô hình coi các phần tử chỉ mang tính chất đặt trưng của chúng Khi nghiên cứu
sâu, mô hình chính xác hơn ta có thể mô phỏng gần đúng c các phần tử như sau: a Phần tử điện trở: b Phần tử điện cảm: c Phần tử điện dung: op in 7 Mô hình mạch điện
Mô hình mạch điện là sơ đồ thay thế tương đương các phan | tử của mạch
điện bằng các phần tử mô hình lý tưởng e, ¡, R, L, C sao cho kết cấu hình học và các quá trình năng lượng xảy ra trong mạch giống như ở mạch điện thực Để thiết lập mô hình mạch ta phân tích các quá trình năng lượng xảy ra trong từng
phan tử mạch và thay thế chúng bằng các phần tử tương đương Khi phân tích cân chú ý rằng, tùy thuộc vào điều kiện làm việc của mạch điện, đặc biệt là đải tần công tác mà sơ đồ thay thế sẽ khác nhau
Vĩ dụ: Ta xét một mạch điện thực tế gồm một máy phát cung cấp điện cho
phụ tải là một bóng đèn mắc song song với một cuộn dây theo sơ đồ hình 1-3, a
Khi chuyên sang sơ đồ thay thế đối với dòng điện xoay chiều, máy phát điện
được thay thé bang (Ef ,Lf ,Rf) Phụ tải là bóng đèn thay thé bằng Rz, còn cuộn
Trang 1210
Ld , Rd (hinh 1-3, b) Tuy nhiên khi chuyên sang sơ đồ thay thé đối với dòng điện một chiều, do các phần tử kháng bằng không nên sơ đồ thay thế có dạng
đơn giản hơn (hình 1-3, c) CUỘN| (BÓNG DAY ĐIỆN Rd Ld — 4) Rd Hình I- 3 Mạch điện và mô hình mạch điện — a—So dé thuc té EF b—So d6 tuong duong cho mach dién xoay (JR [hà RF c— Sơ đồ tương đương cho mạch điện một Rd chiều €) 1.2.3 Nhánh, nút và mạch vòng của mạch điện:
Nhánh (n): Là một đoạn của mạch điện chỉ bao gồm các phân tử của mạch
điện mắc nối tiếp với nhau và có dòng điện đi qua
Nút (đ): Là nơi giao nhau của từ 3 nhánh mạch điện trở lên
Mạch vòng (c) - còn được gọi là “mắt”: Là lối đi khép kín qua các nhánh của mạch điện Ví dụ: Cho mạch điện như trên hình 1-4: 6 3
Hình 1- 4 Mach dién va cac nhanh, nut, mach vong
Mạch bao gồm 5 nhánh (n = 5) AB, AC, CB, CD và BD; kết nối với nhau
Trang 13- Ap dụng được các định luật để giải các bài toán về mạch điện thông thường
2.1.Định luật Ôm
2.1.1 Định luật Ôm cho đoạn mạch:
Xét một đoạn mạch như trên hình 1.5:
Điện áp đặt lên hai đầu đoạn mạch có giá trị U, điện trở tương đương của đoạn mạch có giá trị là R, dòng điện chạy trong đoạn mạch có giá trị là I
le R
Hình 1.5: Định luật Ôm cho đoạn mạch Định luật Ôm cho đoạn mạch phát biểu như sau:
Trong một đoạn mạch kín, dòng điện đi qua đoạn mạch tỷ lệ thuận với
điện áp đặt trên hai đầu đoạn mạch và tỷ lệ nghịch với điện trở của đoạn
mạch đó
2.1.2 Định luật Ơm cho tồn mạch:
Xét một mạch điện như trên hình 1.6:
Nguồn điện của mạch có giá trị sức điện động (s.đ.đ) là E, điện trở tương đương của toàn mạch có giá trị là Rtm dòng điện chạy trong mạch chính có giá trị là I
Hình 1.6: Định luật Ơm cho tồn mạch
Định luật Ôm cho toàn mạch phát biểu như sau:
Trong một mạch điện kín, dòng điện đi qua mạch chính tỷ lệ thuận voi s.d.d
bộ nguôn của mạch điện và tỷ lệ nghịch với điện trở của toàn mạch ~ Rtm Vi dụ: Cho mach điện như hinh 1.6 Biét E = 24 V, Rem = 12 Q Tinh gia tri dòng điện I Giải: Theo định luật Ôm cho toàn mạch, ta có: E 24 “Rim 127 74 Đáp số: I=2A
2.2 Định luật Jun - Lenxơ Uoule -Lenzo ):
Trang 142.2.1 Định luat Jun - Lenxo:
Nội dung định luật: Nhiệt lượng tỏa ra ở dây dẫn khi có dòng điện chạy
qua tỉ lệ thuận với bình phương cường độ dòng điện, với điện trở của dây dẫn
và thời gian dòng điện chạy qua
Biểu thức của định luật Jun -Len-Xơ: Q= ÉRt
Trong đó: _ I: Tinh bang ampe (A); R: Tinh bang 6m (Q) t: Tinh bằng giây (s) thì Q đo bằng jun (J)
Nếu đo nhiệt lượng Q bằng đơn vị calo thì biêu thức của định luật Jun-Len-Xo
sẽ là: Q=0,24.Rt
2.2.2 Ứng dụng: „
Một bài toán được đặt ra là: Một âm điện có ghi 220V-1000W được sử
dụng với hiệu điện thế 220V để đun sôi 2 lít nước từ nhiệt độ ban đầu t, = 20°C
Bỏ qua nhiệt lượng làm nóng vỏ ấm và nhiệt lượng toả ra môi trường Tinh thoi gian đụn sôi nước, biết nhiệt dụng riêng của nước c = 42001/kg.K
Đề giải bài toán này ta áp dụng định luật bảo toàn năng lượng và định luật Jun - Lenxơ
Theo định luật bảo toàn năng lượng: Năng lượng do nguồn điện sinh ra
(A) bằng với nhiệt lượng (Q) mà 2 lít = 2kg nước nhận được đề làm tăng nhiệt độ từ tị = 20C lên ty = 100C Ta có: A =Q A=P.t= 1000.t Q =.R.t= m.c.(t; - tị) = 2.4200.(100 - 20) me.(t,~t,) 2.4200.80 P 1000 Như vậy thời gian đê đun sôi nước trong bài toán đặt ra là II phút 12 giây
2.3 Định luật Kiếc - khốp (Kirchoff): ;
Định luật Kiêc - khôp 1 va 2 là hai định cơ bản đê nghiên cứu và tính toán
mạch điện
>t= = 672(s)
2.3.1 Định luật Kiếc - khốp 1 (Định luật dòng điện điểm nút - KI)
Nội dung định luật: Trong mạch điện, tổng đại số các dòng điện tại một
nút bằng không: }ï = 0
Trong đó quy ước các dòng điện có chiều đi tới nút sẽ mang dấu dương,các dòng điện có chiều rời khỏi nút sẽ mang dấu âm „
Ví dụ: Tại nút A hình 1.7, định luật Kiêc khôp 1 được việt:
iu+iz-ls—l¿=0
Trang 15Nội dung định luật: Trong một mạch vòng khép kín, theo chiêu đã chọn, tông đại sô các điện áp rơi trên các phân tử R, L, C bằng tông đại sô các
= m
nguon s.d.d co trong mach vong do YR, Uy = Y Bị
at ig :
Trong đó những sức điện động và dòng điện có chiêu trùng với chiêu của mạch vòng sẽ mang dâu dương, ngược lại mang dâu âm (chiêu điện áp rơi trên
các phân tử trùng với chiêu dòng điện đi qua phân tử đó) — „ Ví dụ: Đôi với vòng kín C trong hình 1.8, định luật Kiêc - khôp 2 sẽ được viêt:
Hình 1.8: Định luật Kiếc khốp 2 (KU)
R, i; + Ro ip — R3 is + Rgig= — €2 — €3 + €4
Cach phat biéu thứ 2 của định luật Kiếc - khốp 2: Trong một mạch vòng khép kín, tong dai số các điện áp rơi trên các phần tử trong mạch vòng bằng
không (trong đó chiều của các điện áp rơi trên các nguồn sức điện động ngược
với chiều của s.đ.đ đó)
Biểu thức của định luật Kiếc - khốp theo cách phát biểu thứ 2 của mạch vòng đã
chọn trên hình 1.8 được viết: R, i, + Ro i; — R3 iz + Ryig + e; + ©; - e¿= Ú 2.3.3.Baitapingdung: - - Bài 1: Dùng định luật Ôm đê tính dòng điện I trong mạch điện hình 1.1BT: Biét: U = 80V, R = 1.250, Rị=6©, Rạ= 109 eS R Hinh 1.1 BT Me R1 R2 Rt Ra - Bài 2: -ø6
Cho mạch điện trên hình 1.2 BT | |
Trang 1614
Ri = 2, Ry = 100, R3= 200 - „
Xác định sô nhánh, nút, mạch vòng của mạch điện và dùng định luật Kiêc - khôp
đê tính dòng điện trong các nhánh? - Bài 3: 7 7 Cho mạch điện trên hình 1.3 BT Biết: Ra Bị = 12V, Ea= 24V, E:= 15V et E3 Ri=3o,R;=6o,R:=90, O © Ry=40, Rs= 1002 E2 Tính dòng điện trong các nhánh? s a Hinh 1.3 BT - Bài 4: Xác định số nhánh, nút, mạch vòng và tìm dòng điện trong các nhánh ở mạch điện hình 1.4 BT Nguồn điện Hình 1.4 BT Mục tiêu: ` ;
- Trinh bay được khai niệm các loại nguôn điện một chiêu, xoay chiéu - Dau ghép được nguôn thành bộ đê có bộ nguôn đạt các yêu câu kỹ thuật
3.1 Khái niệm nguồn điện: ‹ ‹ - TS
Là thiệt bị tạo ra điện năng Về nguyên lý, nguôn điện là thiệt bị biên đôi các dạng năng lượng như cơ năng, hóa năng, nhiệt năng, thành điện năng Ví dụ: - Máy phát điện,
Hình 1.9: Máy phát điện là nguồn điện
Trang 17Hình 1.10: Ac - quy là nguôn điện - Pin mặt trời
in mặt trời là nguôn điện
3.2 Nguồn điện một chiều
Là loại nguồn điện cung cấp dòng điện một chiều cho phụ tải Nguồn điện một chiều có thê là máy phát điện một chiều, ắc — quy, pin mặt trời Điện cực 'Van an toàn, Vẻ bình La cực âm Hình 1.12: Một số loại nguồn điện một chiều thông dụng 3.3 Đấu ghép nguồn thành bộ:
Nguyên tắc đấu ghép nguồn thành bộ (ta sẽ dùng ký hiệu của nguồn điện
trong quá trình khảo sát việc đầu ghép nguôn thành bộ):
Trang 18Hình 1.13: Đấu ghép nói tiếp các nguồn áp
Xét trường hợp có n nguồn áp (khi mắc nguồn thành bộ nên chọn các nguồn có giá trị s.đ.đ và dung lượng nguôn giong nhau) có giá trị s.đ.đ của nguôn là e(f), nội trở của nguôn là r, mặc nôi tiêp với nhau như ở hình 1.13 Khi
đó ta sẽ được một nguồn điện tương đương có giá trị s.đ.đ là E(t), nội trở của nguồn tương đương là R Trong đó:
TL
E(t) = Ye R= a
k=1 k=1
Từ các biểu thức trên ta thấy:
Khi mắc nối tiếp các nguồn áp, s.đ đ tương đương của bộ nguôn tăng lên, đồng thời nội trở tương đương của bộ nguồn cũng tăng lên, do vậy dung lượng (số A.h) của bộ nguồn không tăng
3a _2 Đấu ghép song song các nguồn áp thực tế:
Hình 1.14: Đấu ghép song song các nguồn áp
Xét trường hợp có n nguôn áp (khi mắc nguồn thành bộ nên chọn các nguồn có giá trị s.đ.đ và dung lugng nguon gidng nhau) co gia tri s.d.d cua
nguôn là e(t), nội trở của nguôn là r, mắc song song với nhau như ở hình 1.14
Khi đó ta sẽ được một nguôn điện tương đương có giá trị s.d.d la E(t), ndi tra của nguồn tương đương là R Trong đó:
r
EQ) =e(); R=-
Tir cdc biéu thức trên ta thấy:
Khi mắc nối tiếp các nguồn áp, s.đ.đ tương đương của bộ nguồn không
Trang 19Khi cần tăng s.đ.đ của bộ nguồn ta thực hiện mac nối tiếp các bộ nguồn, khi cần tăng dung lượng cho bộ nguôn ta thực hiện mắc song song các nguôn áp
với nhau Khi cân tăng cả giá trị s.đ.đ và dung lượng của bộ nguôn ta thực hiện mắc hỗn hợp các nguôn áp với nhau
3.3.3 Bài tập ứng dụng:
- Bài 1: Một ắc quy có Udm = 12 V, dung lượng 5 A.h; hãy tiến hành đâu ghép để được một bộ nguồn một chiều có Udm = 60 V, cung cấp cho tải có đòng tải định mức là 3 A
- Bài 2: Một ắc quy có Udm = 12 V, dung lượng 3 A.h; hãy tiến hành đầu ghép để được một bộ nguồn một chiều có Udm = 48 V, cung cấp cho tải có đòng
tải định mức là 2 A
- Bài 3: Một ắc quy có Udm = 20 V, dung lượng 45 A.h; hãy tiền hành
dau ghép để được một bộ nguồn một chiều có Udm = 60 V, cung cấp cho tải có
đòng tải định mức là 25 A
- Bài 4: Một ắc quy có Udm = 20 V, dung lượng 2 A.h; hãy tiến hành đầu ghép để được một bộ nguồn một chiều có Udm = 20 V, cung cấp cho tải có dòng tải định mức là 30 A
- Bai 5: Một ắc quy có Udm = 12 V, dung lượng 3 A.h; hãy tiền hành đấu
ghép để được một bộ nguồn một chiều có Udm = 12 V, cung cấp cho tải có dòng
tải định mức là 20 A
- Bài 6: Một ắc quy có Udm = 12 V, dung lượng 3 A.h; hãy tiến hành đầu
ghép để được một bộ nguồn một chiều có Udm = 60 V, cung cấp cho tải có dòng
tải định mirc 1a 15 A
- Bài 7: Một ắc quy có Udm = 12 V, dung lượng 3 A.h; hãy tiến hành đấu
ghép để được một bộ nguồn một chiều có Udm = 48 V, cung cấp cho tải có dòng
tải định mức là 25 A
- Bài 8: Một viên pin Cd-Ni có Udm = 1,2 V, dung lượng 500 mA.h; hãy
tiến hành dau ghép đề được một bộ nguồn một chiều có Udm = 3,6 V, cung cấp
cho tải có dòng tải định mức là 1,5 A
- Bài 9: Một viên pin có Udm = I,Š V, dung lượng 150 mA.h; hay tiến
hành đầu ghép đề được một bộ nguồn một chiều có Udm = 12 V, cung cấp cho tải có dòng tải định mức là I A Phương pháp giải mạch điện phức tạp Mục tiêu: ~ Trình bày được nội dung và đặc điểm của các phương pháp giải mạch điện - Vận dụng đề giải được các bài tập mạch điện phức tạp 4.1 Phương pháp dòng điện nhánh 4.1.1 Phương pháp giải:
Phương pháp dòng nhánh áp dụng định luật Kiếc khốp 1 và 2 đề viết các
phương trình với các ân số là dòng điện các nhánh Các bước giải:
Trang 2018
2 ~ Viết (d-1) phương trình định luật Kiéc khép 1 (KI) 3 - Viết (n-d+1) phương trình định luật Kiếc khốp 2 (KU)
4 - Giải hệ n phương trình đê tìm ra các dòng điện nhánh và các đại lượng
khác theo yêu cầu
Vi du: Tim dong điện i(t) trong mạch hình 1-15 bằng phương pháp dòng điện
nhánh Với giá tị các điện trở cho trên hình và e(t) = 6sin (100øt) (V)
i(t) A
Hinh 1.15: Giai mach dién bang phuong
phap dong dién nhanh
- Xie định sô nhánh, nút, mạch vòng: n = 6; d= 4; c= 7
- Viết d -] phương trình định luật KI:
+ Cho nút A: i(t) + il —i5 =0 ()
+ Cho nút C: - il —i2-i13 =0 (2)
+ Cho nút D: 12 + ¡4 + i5 =0 (3)
- Viétn—d+1 phuong trinh dinh luat KU: Ta xac dinh va chon cac mach vong I,
I, HI thuận chiêu kim đông hồ như trên hình 1.15
+ Cho mach vong I: i(t).R —il.R1 + i3.R3 =e(t) (4)
+ Cho mạch vòng lI: il.R1 —i2.R2 +i5.R5=0 (5) +Cho mach vong III: i2.R2 —i3.R3 —i4.R4=0 (6) Giải hệ 6 phương trình (1), (2), (3), (4), (5) (6) tim ra i(t) ta được: 1) ~2,24 sin (I00ø0) A 4.1.2 Bài tập ứng dụng: Bài 4.1.1 Tìm dòng điện trong các nhánh ở mạch điện hình 1.6BT T———Tt L—† II 109 40Q {2 ft )iv 0,4V Hinh 1.6BT _
Trang 21Bai 4.1.4 Tinh i va ul ở mạch dién hinh 1.9BT theo E L_† 502 + E @® so[| soa] i Hình 1.9BT Bai 4.1.5 Cho mach điện hình 1.10BT Xác định R để cho I=2A R 100 |I† 5V DO 25V Hinh 1.10BT 4.2 Phương pháp dòng điện vòng 4.2.1 Phương pháp giải:
Phương pháp dòng điện vòng áp dụng định luật Kiếc khốp 2 để viết các phương trình với các ẩn số là dòng điện vòng Dòng điện vòng là dòng điện
không có thực trong mạch, ta chỉ giả sử có nó đề phục vụ cho giải mạch điện
Các bước giải như sau:
1 — Xác định sô nhánh, nút và mạch vòng của mạch điện đã cho
2 - Chọn (n - d+* 1) mạch vòng độc lập, chọn chiều mạch vòng, gán cho
chúng những dòng điện vòng tương ứng
3 -_ Viết (n-d+1) phương trình định luật Kiếc khốp 2 (KU) cho các mạch
vòng đã chọn theo dòng điện vòng -
4-~ Giải hệ (n— d + 1) phương trình đê tìm ra các dòng điện vòng
5 - Từ các dòng vòng tìm được, tìm ra các dòng điện nhánh theo quy ước: Dòng trong các nhánh bằng tổng đại số các dòng vòng qua nó, những dòng vòng
nảo cùng chiều dòng nhánh sẽ mang dấu dương, còn những dòng vòng nào ngược chiêu dòng nhánh sẽ mang dâu âm Tìm các đại lượng khác theo yêu câu
Vi du: Tim dòng điện i(t) trong mạch hình 1-16 băng phương pháp dòng điện
vòng Với giá trị các điện trở cho trên hình và e(t) = 6sin (100øt) (V)
Trang 2220
Hình 1.16: Giải mạch điện bằng phương pháp dòng điện vòng Giải:
- Xác định số nhánh, nút, mạch vòng: n = 6; d= 4; c= 7
- Chọn chiêu các dòng điện nhánh và 3 mạch vòng độc lập tương ứng với các dòng vòng le1, Ie2, Ic3 như trên hình 1.16
- Viết n— d + I phương trình định luật KU theo các dòng vòng:
+ Cho mạch vong I: Icl.(R+R1 + R3)—Ic2.R1 —Ic3.R3 =e(t) (1) + Cho mạch vong II: Ic2.(R1 + R2 + R5) —Icl.R1 —Ic3.R2 =0 (2) + Cho mach vong III: Ic3.(R2 + R3 + R4) - Ic1.R3 — Ic2.R2 =0 (6) - Giải hệ 3 phương trình (1), (2), (3), tìm ra các dòng vòng:
Icl = 2,24 sin (100at) A; Ic2 = 1,17 sin (L00at) A; Ic3 ~ 1,37 sin (100øt) A
- Từ sơ đồ mạch điện đã xac dinh, ta cé i(t) = Ic] nên cuối cùng:
i(t) = 2,24 sin (100at) A 4.2.2 Bai tap ung dung:
Bai 4.2.1 Tìm dòng điện II, I2, I3 trong mạch điện hình 1.11BT bằng phương pháp dòng điện vòng
Hình 1.IIBT
Trang 23Bai 4.2.4 Tinh i va ul ở mach dién hinh 1.14BT theo E bằng phương pháp dòng điện vòng ul Hinh 1.14BT Bai 4.2.5 Cho mạch điện hình 1.15BT Bằng phương pháp dòng điện vòng, hãy xác định R đề cho [= 2A 5V ® 25V Hinh 1.15BT 4.3 Phương pháp điện áp hai nút (Phương pháp điện thế nút) 4.3.1 Phương pháp giải:
Phương pháp điện thế nút dựa trên cơ sở định luật Kiếc khốp 1 để viết các phương trình với các ân số là điện thế tại các nút của mạch điện Phương pháp
này sử dụng đề giải các mạch điện có nhiều nhánh phức tạp nhưng số nút của mạch điện lại ít Các bước giải như sau:
1 — Xác định số nhánh, nút và mạch vòng của mạch điện đã cho
2 - Gán cho các nút các thé Vi tương ứng và chọn một nút làm nút gốc (gan cho thế của nút dé Vx = OV) Dé thuận tiện trong quá trình giải mạch điện,
nên chọn những nút có nhiều nhánh của mạch điện đi tới làm nút gốc Nếu các
nút có số nhánh đi tới bằng nhau thì chọn những nút nào phù hợp với quy luật tự
nhiên hơn, ví dụ như các nút phía dưới, các nút nối với âm nguôn điện áp
3- Viết(d- I) phương trình định luật Kiếc khép, 1 (KD cho các nút của
mạch điện (nên trừ nút gốc), chuyền thành dạng điện thế của các nút
4 ~ Giải hệ (d — 1) phương trình đề tìm ra thế của các nút Vi
5 - Từ thế của các nút tìm được, tìm ra các dòng điện nhánh và các đại
lượng khác theo yêu cầu
Vi du: Tim dong điện II, I2, I3 trong mạch điện hình 1.17 bằng phương pháp điện thê nút
Trang 2422 Hình 1.17: Giải mạch điện bằng phương pháp điện thế nút Giải: - Xác định số nhánh, nút, mạch vòng: n=4; d=2;c=6 - Chọn tên 2 nút là A và B tương ứng với thế trên các nút là VẠ, Vụ Chọn nút B là nút gốc — Vp = OV
- Viếtn— I phương trình định luật KI theo điện thế các nút:
Định luật KI cho nút A: II —0 Tag 0
` ‘ 0,4 1-V,
Chuyền sang dạng thể nút: — 0,03— 2+ ——^ 20T 40
Biến đồi phương trình ta được: 0.035 — 0,175 Vụ =0
- Giải ra ta được: VẠ =0,2 V
- Tir thé V, da tim duge, tinh ra: 11 = 0,02 A; 12 = 0,02 A; 13 =0,01 A
4.3.2 Bai tap img dung:
Bài 4.3.1 Tìm dòng điện II, I2, I3, 14 trong mach dién hinh 1.16BT bằng phương pháp điện thế nút =0 TT H106 200 |Ì2
aw) mol] I a] ae? Dev Hinh 1.16BT
Bai 4.3.2 Cho mach hinh 1.17BT Tính dòng và áp trên các điện trở băng phương pháp điện thê nút =O ae 38V bộ, SA Q " ag Hinh 1.17BT Bai 4.3.3 Xac dinh dong dién di qua dién tro 8Q 6 mach dién hinh 1.18BT bang
Trang 25Bài 4.3.5 Cho mạch điện hình 1.20BT Bằng phương pháp điện thế nút, hãy xác
định gia tri I va Uo + 30 aL a {! [hso@)2 1207 122 Hinh 1.20BT 4.4 Phương pháp xếp chồng dòng điện 4.4.1 Nguyên lý xếp chong:
Trong mạch điện tuyến tính, đáp ứng của mạch với nhiều nguồn kích
thích độc lập bằng tổng đại số các đáp ứng với từng nguon kích thích độc lập
riêng rẽ Trong đó: Đáp ứng thành phân nào cùng với chiều quy ước của đáp ứng tổng sẽ mang dẫu dương (+), ngược lại sé mang dấu âm (-)
Khi tìm đáp ứng của mạch với một nguồn kích thích độc lập nào đó phải triệt tiêu các nguôn độc lập khác bằng cách:
te Nguồn á áp thì ngăn mạch (đoản mạch) đoạn mạch chứa nguồn + Nguồn dòng thì hở mạch đoạn mạch chứa nguồn
4.4.2 Phương pháp giải:
Phương pháp điện thế nút dựa trên cơ sở của nguyên lý xếp chồng và chỉ sử dụng cho mạch điện tuyến tính, trong mạch có nhiều nguồn tác động Các
bước giải như sau:
1 — Xác định số nguồn tác động của mạch điện đã cho
2 — Lần lượt cho từng nguồn tác động, sử dụng các phương pháp giải đã
biết (dòng g điện nhánh, dòng điện vòng .) thích hợp để g giải mạch điện tìm ra đáp ứng yêu cầu của mạch điện dưới tác động của nguồn thành phần đã chọn
3 - Tìm đáp ứng theo yêu cầu theo nguyên ly, xếp chồng đã xác định
Trang 2624
Goi dòng điện II dưới tác động của nguồn EI là Tra, dùng các biến đổi tương
E1
đương điện trở, ta tìm được l1g¡ = aay ma ^ + 0,017A
- Cho nguồn E2 tác động, khi đó mạch điện còn lại là:
Gọi dòng điện II dưới tác động của nguồn E2 là IIg;, I2 dưới tác động của nguồn E2 là I2s;, dùng sóc biên đôi tương đương điện trở, ta tìm được:
I2p; = âm “Gœ*0/021A vàIIz=0014A - Cho nguôn J tác động, khi đó mạch điện còn lại là: i {lI 10Q LÌ Pw 400 0,03A = Ty Gọi dòng điện I1 dưới tác động của nguồn I là II;, dùng các biến đổi tương đương điện trở, ta tìm được: 1, = JRm _ 0,03.5,66 0/017A - Theo chiều quy ước ta có: II = Ilgi- IIg;+ IIy= 0.02 A Cuôi cùng II = 0,02 A 4.4.3 Bài tập ứng dụng: Bài 4.4.1 Tìm dòng điện II, I2, 13, 14 trong mạch điện hình 1.2IBT' bằng phương pháp dùng nguyên lý xếp os [ 20o {|2 sv(† | 12V ( 202 Hinh 1.21BT
Bài 4.4.2 Cho mạch hình 1.22BT Tinh dòng và áp trên các điện trở bằng phương
Trang 27Hinh 1.22BT
Bài 4.4.3 Xác định dòng điện đi qua điện trở 8€2 ở mạch điện hình 1.23BT băng
phương pháp điện thê nút
Hình I.23BT
Bài 4.4.4 Tính I trong các nhánh của mạch điện cho ở hình 1.24BT bằng phương pháp dùng nguyên lý xêp chông Biết: E¡ = 25,2V, E;=42V,Ea=25,2V; Rị=3
Q, Ro= 60, R3=5a, Ry=40, Rs=62 TT — — LS Ri ti Rạ Oa &@) 5 Foy "1 T i ¬ Hình 1.24BT
Bài 4.2.5 Cho mạch điện hình 1.25BT Bằng phương pháp dùng nguyên lý xếp
Trang 2826
CHƯƠNG 2: TỪ TRUONG - CAM UNG ĐIỆN TỪ
Mã chương: MH08.02
Giới thiệu:
Từ trường, là một trong những đặc tính quan trọng của dòng điện, xung
quanh dòng điện luôn có từ trường Từ trường có mối liên hệ đặc biệt đến ngành
điện, dé giải thích một số hiện tượng điện, nguyên lý làm việc của các thiết bị
điện ta phải hiểu khái niệm từ trường Nội dung của chương 2 nay dé cập đến từ
trường: Giới thiệu khái niệm về từ trường, đường cảm ứng từ, mạch từ, từ
trường của một só dây dẫn mang dòng điện, các tác dụng của từ trường lên dòng
điện và hiện tượng cảm ứng điện từ Mục tiêu:
Trình bày được các khái niệm về từ trường, lực từ, mạch từ, các định luật về mạch từ, định luật cảm ứng điện từ, suất điện động cảm ứng, hiện tượng tự cảm,
hiện tượng hỗ cảm, dòng điện xoáy
Giải được một số bài toán về mạch từ
Thực hiện đúng các bước giải bài toán
Có tính tư duy, tinh thần trách nhiệm trong công việc
Nội dung chính:
Từ trường Mục tiêu:
- Trinh bay được khái niệm về từ trường, đường cảm ứng từ; ý nghĩa của
các đại lượng từ cơ bản
- Xác định được phương, chiều từ trường của một sé day din mang dong điện
- Xác định được phương, chiều và giá trị lực tương tác giữa các dây dẫn có dòng điện đi qua
1.1 Khái niệm từ trường, đường cảm ứng từ 1.1.1.Khái niệm từ trường
Khảo sát hiện tượng:
Khi đặt hai kim nam châm thử gần nhau thì ta thấy hai kim lệch khỏi vị trí
Trang 29thế kim nam châm còn lại bởi một dây dẫn mang dòng điện khác thì cũng có lực
tương tác giữa hai dây đẫn đó
Tương tác giữa hai kim nam châm, kim nam châm với dây dẫn mang dòng điện, hay giữa hai dây dẫn mang dòng điện với nhau được gọi là tương tác từ
Định nghĩa từ trường: Từ trường là dạng vật chất tồn tại xung quanh hạt
mang điện chuyển động và tác dụng lực từ lên hạt mang điện tích khác đặt trong
nó
Tính chất: Tính chất cơ bản của từ trường là tác dụng lực từ lên các hạt
mang điện chuyên động đặt trong phạm vi ảnh hưởng của nó
1.1.2 Đường cảm ứng từ:
Là đường cong vẽ trong từ trường mà tiếp tuyến tại mỗi điểm của nó
trùng với trục của nam châm thử đặt tại điểm đó Quy ước đường cảm ứng từ của nam châm thăng đi ra từ cực Bắc đi vào cực Nam (Hình 2.1.a, b)
Các đường cảm ứng từ của một từ trường thì không cắt nhau và tập hợp lại thành từ phô của từ trường đó (Hình 2.1.c)
Với quy ước trên, đường cảm ứng từ của nam châm là những đường cong
Trang 3028
1.2 Các đại lượng từ cơ bản 1.2.1 Sức từ động (Lực từ hóa):
Khi dây dẫn có dòng điện đi qua thì xung quanh nó sẽ phát sinh từ trường, ta nói: Dòng điện là nguồn tạo ra từ trường Khả năng tác dụng từ của dây dẫn
mang dòng điện được gọi là lực từ hóa hay sức từ động (s.t.đ) và được ký hiệu là F Lực từ hóa của một cuộn dây được xác định:
F=LW (A.vòng)
Trong đó: F là sức từ động, I là cường độ dòng điện đi qua cuộn dây, còn W la số vòng dây
Chiều của s.t.đ là chiều của đường sức từ trong lòng cuộn dây và được
xác định theo quy tắc vặn nút chai
1.2.2 Cường độ từ trường:
Khi khảo sát về sức từ động, người ta nhận thấy: Lực từ hóa phân bố trên
mỗi đơn vị chiều dài của đường sức từ Đối với các từ trường đối xứng (từ trường của dây dẫn thăng, cuộn dây hình xuyến .) thì lực từ hóa phân bố đều dọc theo chiều dài của đường sức từ Khi đó tỷ số giữa s.t.đ với chiều dài của
mỗi đường sức từ tại điểm đang xét được gọi là cường độ từ trường — kí hiệu là H Như vậy H được xác định: H=EI (Am) Trong đó: F là s.t.đ, I là chiều dài đường sức từ trường chứa điểm đang xét
Cường độ từ trường có phương trùng với tiếp tuyến của đường sức từ tại điểm đang xét, còn chiều trùng với chiều của đường sức từ
Đặc điểm của cường độ từ trường:
Xét từ trường của một dây dẫn thăng có dòng điện I chạy qua I A HA h-2.2: Cường độ từ trường
Coi dây dẫn là mội ødâytacó: F=LW=I
- Xét một điểm A cách trục dây dẫn một khoảng là a Khi đó chiều dài của
đường sức từ l = 2z.a Từ đó từ trường tại điểm A bên ngoài dây dẫn được tinh: Ft
_—L 2m.a
Như vậy cường độ điện trường ở một điểm bất kỳ bên ngoài dây dẫn tỉ lệ nghịch với khoảng cách từ điểm đó đến tâm dây dẫn
- Xét điểm B bên trong, cách tâm dây dẫn một khoảng b < r bán kính dây dẫn
Khi đó chiều đài của đường sức từ l = 2z.b Từ trường tại điểm B bên trong dây
Trang 31F_ Ze
L— 2mb ;
Trong đó: ĐI = S,.J = m.b2J = I.;
Như vậy cường độ điện trường ở một điểm bất kỳ bên trong dây dẫn tỉ
lệ thuận với bình phương khoảng cách từ điềm đó đên tâm dây dẫn
- Xét điểm C ngay trên bề mặt dây dẫn dẫn (a = r), khi đó từ trường có giá trị lớn I nhat Hinax = T = on H= " 1.2.3 Cường độ từ cảm:
Tính chất cơ bản của từ trường là tác dụng lực từ lên các điện tích chuyền
động trong lòng từ trường Để đặc trưng cho phương điện tác dụng lực của từ trường trong các môi trường khác nhau ta có khái niệm cường độ từ cảm hay
cảm ứng từ B Cảm ứng từ B là một đại lượng có cùng phương, chiều và điểm đặt với cường độ từ trường H tại điểm khảo sát Về giá trị:
B=kạ.n.H (N/A.m hay Tesla-T)
Trong đó:
- ¡ là hệ số từ môi (độ từ thâm) của môi trường mà từ trường tác dụng
~ Mẹ là hệ số từ môi của không khí tạ = 125.10 (H/m)
Đơn vị của cường độ từ cảm B đôi khi người ta còn ding Gauss (G) = 104 T 1.2.4 Từ thông:
Từ thông của từ trường qua một mặt phẳng S đặt trong từ trường (®) là
đại lượng đo bằng tích hình chiếu véc tơ cường độ từ cảm B lên phương vuông góc với mặt phẳng S (Bn) và diện tích của mặt phẳng S đó
Hình 2.3: Từ thông
Nếu từ trường là từ trường đều, gọi góc tạo bởi phương của cường độ từ cảm B
va Bn là œ thì:
®=Bn.S=BS.cosa (T.mm “hay Wb- Vê be)
Trường hợp mặt phăng S đặt vuông góc với đường sức từ trường B thì:
®=BnS=BS (Wb)
Ta thấy trong từ trường đều, cường độ từ cảm B chính là lượng từ thông
qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với đường sức của từ trường Vì vậy cường độ từ cảm có thể được gọi là mật độ từ thông
Với từ trường không đều: Ta chia mặt S thành những phần nhỏ dS mà trên đó có thể coi từ trường là đều Lúc đó từ thơng có thé tinh:
d® = Bn.dS = B.dS.cosa (Wb)
Trang 3230
1.3 Từ trường của một số dây dẫn mang dòng điện 1.3.1 Từ trường của dòng điện trong dây dẫn thẳng
Đường sức từ của dây dẫn thắng mang dòng điện là những đường tròn
đồng tâm năm trong mặt phẳng vuông góc dây dẫn có tâm tại trục dây, dẫn, chiều xác định theo quy tắc vặn nút chai (Hoặc quy tắc bàn tay phải nắm) Quy tắc: Vặn cho mũi của cái vặn nút chai tiến theo chiều dong điện thì chiều quay của cán vặn nút chai sẽ là chiều đường sức từ (Hình 2.4.a)
Hoặc: Dùng bàn tay phải nắm quanh dây din, xòe ngón cái ra vuông góc với bàn tay đề chỉ chiều dòng điện chạy trong dây dẫn, khi đó chiều của các ngón tay
đang nắm sẽ chỉ chiêu của đường sức của từ trường (Hình 2.4 b)
a) b)
Hình 2.4: Từ trường của dây dẫn có dòng điện đi qua
1.3.2 Từ trường của dòng điện trong ống gây hình trụ
N § XS - ˆ
BE 1
Hình 2.5: Từ trường của ống dây hình trụ
Nếu chiều dài Ống đây đủ lớn so với đường kính của nó thì đường sức từ
trong lòng ống dây sẽ song song với nhau Phía bên ngoài, từ trường ống dây giông như từ trường của nam châm vĩnh cửu thăng
Chiều đường sức từ trong lòng ống dây được xác định theo quy tắc vặn
nút chai như sau: Quay cho cán cái nút chai tiến theo chiều dòng điện trong các
vòng dây của ống dây thì chiều của đường sức từ tạo ra trong lòng ông dây là
chiều tiễn của mũi cái nút chai như hình 2.5 ở trên
1.3.3 Từ trường của dòng điện trong khung dây tròn
Từ trường của dòng điện trong khung dây tròn là những đường
khép kín Tại mỗi cạnh của dây, từ trường giống như của dây dẫn thăng Phần chung giữa 2 cạnh đường sức từ trường như trên hình 2.6
Xác định chiêu của đường sức từ trường trong lòng khung dây theo
Trang 33
Hình 2.6: Từ trường của khung dây tròn 1.4 Lực tương tác
Nếu đặt một dây dẫn thắng có dòng điện đi qua vuông góc với đường sức
từ của một từ trường ngoài, thì sẽ xuất hiện lực điện từ F tác dụng lên dây dẫn
đó (Hình 2.7)
x Nl
Hình 2.7: Thí nghiệm lực điện từ
Phương pháp xác định lực điện từ F như sau:
- Về trị số: Lực điện từ tỉ lệ thuận với cường độ từ cảm B, độ dài dây dẫn đặt trong từ trường l và cường độ dòng điện chạy trong dây dẫn đó
F=B.II(N)
- Điêm đặt: Tại trọng tâm của đoạn dây
- Phương và chiều xác định theo quy tắc bàn tay trái:
Xòe bàn tay trái sao cho đường sức từ trường hoặc véc tơ cảm ứng từ B
xuyên qua lòng bàn tay, chiều từ cổ tay đến ngón tay giữa là chiều dòng điện thì chiều của ngón cái xòe ra vuông góc (90°) sé là chiều của lực từ E (Hình 2.8) Dòng điện Lực điện từ ae F > Đường B +
wew — Hinh 2.8: Quy tac ban tay trai
Khi dây dẫn không tạo thành góc 90° với đường sức của từ trường mà tạo thành góc ơ với đường sức của từ trường thì lực điện từ được tính: E=B.1.I.sinơ (N)
Ví dụ: Một dây dẫn đặt xiên góc 30” trong từ trường đều cé cam img tir 1a 0,7T,
chiều đài nằm trong miền tác dụng của từ tường là 0,5m Xác định lực tác dụng
lên đoạn dây biết cường độ dòng điện qua đây dẫn là 100A Giải: Áp dụng công thức F =B.1.I.sinœ để tính
Trang 3432
1.5 Lực tác dụng giữa hai dây dẫn có dòng điện 1.5.1 Hai dây dẫn song song có dòng điện cùng chiều
Xét hai thanh dẫn mang dòng điện cùng chiều đặt song song cách nhau một khoảng cách là a
+ BI là cường độ từ cảm do II tạo ra tại vị trí đặt dây dẫn có dòng điện I2 + B2 là cường độ từ cảm do I2 tạo ra tại vị trí đặt dây dẫn có dòng điện I1
Các trị số đó được xác định:
Bị= Hạ: Bz = My Wee
Chiều của B được xác định theo quy tắc vặn nút chai
Khi đó từ trường do dây dẫn 1 sẽ sinh ra một lực điện từ F; trên dây dẫn 2
và ngược lại từ trường do dây dẫn 2 sẽ sinh ra một lực điện từ F¡ trên dây dẫn 1
Trị số của lực điện từ được xác định: Eạ=Bils (N); Fi=B;li (N) A Fạ = Bị.l¿ = bạ bg 1, (N) Fy = Bz = Họ: ng lị (N) Chiều của lực điện từ F được xác định theo quy tắc bàn tay trái (Hình 2.9.a)
Hình 2.9: Lực điện từ giữa hai dây dẫn Song Song Như vậy: Nếu hai dây dẫn song song có dòng điện đi qu cùng chiêu nhau thì lực điện từ sẽ làm cho chúng “hút” nhau
1.5.2 Hai dây dẫn song song có dòng điện ngược chiều
Bằng phương pháp tính toán tương tự ta có hai lực điện từ tác động lên hai dây dẫn sẽ làm cho hai dây dẫn “đây” nhau (hình 2.9.b)
Mạch từ Mục tiêu:
~ Trình bày được khái niệm mạch từ
~ Trình bày được định luật dòng điện toàn phần và áp dụng được định luật dòng điện tồn phần dé tinh tốn các đại lượng: Dòng điện, từ thông, số vòng dây của mạch từ
2.1 Khái niệm mạch từ 2.1.1 Khái niệm:
Trang 35Sắt từ là vật liệu có hệ số từ môi „lớn, cùng một từ trường thì thì cam
ứng từ bên trong chất sắt từ lớn hơn nhiều so với môi trường chân không Đặc
tính này được gọi là từ tính của chất sắt từ
Trong chất sắt từ thì các mômen từ được phân thành các miền nhỏ gọi là đômen từ hóa tự nhiên hay đômen từ Dưới tác dụng của từ trường ngoài thì chất
sắt từ bị từ hóa và xảy ra hai hiện tượng:
+ Quá trình dịch chuyên mặt phân cách của các đômen từ + Quá trình định hướng của các đômen
Mạch từ được chia làm hai phần chính: Phan sinh tir va phần dẫn từ Phân sinh từ: Bao gồm các cuộn dây có dòng điện đề tạo từ trường
Phân dẫn từ: Bao gồm các vật liệu dẫn từ đề từ thông xuyên qua Mạch từ là tập hợp bao gồm nguôn sinh từ trường (cuộn dây) và vật dẫn
từ (chất sắt từ) ghép với nhau tạo thành mạch kín đề từ thông xuyên qua
Phần từ thông khép kín mạch bên ngoài lõi thép được gọi là từ thông tản, có giá trị rất nhỏ so với phần từ thông xuyên qua lõi thép
2.1.2 Phân loại mạch từ:
Theo các tiêu chí phân loại khác nhau, ta có những tên gọi khác nhau của
mạch từ
- Theo đường đi của từ thông ta có:
+ Mạch từ không phân nhánh: Là mạch từ mà từ thông chỉ có một con đường đi duy nhất (Hình 2.10.a) Từ thông ở mọi nơi trong mạch từ không phân nhánh đều bằng nhau „œ ®¿ ®; F pays F, pose eee E; eo a b Hình 2.10: Các loại mạch từ + Mạch từ phân nhánh: Là mạch từ mà từ thông có thể khép kín
nhờ nhiều đường đi khác nhau (mạch từ khác nhau) (Hình 2.10.b) Từ thông trong mạch từ phân nhánh có nhiều phần không bằng nhau
Trang 3634
2.2 Định luật dòng điện toàn phần
2.3 Tương quan B, H và đường cong từ hoá 2.3.1 Tương quan B, H của các vật liệu sắt từ:
Goi Bọ là từ cảm ban đầu trong chân không chưa chịu tác dụng của từ trường ngoài Bạ là từ cảm tổng của các đômen từ trong chất sắt từ đã định hướng khi chịu tác dụng của từ trường ngoài
Khi đó từ cảm tổng trong chat sit tir la: B= Bo + Bg (T)
Khi tất cả các đô men từ đã định hướng thì từ cảm Bạ không tăng nữa cho dù từ trường ngoài vẫn tiếp tục tăng Hiện tượng này gọi là bão hòa từ
Sau khi thôi tác động từ trường ngoài thì một phan các đômen từ vẫn giữ nguyên hướng cũ nên chất sắt từ vẫn còn tồn tại một giá trị từ cảm gọi là từ đư Br Đây là cơ chế đẻ chế tạo nam châm vĩnh cửu
Hiện tượng kích thước của chất từ môi bị thay đổi dưới tác dụng của từ
trường ngoài gọi là hiện tượng từ dảo
2.3.2 Đường cong từ hoá và chu trình từ hóa sắt từ:
Qua khảo sát quá trình từ hóa, người ta thấy: Quan hệ B = f(H) không
phải là quan hệ tuyến tính mà có mối quan hệ phi tuyến đa trị Nghĩa là ứng với
mỗi giá trị của cường độ từ trường H thì lại có các giá trị khác nhau của cảm
ứng từ B
Quá trình từ hóa chất sắt từ được tiến hành như sau:
Cho chất sắt từ vào lòng cuộn dây sao cho cách điện với nó, dòng điện
một chiều qua cuộn dây có thê đồi chiều và điều chỉnh được
+ Khi tăng dòng điện I thì H = I.W/I tăng theo, lúc đó theo thực
nghiệm đo được cảm ứng từ B tăng theo (đoạn thăng OA trên hình 2.11)
+ Tiếp tục tăng giá trị dòng điện I thì độ từ cảm B tăng chậm dần
theo đoạn AB (trên hình 2.11), nếu từ điểm B tiếp tục tăng I thì độ từ cảm B không tăng nữa ta nói chất sắt từ đã bão hòa Nếu lúc đó ta giảm I thì độ từ cảm
B giảm theo đoạn BC Tại điêm C cường độ từ trường H = 0 thì trong lõi thép
vẫn còn tồn tại một giá trị từ cảm Bd gọi là từ dư
Đề khử từ dư của chất sắt từ ta đổi chiều dòng điện qua cuộn day va tăng dần trị số theo hướng ngược lại, ta được quan hệ B = f(H) là đoạn CD Tại điểm D cường độ từ cảm trong chất sắt từ B = 0 nhưng trường ngoài có giá trị là -Hk
ta gọi là từ trường khử từ (hình 2.1 1)
Nếu tiếp tục tăng I ta sẽ được quan hệ B = f(H) là đoạn DE, từ điểm E,
tiếp tục tăng giá trị dòng điện I thì B không tăng nữa, ta nói chất sắt từ bão hòa
Tương tự như vậy, nêu ta lại tiếp tục đổi chiều dòng điện I và tăng dan giá trị của nó thì sẽ được quan hệ B = f(H) là đoạn EFGB (trên hình 2.1 1) và lúc
đó đường cong khép kín OA-BCDEEGB gọi là chu trình từ hóa của chất sắt từ
Trang 37Hình 2.11: Chu trình từ hóa sắt từ
Trong các loại vật liệu sắt từ, người ta phân thành:
- Sắt từ cứng: Là loại vật liệu sắt từ có chu trình từ hóa ngắn và rộng, trị số từ dư lớn, mắc từ trễ lớn; thường dùng để chế tạo nam châm vĩnh
cửu Vật liệu sắt từ cứng được ché tao tit hop kim Fe-W-Cr-C-AL-Ni
- Sắt từ mềm: Là loại vật liệu sắt từ có chu trình từ hóa dài và hẹp, mắc từ trễ bé, trị số từ dư nhỏ Thường được dùng dé chế tạo nam châm điện, lõi
thép của các máy điện hoặc các khí cụ điện Vật liệu sắt từ mềm được chế tạo
từ sắt tỉnh khiết, thép lá ít Cácbon (0,04%C), tôn Silic, hợp kim Sắt-Niken, hoặc
hợp kim Sắt-Silic-Nhôm
- Vật liệu sắt từ công dụng đặc biệt: Nó là Ôxít Sắt hay còn gọi là Pherit, các hợp kim Sắt-Niken có ụ lớn 10 + 50 lần so với thép lá kỹ thuật hoặc bột Ôxít Sắt, Kẽm có p lớn, cho phép làm việc ở tần số cao Hoặc một số a kim được sử dụng rộng rãi trong chê tạo linh kiện điện tử, khuếch dai tir 3 Cảm ứng điện từ
Mục tiêu:
- Trình bày được khái niệm cảm ứng điện từ, tự cảm, hỗ cảm ~ Trình bày chính xác định luật cảm ứng điện từ
- Áp dụng được định luật để tính toán các s.đ.đ cảm ứng, tự cảm và hỗ cảm 3.1 Định luật cảm ứng điện từ 3.1.1 Thí nghiệm về cảm ứng điện từ Hình 2.12: Thí nghiệm cảm ứng điện từ „ Ở hình 2.12.a ta cho nam châm và cuộn dây chuyên động tương đôi so
với nhau; ở hình 2.12.b ta điêu chỉnh biên trở R đê dòng điện qua ông dây thay đôi
Cả 2 trường hợp ta đều nhận được kết quả là trên mA đều xuất hiện dòng
điện; điều đó chứng tỏ trên cuộn dây đã xuất hiện một sức điện động — người ta gọi đó là xuất điện động cảm ứng Eeự
Trang 3836
Định luật cảm ứng điện từ được phát biểu như sau:
Khi từ thông xuyên qua một vòng dây biến thiên thì sẽ làm xuất
hiện một suất điện động trong nó được gọi là suất điện động cảm ứng Suất
điện động cảm ứng này có chiều sao cho dòng điện do nó sinh ra có tác dụng chong lại sự biến thiên của từ thông sinh ra nó
3.2 Suất điện động (s.đ.đ) cảm ứng
Khi có từ thông biến thiên qua một diện tích S giới hạn bởi một mạch điện kín thì trong mạch sẽ xuất hiện một s.đ.đ cảm ứng, được kí hiệu là E, tỷ lệ với tốc độ biên thiên của từ thơng ®
3.2.1 Xét trường hợp một dây dẫn thăng có chiều dai | nam trong lòng từ trường và chuyển động vuông góc với đường sức của một từ trường đều B (từ
thơng ®) với vận tốc v — hình 2.13.a
Hình 2.13: Suất điện động cảm ứng al
Khi nay trén thanh dan sé xuất hiện một s.đ.đ cảm ứng E có giá trị được
tính theo công thức:
E=Bl.v
Trường hợp tổng quát, khi thanh dẫn chuyển động theo chiều tạo với đường sức của từ trường một góc ơ (hình 2.14.a) thì giá trị của s.đ.đ được tính: E=B.1.v.sinơ
Hình 2.14: Suất điện động cảm ứng - quy tắc bàn tay phải
Chiều của s.đ.đ cảm ứng được xác định theo quy tắc bàn tay phải (hình 2.14.b):
X6e ban tay phải cho vectơ cảm ứng từ B xuyên qua long ban tay, ngón cái xòe ra 900 chỉ chiều chuyển động của thanh dân thì chiều từ cổ tay đến các ngón tay là chiều của s.đ.Ä cảm ứng xuất hiện trong thanh dẫn
Trang 39Xét thí nghiệm như ở hình 2.15
a b
Hình 2.15: Suất điện động cảm ứng
Hình 2.15.a biểu diễn chiều dòng điện cảm ứng I và chiều từ thông do
dòng điện cảm ứng sinh ra trên vòng dây khi đưa nam châm tiến gần lại vòng dây Hình 2.15.b biểu diễn chiều dòng điện cảm ứng I và chiều từ thông do dòng điện cảm ứng sinh ra trên vòng dây khi đưa nam châm lùi ra xa vòng dây
Trong cả 2 trường hợp trên vòng dây đều xuất hiện s.đ.đ cảm ứng theo định luật cảm ứng điện từ và giá trị s.đ.đ cảm ứng xuất hiện trong vòng dây
được xác định theo định luật Maxoen:
do Ad
eO=-F=- aM
Nghĩa là s.đ.đ cảm ứng xuất hiện trong vòng dây e(£) có giá trị bằng tốc độ biến
thiên từ thông Ø qua nó Dâu (-) thê hiện định luật Len-xơ về chiêu của s.đ.đ
cảm ứng - Các trường hợp cụ thê:
+ Từ trường không biến thiên: Khi đó e(t) = — - =0(V)
Néu không có từ thông biến thiên qua vòng dây thì không có suất điện động cảm
ứng xuât hiện trong vòng dây đó
+ Từ thông qua vòng đây tăng dần: Khi đó e(£) = — < (VV) <0 Dòng điện do s.đ.đ cảm ứng sinh ra cùng chiều với nó Dòng điện cảm ứng này sé sinh ra từ thông Ø” có chiêu ngược với từ thông ban đâu Ø va sé chong lai sw tăng của từ thông qua vòng dây (đúng với định luật Len-xơ)
+ Từ thông qua vòng dây giảm dần: Khi đó e(£) = — _ (V)>0
Dòng điện do s.đ.đ cảm ứng sinh ra cùng chiều với nó và dòng điện cảm ứng này sẽ sinh ra từ thông Ø "cùng chiêu với từ thông ban đâu Ø sẽ chông lại sự giảm của từ thông qua vòng dây (đúng với định luật Len-xơ)
Khi vòng dây được thay băng một cuộn dây có n vòng thì s.đ.đ cảm
ứng trên cuộn dây khi có từ thông biên thiên qua nó sẽ được tính theo công thức: do th=-n.— et) =-n WV) 3.3 Hién twong tu cam 3.3.1 Hiện tượng tự cảm "
Trang 4038
xuất hiện trên cuộn dây một s.đ.đ ey, gọi là s.đ.đ tự cảm mà giá trị của nó được xác định theo định luật Maxoen:
dWt d(LD di Ai
„ sŒ) = dt dt — ty Ly ữ)
Nêu mạch điện kín thì sức điện động này sẽ tạo ra dòng điện tự cảm qua mạch,
chiều của dòng điện này có chiều chồng lại nguyên nhân sinh ra nó (định luật
Len-xơ) Hiện tượng tạo ra sức điện động tự cảm trong mạch do sự biến thiên
của từ thông móc vòng do chính mạch đó gây ra được gọi là hiện trợựng tự cảm
3.3.2 Hệ số tự cảm
Khi cuộn dây có dòng điện I di qua sẽ có từ thông , móc vòng qua nó
Dòng điện I qua cuộn dây càng lớn thì W, càng tăng
Tỉ số L = “1 đặc trưng cho khả năng tích lũy từ của cuộn dây được gọi là hệ số
tự cảm hay điện cảm của cuộn dây
Nếu cuộn dây có L không phụ thuộc W( và I thì gọi là cuộn dây
tuyến tính, ngược lại thì gọi là cuộn đây phi tuyến 3.4 Hiện tượng hỗ cảm 3.4.1 Hiện tượng hỗ cảm ‹ Xét hai cuộn dây WI và W2 đặt gân nhau: 12 Hình 2.16: Hỗ cảm
Khi có đòng điện ¡1 chạy qua WI thì sẽ sinh ra các thành phần từ thông
tự cảm W11 móc vòng qua chính nó và một lượng từ thông hỗ cảm ®21 móc
vòng qua cuộn W2 Tương tự như thế thì cuộn dây W2 khi có dòng điện ¡2 chạy
qua cũng hình thành các thành phần từ thông tự cảm W22_ móc vòng qua chính nó và một lượng từ thơng hỗ cảm ®12_ móc vòng qua cuộn WI (như trên hình
2.16)
Nếu dòng điện ¡1 và ¡2 cùng chạy vào hoặc cùng chạy ra các cực tính của hai cuộn dây đề BI sẽ cùng chiều B2 thì các cực đó gọi là cực cùng
tính được đánh dau (*)
Dòng ¡I1 trên cuộn l sinh ra từ thông móc vòng với chính cuộn | la W11=L¡il và
sinh ra từ thông móc vòng với cuộn 2 là ®21 = M.¡1 Tương tự, dòng ¡2 trong
cuộn 2 sinh ra từ thông móc vòng cuộn I1 là W22=L¿i2 và từ thông móc vòng cuộn I là ®12 =M.i2 Trong đó L¡, L¿ là hệ số tự cảm của cuộn 1 và cuộn 2 M là hệ số hỗ cảm giữa hai cuộn
Từ thông móc vòng với cuộn I là:
WIE=WII+0l2 => V1 =Lyil + Mi2