›
›

Giáo trình môn Kỹ thuật điện

doc 143 trang ngocly 2360
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình môn Kỹ thuật điện", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • docgiao_trinh_mon_ky_thuat_dien.doc

Nội dung text: Giáo trình môn Kỹ thuật điện

  1. 0 BỘ LAO ĐỘNG - THƯƠNG BINH VÀ XÃ HỘI TỔNG CỤC DẠY NGHỀ GIÁO TRÌNH Môn học: KỸ THUẬT ĐIỆN NGHỀ: ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP Ban hành kèm theo Quyết định số:120/QĐ-TCDN ngày 25 tháng 02 năm 2013 của Tổng cục trưởng Tổng cục Dạy nghề i iA iB iC t Năm 2013
  2. 1 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.
  3. 2 LỜI GIỚI THIỆU Kỹ thuật điện là một trong những môn học cơ sở được biên soạn dựa trên chương trình khung, chương trình dạy nghề do Bộ Lao động -Thương binh và Xã hội và Tổng cục dạy nghề ban hành dành cho hệ Cao nghề và Trung cấp nghề Điện tử công nghiệp. Giáo trình được biên soạn làm tài liệu học tập, giảng dạy nên giáo trình đã được xây dựng ở mức độ đơn giản và dễ hiểu nhất, trong mỗi bài đều có ví dụ và bài tập áp dụng để làm sáng tỏ lý thuyết. Khi biên soạn, nhóm biên soạn đã dựa trên kinh nghiệm giảng dạy, tham khảo đồng nghiệp và tham khảo ở nhiều giáo trình hiện có để phù hợp với nội dung chương trình đào tạo và phù hợp với mục tiêu đào tạo, nội dung được biên soạn gắn với nhu cầu thực tế. Nội dung của môn học gồm có 5 chương: Chương 1: Tĩnh điện Chương 2: Mạch điện một chiều Chương 3: Từ trường và cảm ứng điện từ Chương 4: Dòng điện xoay chiều hình sin Chương 5: Mạch điện phi tuyến Giáo trình cũng là tài liệu giảng dậy và tham khảo tốt cho các ngành thuộc lĩnh vực điện dân dụng, điện cộng nghiệp, điện tử, cơ điện tử, cơ khí. Mặc dù đã cố gắng tổ chức biên soạn để đáp ứng được mục tiêu đào tạo nhưng không tránh được những khiếm khuyết. Rất mong nhận được đóng góp ý kiến của các thầy, cô giáo, bạn đọc để nhóm biên soạn sẽ hiệu chỉnh hoàn thiện hơn. Các ý kiến đóng góp xin gửi về Trường Cao đẳng nghề Lilama 2, Long Thành Đồng Nai. Hà Nội, Ngày 10 tháng 06 năm 2013 Tham gia biên soạn 1. Chủ biên: TS Lê Văn Hiền 2. Ths Lại Minh Học
  4. 3 MỤC LỤC Tuyên bố bản quyền 1 Lời giới thiệu 2 Môn học Điện Kỹ Thuật 6 Chương 1: Tĩnh điện 8 1. Khái niệm về điện trường 8 1.1. Điện tích 8 1.2. Khái niệm về điện trường 9 2. Điện thế - Hiệu điện thế 11 2.1. Công của lực điện trường 11 2.2. Điện thế 12 2.3. Hiệu điện thế 13 3. Tác dụng của điện trường lên vật dẫn và điện môi 13 3.1. Vật dẫn trong điện trường 13 3.2. Điện môi trong điện trường 14 Chương 2: Mạch điện một chiều 18 1. Khái niệm về mạch điện một chiều 18 1.1. Dòng điện và dòng điện một chiều 18 1.2. Chiều qui ước của dòng điện 18 1.3. Cường độ và mật độ dòng điện 19 2. Mô hình mạch điện 20 2.1. Mạch điện 20 2.2. Các phần tử cấu thành mạch điện 20 3. Các định luật và các biểu thức cơ bản trong mạch điện một chiều 22 3.1. Định luật Ohm 22 3.2. Công suất và điện năng trong mạch điện một chiều 24 3.3. Định luật Joule - lenz 26 3.4. Định luật Faraday 27 3.5. Hiện tượng nhiệt điện 28 4. Các phương pháp giải mạch một chiều 29 4.1. Phương pháp biến đổi điện trở 29 4.2. Phương pháp xếp chồng dòng điện 33 4.3. Phương pháp áp dụng định luật Kirchooff 35 Chương 3: Từ trường và cảm ứng điện từ 50 1. Đại cương về từ trường 50 1.1. Tương tác từ 50 1.2. Khái niệm về từ trường 51 1.3. Đường sức từ 51
  5. 4 2. Từ trường của dòng điện 51 2.1.Từ trường của dây dẫn thẳng 51 2.2. Từ trường của vòng dây, ống dây 52 3. Các đại lượng đặc trưng của từ trường 52 3.1. Sức từ động 53 3.2. Cường độ từ trường, cường độ từ cảm 53 3.3. Vật liệu từ 54 4. Lực từ 55 4.1. Công thức Amper 55 4.2. Qui tắc bàn tay trái 55 4.3. Lực từ tác dụng lên hai dây dẫn thẳng song song 56 4.4. Ứng dụng 56 5. Hiện tượng cảm ứng điện từ 57 5.1. Từ thông 57 5.2. Công của lực điện từ 57 5.3. Hiện tượng cảm ứng điện từ 58 5.4. Sức điện động cảm ứng 59 6. Hiện tượng tự cảm và hỗ cảm 61 6.1. Từ thông móc vòng và hệ số tự cảm 61 6.2. Sức điện động tự cảm 61 6.3. Hệ số hỗ cảm 62 6.4. Sức điện động hỗ cảm 62 Chương 4: Dòng điện xoay chiều hình sin 67 1. Khái niệm về dòng điện xoay chiều 67 1.1. Dòng điện xoay chiều 67 1.2. Chu kỳ và tần số của dòng điện xoay chiều 68 1.3. Dòng điện xoay chiều hình sin 68 1.4. Các đại lượng đặc trưng 68 1.5. Pha và sự lệch pha 70 2. Giải mạch điện xoay chiều không phân nhánh 71 2.1. Giải mạch xoay chiều thuần trở, thuần cảm, thuần dung 78 2.2. Giải mạch xoay chiều RLC 83 2.3. Công suất và hệ số công suất trong mạch điện xoay chiều 85 2.4. Cộng hưởng điện áp 87 3. Mạch xoay chiều 3 pha 90 3.1. Hệ thống 3 pha cân bằng 91 3.2. Sơ đồ đấu dây trong mạng 3 pha 92 3.3. Công suất mạng 3 pha 95
  6. 5 3.4. Phương pháp giải mạch 3 pha cân bằng 96 4. Giải mạch xoay chiều phân nhánh 100 4.1. Giải mạch bằng phương pháp véc tơ 100 4.2. Giải mạch bằng phương pháp số phức 103 4.3. Cộng hưởng dòng điện 110 4.4. Phương pháp nâng cao hệ số công suất 113 5. Bài tập áp dụng 116 Chương 5: Mạch điện phi tuyến 126 1. Mạch điện phi tuyến 126 1.1. Khái niệm 126 1.2. Một số linh kiện phi tuyến thường gặp 127 1.3. Mạch xoay chiều phi tuyến 129 2. Mạch có dòng điện không sin 132 2.1. Khái niệm 132 2.2. Nguyên nhân 132 3. Mạch lọc điện 133 3.1. Khái niệm 133 3.2. Các dạng mạch lọc thông dụng 143 Tài liệu tham khảo 142
  7. 6 MÔN HỌC ĐIỆN KỸ THUẬT Mã môn học: MH 08 Vị trí, tính chất, vai trò và ý nghĩacủa môn học: + Vị trí của môn học: Là môn học cơ sở được bố trí dạy ngay từ đầu khóa học, trước khi học các môn chuyên môn + Tính chất của môn học: Là môn học kỹ thuật cơ sở. + Vai trò của môn học: Trang bị kiến thức cơ bản về mạch điện, điện trường, cảm ứng điện từ, điện tích; là cơ sở để học và nghiên cứu các môn học chuyên môn khác. Mục tiêu của môn học: + Về kiến thức: - Trình bày được định luật cơ bản về điện học, ứng dụng trong kỹ thuật điện. - Trình bày được khái niệm cơ bản về điện áp, dòng điện một chiều, xoay chiều, các định luật cơ bản trong mạch điện một chiều và xoay chiều. - Trình bày được các khái niệm cơ bản về từ trường, vật liệu từ, các mối liên hệ giữa từ trường và các đại lượng điện, ứng dụng các mạch từ trong kỹ thuật. + Về kỹ năng: - Vận dụng được các biểu thức để tính toán các thông số kỹ thuật trong mạch điện một chiều, xoay chiều, mạch ba pha ở trạng thái xác lập. - Phân tích được sơ đồ mạch đơn giản, biến đổi được mạch phức tạp thành các mạch điện đơn giản. + Về thái độ: - Rèn luyện được tính nghiêm túc, tỉ mỉ, và có tinh thần trách nhiệm trong công việc. Nội dung của môn học: Số Thời gian Tên chương mục TT Tsố LT BT KT MH 08-01 Tĩnh điện 7 5 2 1. Khái niệm về điện trường 3 3 2. Điện thế - Hiệu điện thế 1 1 3. Tác dụng của điện trường lên 1 1 vật dẫn và điện môi Bài tập 2 2
  8. 7 MH 08-02 Mạch điện một chiều 14 9 4 1 1. Khái niệm về mạch điện một chiều 1.5 1.5 2. Mô hình mạch điện 1.5 1.5 3. Các định luật và các biểu thức cơ 4 2 2 bản trong mạch điện một chiều 4. Các phương pháp giải mạch một 6 4 2 chiều Bài tập 1 1 MH 08-03 Từ trường và cảm ứng điện từ 12 10 1 1 1. Đại cương về từ trường 1.5 1.5 2. Từ trường của dòng điện 1 1 0 3. Các đại lượng đặc trưng của từ 1.5 1.5 0 trường 4. Lực từ 2 1.5 0.5 5. Hiện tượng cảm ứng điện từ 3 2.5 0.5 6. Hiện tượng tự cảm và hỗ cảm 2 2 Bài tập 1 0 0 1 MH 08-04 Dòng điện xoay chiều hình sin 18 8 9 1 1. Khái niệm về dòng điện xoay 2.5 2 0.5 chiều 2. Giải mạch điện xoay chiều 2.5 2 0.5 không phân nhánh 3. Mạch xoay chiều 3 pha 3 2 1 4. Giải mạch xoay chiều phân 3 2 1 nhánh 5. Bài tập ứng dụng tính tóan mạch 6 0 6 điện xoay chiều Kiểm tra 1 0 0 1 MH 08-5 Mạch điện phi tuyến 9 6 2 1 1. Mạch điện phi tuyến 3 2 1 2. Mạch có dòng điện không sin 2 2 0 3. Mạch lọc điện 3 2 1 Kiểm tra 1 0 0 1
  9. 8 CHƯƠNG 1 TĨNH ĐIỆN Mã chương: MH8-01 Giới thiệu: Các hiện tượng nhiễm điện, dẫn điện và tương tác điện từ trường diễn ra trong thực tế khá phổ biến cùng với sự ứng dụng của các hiện tượng đó vào thực tế, để hiểu rõ hơn về điều này ta nghiên cứu về Tĩnh điện, Điện tích, Công của lực điện trường, Tác dụng của điện trường lên vật dẫn và điện môi Mục tiêu: - Trình bày được các khái niệm cơ bản về điện trường, điện tích, điện thế, hiệu điện thế - Trình bày được sự ảnh hưởng của điện trường lên vật dẫn và điện môi. - Rèn luyện tính tư duy, tinh thần trách nhiệm trong công việc Nội dung chính 1. Khái niệm về điện trường Mục tiêu: - Biết và giải thích được một số định luật về điện trường - Giải thích được công thức tính lực tĩnh điện và công thức tính cường độ điện trường, áp dụng giải bài tập cơ bản - Có ý thức tự giác trong học tập 1.1. Điện tích Điện tích là một đại lượng vô hướng, đặc trưng cho tính chất của một vật hay một hạt về mặt tương tác điện và gắn liền với hạt hay vật đó. Định luật Coulomb: Hình 1.1 lực tương tác giữa 2 điện tích điểm q ; q đặt cách nhau một 1 2 khoảng r trong môi trường có hằng số điện môi ε là F12 ; F21 có: - Điểm đặt: Trên 2 điện tích. - Phương: Đường nối 2 điện tích. - Chiều: + Hướng ra xa nhau nếu q1.q2 > 0 (q1; q2 cùng dấu) + Hướng vào nhau nếu q1.q2 < 0 (q1; q2 trái dấu) q1.q2 - Độ lớn: F k. 2 (1.1) .r N.m2 9 Trong đó : k là hệ số k = 9.10 2 C Đơn vị: q : Coulomb (C) r : mét (m)
  10. 9 F : Newton (N) (Ghi chú: F là lực tĩnh điện) r - Biểu diễn: F r F F 21 12 21 F12 F21 q1.q2 >0 q1.q2 0 : F cùng phương, cùng chiều với E . q < 0 : F cùng phương, ngược chiều với.E + Đường sức điện trường hinh 1.2: Là đường được vẽ trong điện trường sao cho hướng của tiếp tưyến tại bất kỳ điểm nào trên đường cũng trùng với hướng của véc tơ cường độ điện trường tại điểm đó. Tính chất của đường sức: - Qua mỗi điểm trong điện trường ta chỉ có thể vẽ được 1 và chỉ 1 đường sức điện trường. - Các đường sức điện là các đường cong không kín,nó xuất phát từ các điện tích dương,tận cùng ở các điện tích âm. - Các đường sức điện không bao giờ cắt nhau. - Nơi nào có cường độ điện trường lớn hơn thì các đường sức ở đó vẽ mau và ngược lại
  11. 10 Hình 1.2: Đường sức điện trường + Điện trường đều: - Có véc tơ CĐĐT tại mọi điểm đều bằng nhau. - Các đường sức của điện trường đều là các đường thẳng song song cách đều nhau + Véctơ cường độ điện trường E do 1 điện tích điểm Q gây ra tại một điểm M cách Q một đoạn r có: - Điểm đặt: Tại M. - Phương: Đường nối M và Q - Chiều: Hướng ra xa Q nếu Q > 0 Hướng vào Q nếu Q 0 EM q 0 gây ra tại D có: - phương AD, hướng ra xa điểm A q - độ lớn: E ' 9.109. 1 a 2
  12. 11 ' E2 do q 0 thì q gây ra lực F trong điện trường Đặt vào trong điện trường 1 điện tích thử q > 0 0 Di chuyển điện tích q0 từ điểm M đến N thì lực tĩnh điện F sẽ thực hiện một công (Hình 1.4): Công của lực điện trường: q.q 1 1 0 AMN k. (1.4)  rM rN
  13. 12 Hình 1.4. Di chuyển điện tích q0 từ điểm M đến N Như vậy: “Công của lực điện làm di chuyển điện tích điểm q0 trong điện trường của điện tích q đi theo 1 đường cong bất kỳ, không phụ thuộc vào dạng đường cong dịch chuyển, mà chỉ phụ thuộc vào vị trí điểm đầu và điểm cuối của đường dịch chuyển”. * Thế năng của điện tích trong điện trường: Khi A = 0, theo cơ học trường có tính chất trên gọi là trường thế. Trường tĩnh điện là trường thế nên công của lực trường bằng cường độ giảm thế năng của điện tích q 0 khi dịch chuyển từ điểm M đến điểm N của trưòng. q.q0 q.q0 AMN WM WN (1.5) 4   0 rM 4   0 rM Trong đó: q.q0 q.q0 WM C và WN C 4   0 rM 4   0 rN Trong đó: C là một hằng số tuỳ ý 2.2. Điện thế Giả sử có 1 điện tích q di chuyển từ một điểm M cho trước đến một điểm ở vô cùng. Từ biểu thức: q.q0 q.q0 q.q0 AM 4 . 0..rM 4 . 0..r 4 . 0..rM Chia hai vế của biểu thức cho q0 A q M q0 4 . 0 ..rM Vế phải của biểu thức không phụ thuộc vào q 0 mà chỉ phụ thuộc vào điện tích q gây ra tại điện trường và phụ thuộc vào vị trí đặt điện tích q0
  14. 13 A Thương số: M đặc trưng cho điện trường ta đang xét nên gọi là điện thế của q0 AM q điện trường tại M M (1.6) q0 4   0 rM Cho q0 = +1 đơn vị điện tích M AM Vậy: “Điện thế tại 1 điểm nào đó trong điện trường có giá trị bằng công của lực tĩnh điện khi dịch chuyển 1 đơn vị điện tích dương từ điểm đó ra xa vô cùng” 2.3. Hiệu điện thế AMN AM AN q q M N U MN q0 q0 q0 4 . 0 ..rM 4 . 0 ..rN Hiệu số ( M - N) được gọi là hiệu điện thế giữa 2 điểm M và N A MN (1.7) M N q 0 Nếu lấy q0 = +1 đơn vị điện tích thì M N AMN Vậy: Đại lượng đo bằng công di chuyển một đơn vị điện tích từ M đến N gọi là điện áp của điện trường. Ký hiệu: U Điện áp giữa hai điểm của trường bằng hiệu điện thế giữa hai điểm đó. Vì thế, điện áp còn được gọi là hiệu điện thế. 3. Tác dụng của điện trường lên vật dẫn và điện môi Mục tiêu: - Biết và giải thích được một số vật dẫn và điện môi trong điện trường. - Có ý thức tự giác trong học tập 3.1. Vật dẫn trong điện trường Khi vật dẫn đặt trong điện trường mà không có dòng điện chạy trong vật thì ta gọi là vật dẫn cân bằng điện (vdcbđ) Bên trong vdcbđ cường độ điện trường bằng không. Mặt ngoài vdcbđ: cường độ điện trường có phương vuông góc với mặt ngoài Điện thế tại mọi điểm trên vdcbđ bằng nhau Điện tích chỉ phân bố ở mặt ngoài của vật, sự phân bố là không đều (tập trung ở chỗ lồi nhọn)
  15. 14 3.2. Điện môi trong điện trường Khi đặt một khối điện môi trong điện trường thì nguyên tử của chất điện môi được kéo dãn ra một chút và chia làm 2 đầu mang điện tích trái dấu (điện môi bị phân cực). Kết quả là trong khối điện môi hình thành nên một điện trường phụ ngược chiều với điện trường ngoài
  16. 15 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ CHƯƠNG 1: 1. Nội dung: + Về kiến thức: - Một số định luật về điện trường. - Công thức tính lực tĩnh điện và công thức tính cường độ điện trường - Điện thế và hiệu điện thế, điều kiện tồn tại và duy trì dòng điện. - Một số vật dẫn và điện môi trong điện trường + Về kỹ năng: - Giải bài tập cơ bản về lực tĩnh điện, cường độ điện trường, điện thế và hiệu điện thế + Thái độ: Tỉ mỉ, cẩn thận, chính xác. 2. Phương pháp: - Kiến thức: Được đánh giá bằng hình thức kiểm tra viết, trắc nghiệm - Kỹ năng: Đánh giá kỹ năng tính toán các bài tập - Thái độ: Đánh giá phong cách học tập
  17. 16 Bài tập Bài tập 1.1: Tính lực tương tác giữa hai điện tích điểm có điện tích bằng nhau, q = 10-6C, đặt cách nhau một đoạn d = 1cm, ở trong dầu ( =2) và ở trong nước ( =6) Hướng dẫn giải: q .q Lực tương tác giữa hai điện tích điểm dựa vào (1.1): F 9.10 9. 1 2  .r 2 10 6.10 6 Ở trong dầu ( =2): F 9.10 9. 4,5.10N 45N 2.10 4 10 6.10 6 Ở trong nước ( =6): F 9.10 9. 1,5.10N 15N 6.10 4 Bài tập 1.2: Cho hai điện tích điểm +q và –q ( hình 1.5) đặt tại hai điểm A và B, cách nhau một khoảng a trong chân không a) Xác định cường độ điện trường tại điểm C với C là trung điểm của đoạn AB b) Xác định cường độ điện trường tại điểm D. Với D là điểm nằm trên đường trung trực của AB, và cách A một khoảng a. Cho q = 2.10-6C, a = 3cm E2' ED D E2' E1 A C E2 B EC Hình 1.5 Hướng dẫn giải: a) Tại C, ta có: q 9 q 9 4q Từ (1.3) ta có E1 E2 k. 9.10 . 9.10 . r 2 a / 2 2 a 2 E1 gây ra bởi điện tích +q tại điểm C:
  18. 17 - có phương A - hướng ra xa điểm A E2 gây ra bởi điện tích –q tại điểm C: - có phương AC - Hướng từ C về B Như vậy, E1 và E2 có cùng độ lớn và cùng hướng (1.4) ta có E C E1 E 2 4q 8q E E E 2F 2.9.109. 9.109. C 1 2 1 a 2 a 2 Độ lớn: 6 9 8.2.10 7 EC 9.10 . 2 16.10 (V / m) 3.10 2
  19. 18 CHƯƠNG 2 MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU Mã chương: MH8-02 Giới thiệu: Trong thực tế mạch điện một chiều được ứng dụng nhiều ở lĩnh vực điện, điện tử, dòng điện một chiều tương đối ổn định và việc nghiên cứu để giải mạch điện một chiều là cơ sở để chuyển đổi và giải các mạch điện biến đổi khác về dạng mạch điện một chiều và các cách biến đổi, các phương pháp giải mạch điện một chiều được nghiên cứu kỹ. Mục tiêu: - Trình bày được khái niệm về dòng điện một chiều, khái niệm về mạch điện - Phân tích được nhiệm vụ, vai trò của các phần tử cấu thành mạch điện như: nguồn điện, dây dẫn, phụ tải, thiết bị đo lường - Giải thích được cách xây dựng mô hình mạch điện, các phần tử chính trong mạch điện. - Phát biểu được các định luật cơ bản trong mạch điện một chiều, các phương pháp giải bài toán mạch điện một chiều. - Có khả năng học tập độc lập, chuyên cần trong công việc. Nội dung chính 1. Khái niệm về mạch điện một chiều Mục tiêu: - Biết được nguồn điện một chiều và chiều quy ước, dòng điện một chiều, điện áp. - Giải thích được công thức tính dòng điện một chiều, áp dụng giải bài tập cơ bản về mạch điện - Có ý thức tự giác trong học tập 1.1. Dòng điện và dòng điện một chiều Dưới tác dụng của lực điện trường, các điện tích dương (+) sẽ di chuyển từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp hơn, còn các điện tích âm (-) chuyển động theo chiều ngược lại, từ nơi có điện thế thấp đến nơi có điện thế cao hơn, tạo thành dòng điện. Dòng điện là dòng các điện tích (các hạt tải điện) di chuyển có hướng 1.2. Chiều qui ước của dòng điện Chiều quy ước của dòng điện là chiều dịch chuyển có hướng của các điện tích dương. Dòng điện có: * tác dụng từ (đặc trưng) (Chiếu quy ước I)
  20. 19 * tác dụng nhiệt, tác dụng hoá học tuỳ theo môi trường. Trong kim loại: dòng điện là dòng các điện tử tự do chuyển dời có hướng Trong dung dịch điện ly: là dòng điện tích chuyển dời có hướng của các ion dương và âm chuyển dời theo hai hướng ngược nhau. Trong chất khí: thành phần tham gia dòng điện là ion dương, ion âm và các electron. 1.3. Cường độ và mật độ dòng điện Cường độ dòng điện là đại lượng cho biết độ mạnh của dòng điện được tính bởi: dQ I (2.1) dt q: điện lượng di chuyển qua các tiết diện thẳng của vật dẫn t: thời gian di chuyển ( t 0: I là cường độ tức thời) Dòng điện có chiều và cường độ không thay đổi theo thời gian được gọi là dòng điện không đổi (cũng gọi là dòng điệp một chiều). Cường độ của dòng điện này có thể tính bởi: q I I A t Trong đó q là điện lượng dịch chuyển qua tiết diện thẳng của vật dẫn trong thời gian t. Ghi chú: a) Cường độ dòng điện không đổi được đo bằng ampe kế (hay miliampe kế, . . . ) mắc xen vào mạch điện (mắc nối tiếp). b) Với bản chất dòng điện và định nghĩa của cường độ dòng điện như trên ta suy ra: * cường độ dòng điện có giá trị như nhau tại mọi điểm trên mạch không phân nhánh. * cường độ mạch chính bằng tổng cường độ các mạch rẽ. Ví dụ 2.1: Trong thời gian t = 0,01s, tụ điện nạp được 10 3 Culông trên cực. Tìm giá trị trung bình của dòng điện nạp cho tụ. Giải: q 10 3 Trị số dòng điện nạp trung bình từ (2.1): I 0.1A t 0,01
  21. 20 2. Mô hình mạch điện Mục tiêu: - Biết và giải thích được được một số yếu tố cấu thành mạch điện. - Giải thích được công thức tính cường độ điện trường, áp dụng giải bài tập cơ bản ở mạch điện đơn giản. - Có ý thức tự giác trong học tập 2.1. Mạch điện Mạch điện là tập hợp các thiết bị để cho phép các bộ phận dẫn dòng điện chạy qua khi có nguồn cung cấp điện năng 2.2. Các phần tử cấu thành mạch điện Mạch điện gồm 4 phần tử cơ bản: nguồn điện, nơi tiêu thụ điện và dây dẫn - Nguồn điện: Là các thiết bị dùng để biến đổi các dạng năng lượng như: cơ năng, hoá năng, nhiệt năng sang điện. pin, ăcquy, máy phát điện. - Nơi tiêu thụ điện (phụ tải): là các thiết bị dùng để biến đổi điện năng sang các dạng năng lượng khác như cơ năng, nhiệt năng, quang năng - Thiết Bị Biến Đổi: Biến Đổi Áp, Dòng, Tần Số - Dây dẫn: Là các dây kim loại dùng để truyền tải điện năng từ nguồn đến phụ tải Hình 2.1: Các phần tử mạch điện Ngoài ra, còn có các thiết bị phụ trợ khác như thiết bị đóng cắt (cầu dao, máy cắt điện), dụng cụ đo lường (ampe kế, vôn kế ), thiết bị bảo vệ (cầu chì), tự động 2.2.1. Nguồn điện Nguồn điện là thiết bị tạo ra và duy trì hiệu điện thế để duy trì dòng điện. Mọi nguồn điện đều có hai cực, cực dương (+) và cực âm (-). Nguồn áp: Nguồn điện áp độc lập là phần tử hai cực mà điện áp của nó không phụ thuộc vào giá trị dòng điện cung cấp từ nguồn và chính bằng sức điện động của nguồn: u(t)=e(t)
  22. 21 Kí hiệu của nguồn điện áp độc lập: i(t) + u e + - u(t) - i Kí hiệu của nguồn điện áp phụ thuộc: u1 u1 u2 i1 ri1(volts) u2 u2 = u2 = R.I1 α u1 Hình 2.2: ký hiệu nguồn điện áp Dòng điện của nguồn sẽ phụ thuộc vào tải mắc vào nó. Nguồn dòng Nguồn dòng độc lập là phần tử hai cực mà dòng điện của nó không phụ thuộc vào điện áp trên hai cực nguồn: i(t)=j(t) Kí hiệu của nguồn độc lập: u i(t) + u(t) i - i Kí hiệu của nguồn phụ thuộc: i2 i2 u1 gu1 u2 i1 β i1(A) i2 = gu1 i2 =  i1 Hình 2.3: ký hiệu nguồn dòng Điện áp trên các cực nguồn phụ thuộc vào tải mắc vào nó và chính bằng điện áp trên tải này. 2.2.2. Phần tử tiêu thụ điện Điện Trở: Là bộ phận biến đổi điện năng thành các dạng năng lượng khác Là phần tử được đặc trưng bởi quan hệ giữa dòng điện và điện áp: U = R.i (2.2) Trong đó, R là điện trở ()
  23. 22 . Hình 2.4: ký hiệu điện trở Phần tử điện cảm: Cuộn dây là phần tử tải 2 cực có quan hệ giữa điện áp và dòng điện tuân di(t) theo phương trình toán: u(t) L dt hay dòng điện 1 t i(t) u(t)dt i(t ) (2.3) L 0 t 0 Hình 2.5: ký hiệu điện cảm du(t) Phần tử điện dung: i(t) C dt Điện áp trên phần tử điện dung được xác định bởi phương trình: 1 t u(t) i(t)dt u(t ) C 0 t 0 1 t u(t) i(t)dt u(t ) (2.4) C 0 t 0 Hình 2.6: ký hiệu điện dung 3. Các định luật và các biểu thức cơ bản trong mạch điện một chiều Mục tiêu: - Biết và giải thích được một số định luật về mạch điện - Giải thích được công thức của định luật, áp dụng giải bài tập cơ bản về mạch điện. - Có ý thức tự giác trong học tập 3.1. Định luật Ohm 3.1.1. Định luật ôm đối vơi đoạn mạch chỉ có điên trở Định luật: Cường độ dòng điện chạy qua đoạn mạch có có điện trở R: - tỉ lệ thuận với hiệu điện thế hai đầu đoạn mạch.
  24. 23 - tỉ lệ nghịch với điện trở. I R U I (2.5) A B R U Nếu có R và I, hiệu điện thế tính như sau: U = VA - VB = I.R (2.6) I.R: gọi là độ giảm thế (độ sụt thế hay sụt áp) trên điện trở. Công thức của định luật ôm cũng cho phép tính điện trở: Đặc tuyến V - A (vôn - ampe) Đó là đồ thị biểu diễn I theo U còn gọi là đường đặc trưng vôn - ampe. I O U Hình 2.7: Đặc tuyến V - A Đối với vật dẫn kim loại (hay hợp kim) ở nhiệt độ nhất định đặc tuyến V –A là đoạn đường thẳng qua gốc các trục: R có giá trị không phụ thuộc U. (vật dẫn tuân theo định luật ôm). Ví dụ 2.2: Khi đặt điện áp U = 24V vào một đoạn mạch, thấy có dòng điện I = 6A đi qua. Tính điện trở của đoạn mạch đó. U 24 Giải: Điện trở của đoạn mạch, từ (2.5) ta có: r 4 I 6 3.1.2. Định luật ôm cho toàn mạch Cường độ dòng điện trong mạch kín: Giả sử có mạch điện không phân nhánh như hình 2.8. - nguồn có sức điện động E, điện trở trong là R0 - cung cấp cho tải có điện trở là R - qua một đường dây có điện trở là Rd - dòng điện trong mạch là I Hình 2.8: Mạch điện không phân nhánh
  25. 24 Áp dụng định luật Ohm cho từng đoạn mạch ta có Điện áp trên tải: U I .R Điện áp trên đường dây: U d I .Rd Điện áp trên điện trở trong của nguồn: U 0 I .R0 E U 0 U d U I R0 Rd R I .R Ở đây: R R0 Rd R : là tổng trở của toàn mạch Từ đó: E E I R R0 Rn Trong đó : Rn Rd R : là điện trở mạch ngoài Vậy: “Dòng điện trong mạch tỷ lệ với sức điện động của nguồn và tỷ lệ nghịch với điện trở tương đương của toàn mạch” Ví dụ 2.3. Mạch điện ở trên có E = 231V, R 0 = 0,1, R = 22, Rd = 1. Hãy xác định dòng điện trong mạch, điện áp đặt vào tải và điện áp trên hai cực của nguồn. Giải: Áp dụng định luật Ohm cho toàn mạch để tính dòng điện: E E 231 I 10 A R R0 Rd R 0,1 22 1 Điện áp đặt vào tải: U I .R 10.22 220V Điện áp rơi trên đường dây: U d I .Rd 10.1 10V Điện áp rơi trên điện trở trong của nguồn: U 0 I .R0 10.0,1 1V 3.2. Công suất và điện năng trong mạch điện một chiều 3.2.1. Công suất: Nối nguồn điện F có s.đ.đ E và có điện trở trong R0 với một tải điện trở R. A E F R U R0 B Hình 2.9: Nguồn có điện trở trong
  26. 25 Dưới tác dụng của lực trường ngoài của nguồn điện F, các điện tích liên tục chuyển động qua nguồn và mạch ngoài (tải) tạo thành dòng điện I. Khi đó, công của trường ngoài cũng là công của nguồn điện để di chuyển điện tích Q qua nguồn là: AF E.Q E.I .t Theo định luật bảo toàn và biến hoá năng lượng, công của nguồn sẽ biến đổi thành các dạng năng lượng khác ở các phần tử của mạch. Cụ thể ở đây chính là tải R và R0 của nguồn. Gọi điện áp tại hai điểm A và B là A và B U A B Năng lượng do điện tích Q thực hiện khi qua đoạn mạch AB sẽ là: A U .Q U.I .t (2.6) Còn một phần năng lượng sẽ tiêu tán bên trong nguồn dưới dạng nhiệt: A0 AF A E.I .t U.I .t E U I .t U 0 I .t Trong đó: U 0 E U : Hiệu điện thế giữa sức điện động nguồn với điện áp trên hai cực của nó gọi là điện áp giáng (sụt áp) bên trong nguồn Từ đó, ta có phương trình cân bằng sức điện động trong mạch: (2.7) E U U 0 Vậy: “S.đ.đ của nguồn bằng tổng điện áp trên hai cực của nguồn với sụt áp bên trong nguồn” Tỷ số giữa công A và thời gian thực hiện t gọi là công suất của mạch điện, ký hiệu P A P t (2.8) Như vậy: Công suất P là tốc độ thực hiện công theo thời gian A U .I .t U 2 P U .I I 2 R t t R (2.9) Đơn vị: U : Volt (V) I : ampe (A) P : Watt (W), V .A W 3.2.2. Năng lượng điện (hay công của dòng điện): Công bằng tích số giữa công suất và thời gian A P A P.t (2.10) t Đơn vị: P (W), t (s) , A (J) 1J 1W 1V.1A 1VA 1s 1J 1W.1s 1VA.1s 1V.C
  27. 26 Ví dụ 2.4: Có một dụng cụ nung nóng, khi điện áp của lưới là 220V thì dòng chạy trong đó là 5A. Hãy tính năng lượng điện trong 1 ngày đêm (24h) Giải: Nănglượng điện trong 1ngày đêm từ (2.9): A U.I .t 220.5.24 26400 Wh 24,6kW 95,04 MJ 3.3. Định luật Joule – lenz Dòng điện là dòng chuyển dời có hướng của các điện tích. Khi chuyển động trong vật dẫn, các điện tích va chạm với các phân tử, truyền bớt động năng, làm cho các phân tử của vật dẫn tăng mức chuyển dộng nhiệt. Kết quả : vật dẫn bị dòng điện đốt nóng. Đó chính là tác dụng nhiệt của dòng điện. Gọi R là điện trở của vật dẫn U I R Công suất nhận được trên vật dẫn: U 2 P U .I I 2 R R Trong thời gian t, công do dòng điện thực hiện là: A P.t R I 2t Công này được trưyền qua cho vật dẫn và chuyển thành nhiệt: Q R I 2t J (2.11) Lượng nhiệt đó không chỉ đo bằng Joule mà còn đo bằng calori (cal) Q 0.24R I 2t cal Vậy: “Nhiệt lượng Q toả ra trên một đoạn dây dẫn khi có dòng điện không đổi I chạy qua tỷ lệ với điện trở R của dây, với bình phương cường độ dòng điện và với thời gian t duy trì dòng điện ” Ví dụ 2.5: Tìm nhiệt lượng toả ra trong điện trở R = 20, trong thời gian 1 giờ, khi dòng điện chạy qua điện trở I = 10A Giải: Từ (2.11) lượng nhiệt toả ra là: Q R I 2t 20.102.3600 7200kJ hay: Q 0.24 R I 2t 0.24.7200 1728cal
  28. 27 3.4. Định luật Faraday 3.4.1 Sức điện động cảm ứng khi từ thông xuyên qua vòng dây biến thiên Khi từ thông xuyên qua vòng dây biến thiên, trong vòng dây sẽ cảm ứng ra Sức điện động cảm ứng, Sức điện động cảm ứng ấy có chiều sao cho dòng điện sinh ra nó có hướng chống lại sự biến thiên của từ thông sinh ra nó. d e w (2.12) dt W. Là số vòng dây của cuộn dây. Dấu (-) sdd có chiều sao cho dòng điện sinh ra nó có xu hướng chống lại sự biến thiên của từ thông sinh ra nó. Ví du 2.6: Một cuộn dây có 10 vòng quay trong từ trường của một nam châm, biết cuộn dây quay với vận tốc góc là =314 rad/s và sau thời gian t từ thông xuyên qua vòng dây là: Φt=0,004cos314t Wb Tính Sức điện động cảm ứng trong cuộn dây. Giải: Từ 2.12 ta có d d(0,004cos314t) e w 10. 10.0,004.314.sin 314t 12,7sin 314t(v) dt dt 3.4.2. Sức điện động cảm ứng trong thanh dẫn chuyển động trong từ trường. Khi thanh dẫn chuyển động cắt qua từ từ trường trong thanh dẫn sẽ cảm ứng ra Sức điện động cảm ứng là: e=Blvsin (2.13) Trong đó: B. Là cường độ từ cảm (T) l. Là chiều dài tác dụng của thanh dẫn (Phần thanh dẫn nằm trong từ trường) m v. Vận tốc thanh dẫn (m/s) . Góc giữa chiều vận tốc vứi chiều từ trường. Khi chiều chuyển động vuông góc với từ trường (2.13) trở thành. e=Blv (sin =1) Chiều của Sức điện động cảm ứng được xác định theo quy tắc bàn tay phải: Cho đường sức từ trường đi vào lòng bàn tay phải, chiều chuyển động của thanh dẫn theo chiều ngón tay cái choãi ra 90o, thì chiều 4 ngón tay còn lại là chiều Sức điện động cảm ứng.
  29. 28 Ví dụ 2.7: Một thanh dẫn có chiều dài tác dụng l=0,5m, nằm trong từ trường B=1,4T. người ta làm nó chuyển động với vận tốc v=20m/s thẳng góc với từ trường. Hai đầu thanh dẫn nối với một điện trở R=0,5 ohm làm thành mạch kín, coi điện trở của thanh dẫn không đáng kể.Tìm Sức điện động cảm ứng. Giải. Từ (2.13) ta có e=B.l.v=1,4.0,5.20=14v. 3.5. Hiện tượng nhiệt điện Sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ: Khi kim loại phát nóng, nhiệt độ của kim loại tăng lên, các phân tử vật chất trong kim loại sẽ tăng mức độ chuyển động. Do đó, các điện tử trong kim loại sẽ va chạm nhiều hơn, gặp nhiều trở ngại hơn. Do đó, điện trở của kim loại tăng lên khi nhiệt độ tăng. Trong khoảng từ 00 1000 C , điện trở của kim loại tính theo: r r 1 t t (2.14) 1 0  1 0  Trong đó: r0 : điện trở ứng với nhiệt độ ban đầu t0 r1 : điện trở ứng với nhiệt độ đang xét t1 : hệ số nhiệt điện trở của vật liệu Hệ số nhiệt độ của điện trở của vật liệu bằng độ tăng tương đối của điện trở khi nhiệt độ biến thiên 10 C Hệ số nhiệt điện trở của một số loại vật liệu làm dây dẫn như: - đồng, nhôm, vonfram: = 0.004 1/K - Thép : = 0,006 1/K - Đồng thau : = 0,002 1/K - Mangan : = 0,00004 1/K Trong dung dịch điện phân và than thì khi tăng nhiệt độ thì mật độ các phần tử mang điện tăng lên nên mức độ va chạm giữa các phần tử mang điện với các phần tử khác có tăng lên, độ dẫn điện của vật liệu tăng tức cường độ dòng điện trong mạch càng lớn. Như vậy, điện trở riêng của dung dịch điện phân giảm khi nhiệt độ tăng. 0 Ví dụ 2.8: Cần đo điện trở r1 của thép khi nó được phát nóng lên 520 C Giải: Dựa vào công thức (2.14) trên ta tính: r1 r0 1 t1 t0  r0 r0 .0,006. 520 20 4r0 Điện trở riêng của thép tăng lên 4 lần
  30. 29 4. Các phương pháp giải mạch một chiều Mục tiêu: - Biết và giải thích được một số phương pháp giải mạch điện - Áp dụng giải bài tập cơ bản về mạch điện. - Có ý thức tự giác trong học tập 4.1. Phương pháp biến đổi điện trở . 4.1.1. Điện trở mắc nối tiếp: Điện trở tương đương được tính bởi: R1 R2 R3 Rn Hình 2.10: Các điện trở mắc nối tiếp Rm = Rl + R2+ R3+ + Rn Im = Il = I2 = I3 = = In (2.15) Um = Ul + U2+ U3+ + Un Um Im = Rm Ví dụ 2.8: Cần ít nhất mấy bóng đèn 24V-12W đấu nối tiếp khi đặt vàp điện áp U = 120V .Tính điện trở tương đương và dòng điện qua mạch Giải: Với bóng đèn 24V không thể đấu trực tiếp vào mạch điện áp 120V được mà phải đấu nối tiếp nhiều bóng đèn có điện áp 24V. Và phải đảm bảo không vượt quá điện áp của mạng. Các bóng đèn giống nhau nên khi đấu nối tiếp, điện áp đặt vào mỗi bóng là như nhau. Ở đây, ta cần số bóng đèn là: 120 n 5 24 Lấy n = 5 bóng: Điện trở của mỗi bóng là: U 2 U 2 242 P U .I R dm 48  R Pdm 12 Điện trở tương đương của toàn mạch: Rtd n.R 5.48 240  Dòng điện trong mạch: U 120 I 0,5 A Rtd 240
  31. 30 4.1.2. Biến đổi song song các điện trở: Điện trở tương đương được anh bởi: R1 R2 R3 Rn Hình 2.11: Các điện trở mắc song song 1 1 1 1 1 =  Rm R1 R2 R3 Rn Im = Il + I2 + + In (2.16) Um = Ul = U2 = U3 = = Un Um Im = Rm 4.1.3. Đấu nối tiếp các nguồn điện Đấu nối tiếp là cách đấu cực âm của phần tử thứ nhất với cực dương của phần tử thứ hai, cực âm của phần tử thứ hai đấu với cực dương của phần tử thứ ba Cực dương của phần tử thứ nhất và cực âm của phần tử cuối cùng là hai cực của bộ nguồn. E1 E2 E3 Hình 2.12 : Đấu nối tiếp nguồn Gọi s.đ.đ của mỗi phần tử là E0; S.đ.đ chung của cả bộ: E n.E0 Từ đó, nếu đã biết U là điện áp yêu cầu của tải thì xác định được số phần tử U nối tiếp: n Gọi r là điện trở trong của mỗi phần tử E f t 0 r0 là điện trở trong của bộ nguồn, chính là điện trở tương đương của n điện trở nối tiếp r0 n.rf t Dòng điện qua bộ nguồn cũng là dòng điện qua mỗi phần tử nên dung lượng mỗi phần tử bằng với dung lượng nguồn. 4.1.4. Đấu song song các nguồn điện Đấu song song là cách đấu các cực dương với nhau, các cực âm với nhau, tạo thành hai cực của bộ nguồn. Hình 2.13 : Đấu song song nguồn
  32. 31 S.đ.đ của cả bộ nguồn chính là s.đ.đ của mỗi phần tử: E E0 Điện trở trong của bộ nguồn là điện trở tương đương của m điện trở đấu song rf t song: r0 Dòng điện tương đương của cả bộ nguồn là tổng dòng điện qua m mỗi phần tử: I m.I f t Từ đó, nếu biết I là dòng điện yêu cầu của tải, xác định được số mạch nhánh I cần đấu song song: m I f t .cp Trong đó: I f t .cp là dòng điện lớn nhất cho phép của mỗi phần tử 4.1.5. Đấu nguồn điện hỗn hợp: Đấu hỗn hợp là mỗi bộ phận gồm m nhánh đấu song song, mỗi nhánh gồm n phần tử đấu nối tiếp hoặc ngược lại (mỗi đoạn có m phần tử đấu song song) S.đ.đ của cả bộ: E n.E0 Dòng điện của cả bộ: I m.I f t Điện trở trong của cả bộ: n.r n r f t r 0 m m f t Hình 2.14 : Đấu hỗn hợp nguồn Ví dụ 2.9: Xác định số phần tử acquy cần nối thành bộ để cung cấp tải là đèn chiếu sáng sự cố, công suất tải 2,1kW, điện áp tải 120V, biết mỗi ăquy có E0 2V , dòng điện phóng cho phép là 6A. Giải: Dòng điện tải: P 2100 I 17,5 A U 120 Vì I và U của tải đều vượt quá I f t .cp và E0 nên cần thực hiện đấu nhóm. Số phần tử nối tiếp trong một nhánh: U 120 n 60 lấy n = 60 E0 2 Số nhánh đấu song song: I 17,5 m 2,91 lấy m = 3 I f t .cp 6
  33. 32 Số phần tử acquy của cả bộ: n.m 60.3 180 chiếc Ví dụ 2.10: Ba bóng đèn có điện trở R 1 = 60 ; R2 = 120 ; R3 = 150 ; đấu song song, đặt vào điện áp U = 120V. Tính điện trở tương đương, dòng điện qua mỗi bóng trong mạch chính. Giải: Điện trở tương đương của ba bóng: R .R .R 60.120 120.150 150.60 600 R 1 2 3 31,6  R1.R2 R2 .R3 R3 .R1 60.120.150 19 Dòng điện qua mỗi bóng: U 120 I1 2 A R1 60 U 120 I 2 1 A R2 120 U 120 I 3 0,8 A R3 150 Dòng điện qua mạch chính: I I1 I 2 I 3 2 1 0,8 3,8 A 4.1.6. Mắc các điện trở hỗn hợp: Mắc hỗn hợp có nghĩa là trong mạch điện có nhánh mắc nối tiếp, có nhánh mắc song song mà thực tế ta rất hay gặp. Như sơ đồ dưới đây: Hình 2.15 : Đấu các điện trở hỗn hợp Điện trở song song đưa về điện trở tương đương: 1 1 1 R1 R2 R1.R2 Rtd Rtd R1 R2 R1.R2 R1 R2 Mạch hỗn hợp được viết lại: R1.R2 Rtđ nối tiếp R3 RTM Rtd R3 R3 R1 R2 Như vậy, đối với sơ đồ mắc hỗn hợp trên đây, ta đã lập được công thức tính của nó R Nếu R R R R R thì R n 1 2 3 n n
  34. 33 Ví dụ 2.11: Cho mạch điện như hình vẽ với các số liệu sau: R 1 = R2 = R3 = 30 ; R4 = 15 ; I1 = 0,5A a) Tính điện trở tại 2 điểm A và B b) Tính cường độ dòng điện qua mỗi điện trở c) Tính điện áp trên mỗi điện trở và điện áp giữa hai điểm A và C Hình 2.16: ví dụ 2.11 Giải: a) Điện trở tại 2 điểm A và B: 1 1 1 1 R1 // R2 // R3 Rt R1 R2 R3 R 30 Vì R = R = R nên: R 1 10  1 2 3 t n 3 Điện trở của toàn mạch: R Rt R4 10 15 25  Vì mạch là nối song song nhau nên điện áp tại các nhánh là không đổi b) Do R1 = R2 = R3 = 30 I1 = I2 = I3 = 0,5 Cường độ dòng điện qua mạch chính: I I1 I 2 I 3 3.I1 3.0,5 1,5 A c) Điện áp trong đoạn mạch song song: U1 U 2 U 3 I1.R1 0,5.30 15 V Điện áp trên điện trở R4: U 4 I.R4 1,5.15 22,5 V Điện áp trong toàn mạch chính: U I.R 1,5.25 37,5 V Hay: U U1 U 4 15 22,5 37,5 V 4.2. Phương pháp xếp chồng dòng điện Phương pháp xếp chồng có thể sử dụng để xác định dòng điện trong mạch có nhiều nguồn điện. Dòng điện qua mỗi nhánh bằng tổng đại số các dòng điện qua nhánh do tác dụng riêng rẽ của từng s.đ.đ. Nguyên lý xếp chồng được ứng dụng để nghiên cứu mạch điện có nhiều nguồn tác dụng * Các bước thực hiện bằng phưưong pháp xếp chồng Bước 1: Thiết lập sơ đồ điện chỉ có một nguồn tác động
  35. 34 Bước 2: Tính dòng điện và điện áp trong mạch chỉ có một nguồn tác động Bước 3: Thiết lập sơ đồ mạch điện cho nguồn tiếp theo, lặp lại các bước 1 và 2 cho mỗi nguồn tác động Bước 4: Xếp chồng các kết quả tính dòng điện, điện áp của mỗi nhánh do các nguồn tác động riêng rẽ. Ví dụ 2.12: Cho mạch điệnnhư hình 2.17. Giải bằng phương pháp xếp chồng dòng điện Cho biết: E1 = 125V; E2 = 90V; R1 = 3; R2 = 2; R3 = 4. Tìm dòng điện trong các nhánh và điện áp đặt vào tải R3 Hình 2.17: ví dụ 2.12 Giải: Trước hết nối tắt E2 , chỉ còn E1 tác dụng Điện trở tương đương R2 // R3 R2 .R3 2.4 R23 1,333  R2 R3 2 4 Dòng điện trong mạch E1 : ' E1 125 I1 28,85 A R1 R23 3 1,333 ' ' R3 4 I 2 I1 28,85 19,23 A R2 R3 2 4 ' ' R2 2 I 3 I1 28,85 9,62 A R2 R3 2 4 Sau đó, nối tắt E1 , chỉ còn E2 tác dụng Điện trở tương đương R2 // R1 R1.R2 3.4 R12 1,714  R1 R2 3 4 Dòng điện trong mạch E2 : " E2 90 I 2 24,23 A R1 R13 2 1,714
  36. 35 " " R3 4 I1 I 2 24,23 13,85 A R1 R3 3 4 " " R1 3 I 3 I 2 28,85 10,35 A R1 R3 3 4 Dòng điện tổng trong các nhánh: ' " I1 I1 I1 28,85 13,85 15 A ' " I 2 I 2 I 2 24,23 19,23 5 A ' " I 3 I 3 I 3 9,62 10,38 0,76 A 4.3. Phương pháp áp dụng định luật Kirchooff Bài toán phân tích hay tổng hợp, cơ sở của việc giải mạch có thông số tập trung vẫn là hai định luật Kirchhoff 1 và 2. Định luật K1: chỉ rõ mối liên hệ giữa các dòng điện ở một nút, nó nói lên tính chất liên tục của dòng điện. Định luật K2: chỉ rõ mối liện hệ giữa các điện áp trong một vòng, nó nói lên tính chất thế. Để hiểu được các định luật Kirchhoff trước tiên ta phải nắm các khái niệm về nhánh, nút, vòng.  Nhánh tạo thành từ một hoặc nhiều phần tử mạch mắc nối tiếp.  Nút là điểm giao của hai nhánh trở lên.  Vòng là tập hợp các nhánh tạo thành một đường khép kín. Nó có tính chất là bỏ đi một nhánh nào đó thì tập còn lại không. Mắt lưới là vòng mà không chứa vòng nào bên trong nó. Một mạch phẳng có d nút, n nhánh thì số mắt lưới m là (n-d+1) m=n-d+1 4.3.1. Định luật Kirchhoff I: Tổng đại số các dòng điện tại một nút (hoặc vòng kín) bất kỳ bằng không  i k 0 (2.17) nut Trong đó, ta có thể quy ước: Các dòng điện có chiều dương đi vào nút thì lấy dấu +, còn đi ra khỏi nút thì lấy dấu –. Hoặc có thể lấy dấu ngược lại. Có thể phát biểu định luật K1 dưới dạng: Tổng các dòng điện có chiều dương đi vào một nút bất kỳ thì bằng tổng các dòng điện có chiều dương đi ra khỏi nút. Với mạch điện có d nút thì ta chỉ viết được (d-1) phương trình K1 độc lập với nhau cho (d-1) nút. Phương trình K1 viết cho nút còn lại có thể được suy ra từ (d-1) phương trình K1 trên.
  37. 36 Ví dụ 2.13: Ta xét 1 nút của mạch điện gồm có 1 số dòng điện đi tới nút A và cũng có 1 số dòng điện rời khỏi nút A Hình 2.18: ví dụ 2.13 Như vậy, trong 1 giây, điện tích di chuyển đến nút phải bằng điện tích rời khỏi nút. Bởi vì, nếu giả thiết này không thoả mãn thì sẽ làm cho điện tích tại nút A thay đổi. Vì thế: “Tổng số học các dòng điện đến nút bằng tổng số học các dòng điện rời khỏi nút” Đây chính là nội dung của định luật Kirchhoff 1 Nhìn vào mạch điện ta có: I1 I 3 I 5 I 2 I 4 I1 I 2 I 3 I 4 I 5 0 Tổng quát, ta có định luật phát biểu như sau: “Tổng đại số các dòng điện đến một nút bằng 0” n  I i 0 i 1 Quy ước: - Nếu các dòng điện đi tới nút là dương thì các dòng điện rời khỏi nút sẽ mang dấu âm hoặc ngược lại. 4.3.2. Định luật Kirchhoff II: Định luật Kirchhoff II phát biểu cho 1 vòng kín Tổng đại số các sụt áp trên một vòng kín thì bằng không  u k 0 (2.18) vong Người ta chứng minh được rằng: với một mạch có d nút, n nhánh thì số phương trình độc lập có được từ định luật K2 là (n-d+1). Đối với mạch điện phẳng có d nút, n nhánh thì số mắc lưới là (n-d+1). Do đó: (n-d+1) phương trình K2 độc lập nhau có thể đạt được bằng cách viết (n-d+1) phương trình K2 viết cho (n-d+1) mắt lưới.
  38. 37 Ví dụ 2.14: Cho một mạch điện như hình vẽ gồm 4 nhánh: Hình 15: ví dụ 2.19 Ta có I1.R1 I 2 .R2 I 3 .R3 I 4 .R4 E1 E2 E3 0 Trong đó, chiều dương của mạch vòng được chọn như hình vẽ Như vậy, “Đi theo 1 vòng khép kín, theo 1 chiều tùy ý, tổng đại số các điện áp rơi (sụt áp) trên các phần tử bằng tổng đại số các suất điện động trong mạch vòng, trong đó những suất điện động và dòng điện có chiều trùng với chiều đi vòng sẽ lấy dấu (+), còn ngược lại mang dấu (-)”  R.I  E 4.3.3. Phương pháp dòng nhánh Nếu có m điểm nút sẽ lập được (m-1) phương trình độc lập. Gọi số nhánh của mạch điện là n thì ta có n ẩn số vì dòng điện mỗi nhánh là 1 ẩn Như vậy, số phương trình còn lại cần lập là: n – (m-1) = M Giải mạch điện bằng phương pháp dòng nhánh nói chung gồm các bước sau: Bước 1: Xác định số nút m = ?, số nhánh n = ? Bước 2: Quy ước chiều dòng điện nhánh, mỗi dòng là 1 ẩn. Bước 3: Viết phương trình Kirchhoff 1 cho (m-1) nút đã chọn Bước 4: Viết phương trình Kirchhoff 2 cho n- (m-1) mạch vòng Bước 5: Giải hệ n phương trình đã thiết lập, ta tìm ra được đáp số của dòng điện các nhánh. Đối với đáp số âm, ta nên hiểu là chiều thực tế ngược với chiều đã chọn ban đầu
  39. 38 Ví dụ 2.15: Cho mạch điện như hình vẽ có: E 1 = 125V; E2 = 90V; R1 = 3; R2 = 2; R3 = 4. Tìm dòng điện trong các nhánh và điện áp đặt vào tải R3 Hình 2.20: ví dụ 2.15 Giải: Bước 1: m = 2, n = 3 Bước 2: Chọn chiều dòng điện I1 , I2 , I3 như hình vẽ Bước 3: Viết phương trình Kirchhoff 1 cho điểm A : I1 I 2 I 3 0 1 Bước 4: Viết phương trình Kirchhoff 2 cho mạch vòng: I1.R1 I 3 .R3 E1 2 I 2 .R2 I 3 .R3 E2 3 E1 I 3 .R3 2 I1 R1 I 3 .R3 E2 3 I 2 R2 Giải hệ phương trình ta tìm được: I 3 20 A ; I1 15 A ; I 2 5 A Như vậy, chiều thực của I2 ngược với chiều đã chọn Điện áp đặt vào tải R3: U AB I3 .R 3 20.4 80 V
  40. 39 Ví dụ 2.16: Cho mạch điện như hình vẽ:E 1 = 35V; E2 = 95V; E4 = 44V; R2 = 50; R3 = 10; R4 = 12. Tìm dòng điện trong các nhánh Hình 2.21: ví dụ 2.16 Giải: Áp dụng định luật Kirchhoff 1, ta có: I1 I 2 I 3 I 4 0 1 Áp dụng định luật Kirchhoff 2, ta có: Đối với vòng 1 : I 2 .R2 E1 E2 Đối với vòng 2 : I 3 .R3 E1 Đối với vòng 3 : I 4 .R4 E4 E1 Thay số vào: I1 5,35 A ; I 2 2,6 A ; I 3 3,5 A ; I 4 0,75 A 4.3.4. Phương pháp điện áp nút Ta có sơ đồ mạch điện như hình vẽ 2.22: Hình 2.22: phương pháp thế nút Theo sơ đồ này, ta có điểm nút là A, B, C Mặc khác, khi chọn thông số, ta có thể tùy ý chọn 1 nút nào đó có điện thế bằng 0. Chẳng hạn, ở đây ta chọn C 0 (vì có nối đất) Như vậy, bây giờ chỉ còn lại 2 điểm nút là A và B tương ứng có điện áp là A và B
  41. 40 Từ đó, ta tính được dòng điện trong các nhánh: E1 U AC I1 E1 A .g1 R1 E2 U BA I 2 E2 B A .g 2 R 2 U AB I 3 A B .g3 R 3 E4 U AC I 4 E4 A .g 4 R 4 U BC I 5 B .g5 R 5 E6 U BC I 6 E6 B .g 6 R 6 Áp dụng định luật Kirchhoff 1 tại nút A, ta có: I1 I 2 I 3 I 4 0 Thay biểu thức các dòng điện vào ta có: E1 A .g1 E2 B A .g2 A B .g3 E4 A .g4 0 A g1 g 2 g3 g 4 B g 2 g3 E1.g1 E2 .g 2 E4 .g 4 Đặt g AA g1 g 2 g3 g 4 : là tổng điện dẫn các nhánh nối tới nút A g AB g 2 g3 : là tổng điện dẫn nối trực tiếp giữa hai nút A và B  E.g E1.g1 E2 .g 2 E4 .g 4 : là tổng nguồn dòng hướng tới nút A TaA có: (*) g AA . A g AB . B  E.g A Tương tự, áp dụng định luật Kirchhoff 1 tại nút B, ta có: I 2 I 3 I 5 I 6 0 Thay dòng điện các nhánh vào trong phương trình, ta có: E2 B A .g 2 A B .g3 B .g5 E6 B .g 6 0 B g 2 g3 g5 g 6 A g 2 g3 E2 .g 2 E6 .g 6 Đặt g BB g 2 g3 g5 g 6 : là tổng điện dẫn nối tới nút B g AB g 2 g3 : là tổng điện dẫn nối trực tiếp giữa hai nút A và B  E.g E2 .g 2 E6 .g 6 : là tổng nguồn dòng hướng tới nút A TaB có: (*) g AB . A g BB . B  E.g B Giải hệ phương trình (*) và (*) với hai ẩn A và B , ta sẽ tính ra dòng điện các nhánh. Nói chung, giải mạch điện bằng phương pháp điện thế nút gồm các bước sau: Bước 1: Xác định số nút m Bước 2: Chọn 1 nút bất kỳ có điện thế biết trước.
  42. 41 Bước 3: Tính tổng dẫn của các nhánh nối từ mỗi nút và tính tổng dẫn chung của các nhánh giữa hai nút và điện dẫn của các nhánh có nguồn Bước 4: Thành lập hệ phương trình điện thế nút Bước 5: Giải hệ phương trình ta được điện thế của mỗi nút Bước 6: Tính dòng điện trong các nhánh Ví dụ 2.17: Cho mạch điện như hình vẽ có : E 1 = 125V; E2 = 10V; R1 = 3; R2 = 2; R3 = 4 . Tìm dòng điện trên các nhánh điện áp đặt vào tải R 3 bằng pp điện thế nút Hình 2.23: ví dụ 2.17 Giải: Giả thiết B 0 , U AB A Điện áp giữa hai nút A và B 125 90 E.g  E .g E .g U A 1 1 2 2 3 2 80 V AB g g g g 1 1 1  AA 1 2 3 3 2 4 Dòng điện trong các nhánh: E1 U AB 125 80 I1 15 A R1 3 E2 U AB 90 80 I 2 5 A R 2 2 U AB 80 I 3 20 A R 3 4
  43. 42 4.3.5. Phương pháp dòng điện vòng (dòng mắt lưới) Xét một mạch điện như hình vẽ 2.30: Gọi I1; I 2 ; I 3 ; I 4 ; I 5 là dòng điện của mỗi nhánh Gọi I a ; I b ; I c là dòng điện của mỗi vòng Nhìn trên hình vẽ, ta thấy: I1 I a ;;I 2 Ib I 3 I c I 4 I a I c ; I 5 I c I b Hình 2.30: Phương pháp dòng điện vòng Áp dụng định luật Kirchhoff II: Đối với vòng ADBA: I a R1 I a R 4 I c R4 E1 (1) Đối với vòng BECB: I b R2 I b R 5 I c R5 E2 (2) Đối với vòng ABCA: I a R4 I b R 5 I c R3 I c R4 I c R5 0 (3) Giải hệ phương trình (1) , (2) , (3) ta xác định được I a ; I b ; I c * Các bước giải theo phương pháp dòng điện mạch vòng như sau: Bước 1: Xác định (m – n + 1) mạch vòng độc lập và tuỳ ý vẽ chiều dòng điện mạch vòng, thông thường nên chọn chiều các dòng điện mạch vòng giống nhau, thuận tiện cho việc lập hệ phương trình. Bước 2: Viết phương trình Kirchhoff II cho mỗi mạch vòng theo các dòng điện mạch vòng đã chọn Bước 3: Giải hệ phương trình vừa thiết lập, ta có dòng điện mạch vòng Bước 4: Tính dòng điện các nhánh theo dòng điện mạch vòng như sau: dòng điện mỗi nhánh bằng tổng đại số dòng điện mạch vòng chạy qua nhánh ấy Ví dụ 2.9: Xác định dòng điện các nhánh của mạch điện như hình vẽ 2.30. Biết E1 120V ; E2 110V ; r1 r2 1 ; r3 2 ; r4 9 ; r5 4 Giải: Giải bằng phương pháp dòng điện vòng Từ đó, lập được hệ phương trình (1, 2, 3) như ở trên Thay số vào, ta có: I a 1 9 I c 9 120 (4)
  44. 43 I b 1 4 I c 4 110 (5) I a 9 I b 4 I c 2 9 4 0 (6) Từ (4) và (5) rút ra I a ; I b rồi thay vào (6) ta tính được I c 5,4 A 120 5,4.9 Thay vào (4) rút ra: I 16,86 A a 10 110 5,4.4 Thay vào (5) rút ra: I 17,68 A b 5 Dòng điện trong các nhánh: I1 I a 16,86 A ;;I 2 I b 17,68 A I 3 I c 5,4 A I 4 I a I c 16,86 5,4 11,46 A I 5 I c I b 17,68 5,4 23,08 A
  45. 44 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ CHƯƠNG 2: 1. Nội dung: + Về kiến thức: - Nguồn điện một chiều và chiều quy ước, dòng điện một chiều, điện áp. - Một số yếu tố cấu thành mạch điện - Cường độ điện trường. - Một số định luật về mạch điện (Định luật ôm, Định luật Joule – Lenz ) - Một số phương pháp giải mạch điện (Phương pháp biến đổi tương đương, áp dụng định luật ) + Về kỹ năng: - Giải bài tập cơ bản về mạch điện một chiều + Thái độ: Tỉ mỉ, cẩn thận, chính xác. 2. Phương pháp: - Kiến thức: Được đánh giá bằng hình thức kiểm tra viết, trắc nghiệm - Kỹ năng: Đánh giá kỹ năng tính toán các bài tập - Thái độ: Đánh giá phong cách học tập
  46. 45 Bài tập Bài 1: Cho mạch điện như hình 2.31: Hình 2.31: Bài tập 1 Tìm: Điện áp V1 ; Công suất trên điện trở 2 ? Hướng dẫn giải Ap dụng phương pháp thế nút ta có: 1 1 1 ( + ) Va - Vb =2 4 2 2 1 1 1 V1 Va -Va + ( + )Vb = 2 2 8 3 3 V1 = Va V1 = Va = 24 V ; Vb =32 V 2 32 24 P2 * 2 32W 2 Bài 2: Cho mạch điện như hình 2.32. Tìm U và I1 Hình 2.32: Bài tập 2 Hướng dẫn giải Ap dụng phương pháp thế nút 1 1 1 10 - 2I U ( ) U 1 a 10 8 8 b 1 1 1 1 0 U ( ) U b 8 6 3 8 a U I b 1 3 Ua = 30V Ub= 6V I1 = 2A ; U = 30V
  47. 46 Bài 3: Cho mạch điện như hình 2.33: Tính công suất trên điện trở R? Hình 2.33: Bài tập 3 Hướng dẫn giải Dùng phương pháp biến đổi tương đương ta có: Rtđ = 10  I1 = 3A ; I2 = 1,5A ;I = 1A I3 = I2 – I = 1,5 – 1 = 0,5A U = 4V Bài 4. Cho mạch điện như hình 2.36: Tính điện áp u Hình 2.34: Bài tập 4 Hướng dẫn giải Dùng phương pháp biến đổi tương đương ta có: 5 u .4 2V 1 6 4 u 24 u 1 . .6 3V 3 24 6 2 Bài 5. Cho mạch điện như hình 2.35: Tính dòng điện I1 và u 0? Hình 2.35: Bài tập 5
  48. 47 Hướng dẫn giải Dùng phương pháp biến đổi tương đương ta có: u 6 I 0 4 4A 2 6 3 u 0 1.I 4V u 0 3 I1 4 2A 2 6 3 Bài 6. Cho mạch điện như hình 2.36 Tính dòng điện Ix và điện áp u0? Hình 2.36: Bài tập 6 Hướng dẫn giải Dùng phương pháp biến đổi tương đương ta có: 3 I 6 4I . 1A x 3 3 3 12 3 I I A x 12 4 4 u 0 I.(3 3) 6V Bài 7. Cho mạch điện như hình vẽ: Hình 2.37: Bài tập 7 Tính dòng điện I ? Hướng dẫn giải Ap dụng phương pháp dòng mắt lưới ta có: Ia = 2A; I c= 5A Ib(4+1+3) +Ia(4+1) +Ic(1+3) =38 Ib = 1A I = Ib +Ic = 6A
  49. 48 Bài 8. Cho mạch điện như hình 2.38: Cho R1 =3 ; R2 ; R4 = 26 ; U = 12V , J = 4ª Tìm dòng điện I Hình 2.38: Bài tập 8 Hướng dẫn giải Ap dụng phương pháp thế nút ta có: Ub 12 Ua =8(V) ; Ub=12(V); I= 2(A) R 4 6 Bài 9. Cho mạch điện như hình 2.39 Tìm dòng điện I2; I1; I ? Hình 2.39: Bài tập 9 Hướng dẫn giải Ap dụng phương pháp thế nút ta có: ua = 48V ; ub = 16V 48 16 24 48 I 6A ; I 2A ; I 3A 8 1 8 2 8 Bài 10. Cho mạch điện như hình 2.40 Tìm dòng điện I1 ? Hình 2.40: Bài tập 10
  50. 49 Hướng dẫn giải Ap dụng phương pháp dòng mắt lưới: Ia = 12 A, Ic = 2 A, Id = 6I1 = 6(-12-Ib) Ib(10+40+20) + Ia10 +Ic2 +40Id = 0 Ib = -16 A I1 = 4 A Bài 11. Cho mạch điện như hình 2.41 Tìm điện áp V1 ,V2 ,V3 ? Hình 2.41: Bài tập 10 Hướng dẫn giải Ap dụng phương pháp thế nút ta có: Va = 20 V Vb = - 4V Va = V3 = 20 V Vb = V2 = - 4V V1 = Va – Vb = 20 – (-4) = 24 V
  51. 50 CHƯƠNG 3 TỪ TRƯỜNG VÀ CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ Mã bài: MH8-03 Giới thiệu: Trong thực tế phần lớn các thiết bị điện, máy điện làm việc nhờ sự tác dụng của từ trường, việc nghiên cứu về từ trường và cảm ứng điện từ giúp người học hiểu rõ hơn về các thiết bị điện để từ đó tính toán, sửa chữa và cải tiến, sang tạo ra các thiết bị điện, mạch điện, mạch máy. Cảm ứng điện từ là cơ sở để hiểu và nghiên cứ về mạch điện, máy phát điện và động cơ điện Mục tiêu: - Trình bày được khái niệm về từ trường, các đại lượng đặc trưng của từ trường. - Trình bày được khái niệm về lực từ, các hiện tượng cảm ứng từ, tự cảm và hỗ cảm. - Rèn luyện tính tư duy, sáng tạo trong học tập Nội dung chính. 1. Đại cương về từ trường Mục tiêu: - Biết và giải thích được một số khái niệm về từ trường của nam châm vĩnh cửu - Áp dụng giải bài tập cơ bản về từ trường và cảm ứng điện từ. - Có ý thức tự giác trong học tập 1.1. Tương tác từ Đặt một kim nam châm gần một dây dẫn có dòng điện I chạy qua, thì ta thấy kim nam châm sẽ bị quay lệch đi. Khi đổi chiều dòng điện qua dây, kim nam châm lệch theo chiều ngược lại. Mặt khác, nếu ta đưa một thanh nam châm lại gần một cuộn dây có dòng điện, thì cuộn dây có thể bị hút hoặc bị đẩy bởi thanh nam châm Như vậy, xung quanh dây dẫn mang dòng điện có tồn tại một từ trường, và biểu hiện của nó là tác dụng lực lên kim nam châm hay dây dẫn mang điện khác. Lực đó gọi là lực tương tác từ Thực nghiệm ở trên đã chứng tỏ rằng xung quanh dây dẫn mang dòng điện, hay tổng quát hơn: xung quanh các hạt điện tích chuyển động luôn luôn tồn tại 1 từ trường. Ngược lại, từ trường cũng chỉ xuất hiện ở những nơi có điện tích chuyển động.
  52. 51 1.2. Khái niệm về từ trường - Từ trường là một dạng vật chất tồn tại trong không gian mà biểu hiện cụ thể là sự xuất hiện của lực từ tác dụng lên nam châm hay một dòng điện đặt trong nó . - Đặc trưng của từ trường là cảm ứng từ ký hiệu là đơn vị của cảm ứng từ là T ( Tesla) - Quy ước : Hướng của từ trường tại một điểm là hướng Nam - Bắc của kim nam châm cân bằng tại điểm đó 1.3. Đường sức từ - Đường sức từ là những đường vẽ trong không gian có từ trường sao cho tiếp tuyến tại mỗi điểm có hướng trùng với hướng của của từ trường tại điểm đó. - Tập hợp các đường sức của từ trường gọi là từ phổ. Chiều của đường sức đi ra ở cực Bắc N và đi vào ở cực Nam S - Quy ước : Vẽ các đường cảm ứng từ sao cho chỗ nào từ trường mạnh thì các đường sức dày và chỗ nào từ trường yếu thì các đường sức từ thưa . N N S S Hình 3.1: Đường sức từ 2. Từ trường của dòng điện Mục tiêu: - Biết và giải thích được một số khái niệm về từ trường của dòng điện - Áp dụng giải bài tập cơ bản về từ trường và cảm ứng điện từ. - Có ý thức tự giác trong học tập 2.1.Từ trường của dây dẫn thẳng - Đường sức từ của dòng điện trong dây dẫn thẳng là những vòng tròn đồng tâm nằm trong mặt phẳng vuông góc với trục dây dẫn, tâm vòng tròn nằm ở trục dây dẫn.
  53. 52 Hình 3.2: Từ trường của dây dẫn thẳng - Chiều của đường sức từ xác định theo quy tắc vặn nút chai: “Vặn cho cái mở nút chai tiến theo chiều dòng điện thì chiều quay của cán vặn nút chai sẽ là chiều của đường sức” Hình 3.3: Từ trường của vòng dây 2.2. Từ trường của vòng dây, ống dây Đường sức từ của dòng điện trong vòng dây tròn là các đường cong kín bao quanh dây dẫn, nằm trong mặt phẳng pháp tuyến đi qua tâm vòng dây. Riêng đường sức đi qua tâm dây là một đường thẳng trùng với trục của vòng dây. Chiều của đường sức từ trong vòng dây được xác định theo quy tắc vặn nút chai Hình 3.4: Từ trường của ống dây Từ trường của dòng điện trong ống dây: Đường sức từ tương tự như của vòng dây. Nếu chiều dài ống dây lớn hơn nhiều so với đường kính ống dây thì đường sức trong lòng ống dây song song với nhau. 3. Các đại lượng đặc trưng của từ trường Mục tiêu: - Biết và giải thích được một số đặc trưng cơ bản của từ trường - Áp dụng giải bài tập cơ bản về từ trường và cảm ứng điện từ. - Có ý thức tự giác trong học tập
  54. 53 3.1. Sức từ động Dòng điện là nguồn tạo ra từ trường, khả năng gây từ của dây dẫn có dòng điện được gọi là lực từ hóa hay sức từ động (stđ) của dây dẫn và ký hiệu là F. Nếu cuộn dây có W vòng dây thì lực từ hóa mạnh gấp W lần dây dẫn có cùng dòng điện. Như vậy, sức từ động F tỷ lệ với số vòng của cuộn dây có dòng điện F I .W (3.1) Nếu cho I = 1A, W = 1vòng thì F = 1A.vòng Đơn vị của sức từ động F là Ampe_vòng (A.vg) hay gọi tắt là Ampe (A) Chiều của sức từ động là chiều của đường sức trong lòng cuộn dây. Do đó, nó được xác định bằng quy tắc vặn nút chai 3.2. Cường độ từ trường, cường độ từ cảm Cường độ từ trường: Cường độ từ trường đặc trưng cho độ mạnh của từ trường tại điểm đang xét Cường độ từ trường là một đại lượng vectơ xác định như sau : - Phương của H : Là phương của tiếp tuyến với đường sức tại điểm xét - Chiều của H : Cùng chiều với đường sức từ qua điểm xét Độ lớn: tỷ lệ với dòng điện từ hóa và phụ thuộc vào dây dẫn mang điện cũng như vị trí của điểm xác định Cường độ từ trường H được xác định bởi sức từ động phân bổ trên một đơn vị dài F I .W H (3.2) l l F Ampe Đơn vị: H  A/ m l met Cường độ tự cảm: Đại lượng đặc trưng cho tác dụng lực của từ trường là cường độ tự cảm, hay cảm ứng từ, ký hiệu là B F H B (3.3) I .l I Nếu cho F = 1N, I = 1A, l = 1m thì B = Tesla (T) Tesla là cường độ tự cảm tại 1 điểm nếu đặt tại đó dây dẫn dài 1 mét, mang dòng điện 1 Ampe sẽ chịu tác dụng một lực bằng 1 Newton
  55. 54 3.3. Vật liệu từ Phân loại: Căn cứ vào hệ số từ môi ( tương đối, người ta chia vật liệu từ ra làm 3 loại : - vật liệu từ thường - vật liệu sắt từ: gồm vật liệu sắt từ mềm và vật liệu sắt từ cứng a) Vật liệu từ thường: Vật liệu từ thường là vật liệu từ có hệ số (xấp sỉ bằng đơn vị. Ở các loại vật liệu này, môi trường có ảnh hưởng không đáng kể đến từ trường. Vật liệu từ được chia làm 2 loại: - vật liệu thuận từ: có ( > 1 như không khí, nhôm, thiếc) Từ trường trong vật liệu thuận từ hơi lớn hơn so với trong môi trường chân không một chút. - vật liệu nghịch từ: có ( < 1, như đồng, chì, bạc, kẽm) Từ trường trong vật liệu nghịch từ hơi nhỏ hơn trong chân không một chút Chẳng hạn, đối với đồng (= 0.999995) b) Vật liệu sắt từ: Vật liệu sắt từ là loại vật liệu từ có hệ số từ môi ( lớn hơn đơn vị rất nhiều (từ vài trăm đến vài vạn) và phụ thuộc vào cường độ từ trường Vật liệu sắt từ: Vật liệu sắt từ được chia ra theo tính chất kỹ thuật: Vật liệu sắt từ mềm: Đặc điểm của loại vật liệu từ mềm : - Từ trường khử từ nhỏ (< 400 A/m) - Hằng số từ môi  lớn - Tổn hao từ trễ nhỏ Vật liệu sắt từ mềm gồm có thép kỹ thuật điện, thép ít carbon, lá thép kỹ thuật điện, hợp kim sắt kền có hệ số từ môi cao, oxit sắt từ (ferit) - Thép kỹ thuật (gang): được dùng làm mạch từ trong từ trường không đổi. - Thép kỹ thuật điện: là hợp kim của sắt và silic (1 – 4%),  = 7500 - Pecmaloi: là hợp kim của sắt - niken, ngoài ra còn có crom, silic, nhôm Pecmaloi có hằng số từ môi  lớn gấp (10 - 12 lần) so với các lá thép kỹ thuật điện  = 6000 - Ferit: gồm bột oxit sắt, kẽm và một số nguyên tố khác. Ferit có điện trở suất lớn nên trong thực tế có thể coi như không dẫn điện nên
  56. 55 dòng điện điện xoáy chạy trong ferit rất nhỏ và cho phép dùng ferit làm mạch từ. Vật liệu sắt từ cứng: Đặc điểm của loại này là có từ dư lớn. Vật liệu sắt từ cứng được dùng để chế tạo nam châm vĩnh cửu 4. Lực từ Mục tiêu: - Biết và giải thích được khái niệm về lực điện từ - Áp dụng giải bài tập cơ bản về lực điện từ - Có ý thức tự giác trong học tập 4.1. Công thức Amper Khi đặt dây dẫn thẳng có dòng điện vuông góc với đường sức của từ trường thì sẽ xuất hiện lực điện từ tác dụng lên dây dẫn được xác định như sau I N F B S Hình 3.5: Lực điện từ - Về trị số: Lực điện từ tỷ lệ với cường độ tự cảm, độ dài dây dẫn và cường độ dòng điện F B . I .l (3.4) Đơn vị: F (N), B (T), I (A), l (m) 4.2. Qui tắc bàn tay trái Về phương và chiều của lực tác dụng được xác định theo quy tắc bàn tay trái: “Ngửa bàn tay trái cho đường sức từ xuyên vào lòng bàn tay, chiều của 4 ngón tay duỗi thẳng theo chiều dòng điện, thì ngón tay cái doãi ra sẽ chỉ chiều của lực điện từ” - Trong trường hợp dây dẫn không đặt vuông góc với vectơ cảm ứng từ B mà 0 lệch nhau một góc ≠ 90 , vectơ B thành hai thành phần: Bt và Bn
  57. 56 Bt F B Bn Hình 3.6: Lực điện từ theo quy tắc bàn tay trái + Thành phần tiếp tuyến Bt: song song với dây dẫn + Thành phần Bn: Gây nên lực điện từ Trong trường hợp này, trị số lực F được xác định theo công thức sau : F B .I .l B.I .l.sin (3.5) n Phương, chiều của lực F được xác định bằng quy tắc bàn tay trái đối với thành phần Bn 4.3. Lực từ tác dụng lên hai dây dẫn thẳng song song Giả sử có hai dây dẫn thẳng, đặt song song nhau, cách nhau một khoảng là d, có dòng điện I1, I2 qua chúng Giả sử I1 và I2 cùng chiều: d I I Hình 3.7: Lực tác dụng lên 2 dây dẫn song song 1 2 F Dòng điện I 1 tạo ra từ trường B 1 tại chỗ đặt dây dẫn có 2 F1 dòng điện I2.Ngược lại, Dòng điện I 2 tạo ra từ trường B 2 tại chỗ đặt dây dẫn có dòng điện I1. I1 I 2 B1  0 ; B2  0 (3.6) 2 d 2 d Từ trường B1 tác dụng lên dây dẫn có dòng điện I2 một lực F1 I1 F1 B1.I 2 .l  0 I 2 .l (3.7) 2 d Từ trường B2 tác dụng lên dây dẫn có dòng điện I1 một lực F2 I 2 F2 B2 .I1.l  0 I1.l (3.8) 2 d l: chiều dài của khoảng song song của 2 dây dẫn 4.4. Ứng dụng Lực điện từ thường được áp dụng trong việc nghiên cứu và giải thích nguyên lý làm việc của máy điện một chiều, máy điện không đồng bộ ba pha, ly hợp điện từ
  58. 57 5. Hiện tượng cảm ứng điện từ Mục tiêu: - Biết và giải thích được khái niệm cảm ứng điện từ - Áp dụng giải bài tập cơ bản về cảm ứng điện từ - Có ý thức tự giác trong học tập 5.1. Từ thông Tích của cường độ từ cảm xuyên qua vuông góc với mặt phẳng S, đó gọi là thông lượng từ trường hay từ thông qua mặt S, ký hiệu là   B.S (3.9) Nếu cảm ứng từ B đặt xiên 1 góc so với mặt phẳng S, hình chiếu của vectơ B lên phương vuông góc với mặt S là Bn Bn B.cos với là góc hợp bởi đường sức và phương vuông góc với mặt phẳng S. Từ đó: Từ đó:  Bn .S B.S.cos (3.10) V.s Đơn vị:  B.S m2 V.s Wb m2 Bn B Hình 3.8: Từ thông F 5.2. Công của lực điện từ Hình 3.9: Công của lực điện từ Như hình minh hoạ, dưới tác dụng của lực từ F, thanh dẫn mang dòng điên I di chuyển một đoạn là r. Lực tác động gây chuyển động sẽ sinh công. Công A = F .r (3.11) Mà F = B.I.l suy ra: A = B.I.(l.r) = B.I.(SMNPQ) = I.Ф với Ф là từ thông quét qua mặt SMNPQ.
  59. 58 Phát biểu: “Công của lực điên từ bằng tích số cường độ dòng điên I trong thanh dẫn và từ thông Ф do thanh dẫn quét ngang qua”. 5.3. Hiện tượng cảm ứng điện từ Thí nghiệm: Lấy một ống dây điện (gồm nhiều vòng) mắc nối tiếp với một điện kế G thành một mạch kín. Phía trên ống dây ta đặt một thanh nam châm có hai cực là cực Bắc (N) và cực Nam (S). Thí nghiệm chứng tỏ : Nếu di chuyển thanh nam châm vào trong ống dây, kin của điện kế G bị lệch đi. Điều đó chứng tỏ trong ống dây xuất hiện một dòng điện. Dòng điện đó gọi là dòng cảm ứng,IC Hình 3.10: Hiện tượng cảm ứng điện từ Nếu rút thanh nam châm ra xa khỏi ống dây thì kim điện kế G lệch theo chiều ngược lại. Điều đó chứng tỏ là dòng điện cảm ứng đổi chiều. Nếu đang dịch chuyển nam châm bỗng đột ngột dừng lại, điện kế G nhanh chóng về 0 (IC = 0). Chứng tỏ, dòng cảm ứng mất nhanh. Nếu thay nam châm bằng một ống dây có dòng điện chạy qua, rồi tiến hành các thí nghiệm như trên, ta cũng có những kết quả tưuơng tự. Phát biểu định luật (định luật Lenz) : “Dòng điện cảm ứng phải có chiều sao cho từ trường (từ thông) do nó sinh ra có tác dụng chống lại sự biến thiên từ thông đã sinh ra nó” Giải thích: - Khi nam châm (cực Bắc) di chuyển vào trong ống dây thì do nam châm gửi có chiều từ trên xuống dưới tăng lên, trong vòng dây xuất hiện dòng điện cảm ứng. Theo định luật Lenz, dòng điện cảm ứng IC sẽ sinh ra từ trường B' phải ngược chiều với từ trường B của nam châm. Vì vậy, B' phải hướng từ dưới lên trên, có chiều như hình vẽ.
  60. 59 - Trong trường hợp khi ta đưa nam châm ra xa ống dây, từ trường B do nam châm gởi đến ống dây đang giảm. Trong ống dây xuất hiện dòng điện cảm ứng. Để chống lại sự giảm của cảm ứng từ B thì ống dây sẽ sinh ra một cảm ứng từ B' cùng chiều với B . Do đó, chiều dòng điện được xác định như hình vẽ. Hình 3.11: Thí nghiệm hiện tượng cảm ứng điện từ 5.4. Sức điện động cảm ứng Giả sử có vòng dây với từ thông suyên qua là  Quy ước chiều dương cho vòng dây như sau : vặn cho cái mở nút chai tiến theo chiều của đường sức, chiều quay của cán mở nút chai sẽ là chiều dương của vòng. Với quy ước đó, sức điện động cảm ứng trong vòng dây khi có từ thông d biến thiên được xác định theo công thức: e (3.12) dt  Hoặc theo công thức gần đúng: e (3.13) t Trong đó :  : là số gia biến thiên từ thông trong thời gian t Nghĩa là: “sức điện động cảm ứng xuất hiện trong vòng dây bằng tốc độ biến thiên từ thông qua nó, nhưng ngược dấu” Dấu “-” thể hiện sức điện động cảm ứng luôn luôn có xu hướng chống lại sự biến thiên từ thông. Đơn vị : e (V),  (Wb), t (s) Giả sử có một dây dẫn thẳng dài l, chuyển động trong từ trường đều có từ cảm B với tốc độ v vuông góc với đường sức như hình vẽ Ta coi dây dẫn được khép kín qua một vòng lớn với cạnh đối diện với dây dẫn nằm ở vị trí có cường độ từ cảm B = 0 Như vậy, từ thông qua vòng kín chứa dây dẫn biến thiên một lượng :  B. S B.l. b B.l.v. t Trong dây dẫn sẽ xuất hiện sức điện động cảm ứng có trị số : e B.l.v (3.14)
  61. 60 Đơn vị: e (V), B(T), l (m), v (m/s) “sức điện động cảm ứng trong dây dẫn thẳng chuyển động vuông góc với đường sức từ, tỷ lệ với cường độ từ cảm B, chiều dài dây dẫn l nằm trong từ trường và tốc độ chuyển động v của dây dẫn” + Quy tắc bàn tay phải: Chiều của sức điện động được xác định bằng quy tắc bàn tay phải : “cho đường sức đâm vào lòng bàn tay, ngón cái doãi ra theo chiều chuyển động của dây dẫn thì chiều chuyển động của bốn ngón tay còn lại là chiều của sức điện động cảm ứng” e vn d v vt B Hình 3.12: chiệu của sức điện động cảm ứng Trong trường hợp dây dẫn chuyển động xiên góc với đường sức từ, B,v 900 Hình 3.13: quy tắc bàn tay phải Ta phân v làm hai thành phần: - Thành phần // với B - Thành phần vuông góc với B gọi là thành phần pháp tuyến v nlà Nguyên nhân gây ra sức điện động cảm ứng. (3.15) e B.l.vn B.l.v.sin
  62. 61 6. Hiện tượng tự cảm và hỗ cảm Mục tiêu: - Biết và giải thích được hiện tượng hỗ cảm - Biết sự áp dụng hiện tượng này trong thực tế - Có ý thức tự giác trong học tập 6.1. Từ thông móc vòng và hệ số tự cảm Cuộn dây khi có dòng điện đi qua sẽ tạo ra từ thông móc vòng qua nó. Từ thông này gọi là từ thông tự cảm, ký hiệu L Tỷ số giữa từ thông tự cảm L với dòng điện I chạy qua cuộn dây gọi là hệ số tự cảm (hay điện cảm) của cuộn dây, ký hiệu: L  L L I (3.16) Hệ số tự cảm phụ thuộc vào hình dạng kích thước của mạch điện và môi trường đặt mạch điện. Đơn vị: L (H),  (Wb), I (A) 1Wb 1H 1A Vậy: Henry là một hệ số tự cảm của một mạch kín khi dòng điện cường độ 1A chạy qua thì sinh ra trong chân không từ thông bằng 1Webe qua mạch đó. Đối với cuộn dây hình xuyến, có tiết diện S thì từ thông trong lòng xuyến là: I.W  B.S  0 . S (3.17) l Từ thông tự cảm của cuộn dây: I.W 2  L  .W  0 . S (3.18) l trong đó: W là số vòng dây Điện cảm của cuộn dây :  W 2 L L   . S I 0 l (3.19) 6.2. Sức điện động tự cảm Khi cho một dòng điện biến đổi đi qua một cuộn dây, từ thông qua cuộn dây biến đổi. do đó trong cuộn dây sẽ xuất hiện sức điện động cảm ứng gọi là sức điện động tự cảm, ký hiệu là eL . d L d L.I di eL L. (3.20) dt dt dt Dấu “-” thể hiện chiều của sức điện động cảm ứng
  63. 62 Năng lượng từ trường bên trong cuộn dây: Giả sử lúc đầu mạch đã được đóng kín, trong mạch có một dòng điện không đổi I. Khi đó, toàn bộ năng lượng do dòng điện sinh ra đều biến thành nhiệt. Ký hiệu năng lượng tích luỹ trong từ trường là WM 1 W L I M 2 (3.21) Đơn vị: L (H), I (A), W (J) 6.3. Hệ số hỗ cảm      W W W1 2 W1 1 Hình 3.14: Hiện tượng hỗ cảm Xét hai cuộn dây W1 và W2 ở gần nhau Khi cuộn W1 có dòng điện điện i 1 chạy qua thì ngoài phần từ thông  11 móc vòng qua chính nó thì còn có một phần từ thông  12 móc vòng qua cuộn W2 Khi đó, từ thông 12 được gọi là từ thông móc vòng hỗ cảm Tương tự, cuộn dây W2 có dòng điện i2 chạy qua, xuất hiện từ thông 21 móc vòng qua cuộn N1, từ thông 21 được gọi là từ thông móc vòng hỗ cảm Từ thông móc vòng hổ cảm từ cuộn W1 sang cuộn W2 :  W . 12 2 12 (3.22) Từ thông móc vòng 12 tỷ lệ với dòng điện i1 , i1 càng lớn thì 12 càng lớn. Tỷ số giữa 12 và i1 đặc trưng cho mức độ quan hệ hỗ cảm từ cuộn W 1 sang cuộn W2 được gọi là hệ số hỗ cảm từ cuộn W1 sang cuộn W2 , ký hiệu M12  M 12 (3.23) 12 i 1 Hệ số hỗ cảm từ cuộn W2 sang cuộn W1:  M 21 (3.24) 21 i 2 Theo nguyên lý hỗ cảm ta có:   M M M 12 21 (3.25) 12 21 i i 1 2 trong đó : M là hệ số hỗ cảm giữa hai cuộn dây trong trường hợp cuộn dây là phi tuyến thì hệ số hỗ cảm M: d d   (3.26) M 12 21 12 21 d i1 d i2 i1 i2
  64. 63 6.4. Sức điện động hỗ cảm Theo định luật cảm ứng điện từ ta có: d 12 d i1 e12 M (3.27) d t dt d 21 d i2 e21 M (3.28) d t dt Như vậy: “ trị số sức điện động hỗ cảm tỷ lệ với tốc độ biến thiên dòng điện trong các cuộn dây và hệ số hỗ cảm giữa chúng ”
  65. 64 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ CHƯƠNG 3: 1. Nội dung: + Về kiến thức: - Từ trường của nam châm vĩnh cửu, từ trường của dòng điện - Lực điện từ, cảm ứng điện từ - Hiện tượng hỗ cảm. + Về kỹ năng: - Giải bài tập cơ bản về từ trường và cảm ứng điện từ + Thái độ: Tỉ mỉ, cẩn thận, chính xác. 2. Phương pháp: - Kiến thức: Được đánh giá bằng hình thức kiểm tra viết, trắc nghiệm - Kỹ năng: Đánh giá kỹ năng tính toán các bài tập - Thái độ: Đánh giá phong cách học tập
  66. 65 Bài tập Bài 3.1: Dây dẫn có dòng điện I = 200A, đặt trong từ trường đều có B = 0,8T. Phần dây dẫn nằm trong từ trường dài l = 0,5m. Xác định lực tác dụng lên dây biết = 300 Hướng dẫn giải: Lực điện từ: (3.5) ta có F B.I .l.sin 0,8.200.0,5.sin300 40 N Bài 3.2: Cho đoạn dây dẫn dài l = 20cm, có dòng điện I = 20A, đặt trong từ trường, bị đẩy bởi một lực 0,98N. Tìm cường độ từ cảm B. Hướng dẫn giải: Cường độ từ cảm B : F 0,98 F B.I .l B 0,245 N I .l 20.20.10 2 Bài 3.3: Cường độ tự cảm B dưới mặt cực của một nam châm có trị số B = 8.10-3 T. Diện tích mặt cực S = 10 dm2. Tính từ thông của mỗi cực từ Hướng dẫn giải: Từ thông của mỗi cực từ: (3.9) ta có  B.S 8.10 3.10.10 2 8.10 4 Wb Từ thông chạy trong lõi thép:  B.S 1,45.120.10 4 1,74.10 2 Wb Bài 3.4: Một thanh dẫn AB dài l = 0,5m nằm trong từ trường đều B = 1,4T. Người ta tác dụng một lực cơ học Fcơ làm cho nó chuyển động với vận tốc v = 20m/s thẳng góc với phương từ trường. Thanh dẫn trượt trên hai thanh kim loại, hai đầu thanh kim loại nối với điện trở R = 0,5 làm thành một vòng kín. Coi điện trở của thanh kim loại rất nhỏ và bỏ qua. Tính s.đ.đ cảm ứng trong thanh dẫn, csuất đtrở tiêu thụ, csuất cơ và lực cơ học tác dụng vào thanh dẫn. Hướng dẫn giải: Sức điện động cảm ứng trong thanh dẫn: từ (3.15) e B.l.v 1,4.0,5.20 14V Dòng điện chạy qua điện trở R: e 14 I 28 A R 0,5 Công suất điện trở tiêu thụ: 2 2 Pd R.I 0,5.28 392W Công suất cơ : Pc Pd 392W Lực cơ học tác dụng vào thanh dẫn:
  67. 66 P 392 F c 196 N co v 20 Bài 3.5: Cuộn dây có điện cảm L = 0,1H. Dòng điện qua cuộn dây biến đổi theo quy luật hình sin đối với thời gian i 5sin 314t A . Tìm sức điện động tự cảm trong cuộn dây. Hướng dẫn giải: Sức điện động tự cảm được xác định theo biểu thức (3.20): di d 5sin 314t eL L. 0,1 0,1.5.314.cos314t 15,7sin 314t dt dt 2 Bài 3.6: Một ống dây dài 20cm, đường kính 3cm, có quấn 400 vòng dây. Dòng điện chạy trong dây có cường độ I = 20A a) Tính hệ số tự cảm của ống dây b) Tính từ thông gởi qua tiết diện ngang của vòng c) Tính năng lượng từ trường trong ống Hướng dẫn giải: Hệ số tự cảm của vòng dây: (3.21) 2 2 2 2 4 2 W W R 7 400 . .1,5 .10 4 L  0 . S  0 . . 4 .10 . 7,1.10 H l l 2 20.10 2 Từ thông gửi qua tiết diện ngang của vòng:  L L  L.I 7,1.10 4.2 14,2.10 4 (Wb) I L Từ thông gửi qua một vòng dây:  14,2.10 4   .W  L 3.55.10 6 Wb L W 400 Năng lượng từ trường: 1 1 W L.I 2 .7,4.10 4.4 14,2.10 4 (J ) M 2 2
  68. 67 CHƯƠNG 4 DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU HÌNH SIN Mã chương: MH8-04 Giới thiệu: Ở chương trước ta đã nghiên cứu về mạch điện một chiều, các phương pháp giải. Từ đó là cơ sở để tính toán các mạch điện cụ thể, trước hết ta xé mạch quan trọng và thường gặp là mạch tuyến tính ở chế độ xác lập với dạng kích thích cơ bản nhất là kích thích điều hòa, vì mọi kích thích chu kỳ không điều hòa đều có thể phân tích thành tổng các kích thích điều hòa có tần số và biên độ khác nhau. Hơn nữa đa số các nguồn trên thực tế như máy phát điện đều là nguồn phát, mặt khác ứng với các kích thích điều hòa tuyến tính thì đáp ứng cũng sẽ là điều hòa khiến cho việc tính toán khảo sát rất đơn giản. Khi mạch điện là mạch tuyến tính ở chế độ xác lập với kích thích điều hòa thì mô hình của nó được giải ở dạng véc tơ hoặc số phức. Cần phải nêu những phương pháp để giải cho ra những đáp ứng của mạch điện, trong bài này chúng ta tiến hành phân tích và giải mạch điện một pha và ba pha ở chế độ nói trên. Mục tiêu: - Giải thích được các khái niệm cơ bản trong mạch điện xoay chiều như: chu kỳ, tần số, pha, sự lệch pha, trị biên độ, trị hiệu dụng Phân biệt được các đặc điểm cơ bản giữa dòng điện một chiều và dòng điện xoay chiều. - Giải được các bài toán xoay chiều không phân nhánh và phân nhánh, công suất dòng điện xoay chiều và hiện tựơng cộng hưởng. - Giải được các bài toán về mạch điện xoay chiều 3 pha với các cách mắc - Phân tích được ý nghĩa của hệ số công suất và phương pháp nâng cao hệ số công suất. Tính toán được giá trị tụ bù với hệ số công suất cho trước. - Nêu được các ứng dụng của dòng điện xoay chiều trong công nghiệp. - Rèn luyện tính tỷ mỉ, chính xác và tư duy trong học tập Nội dung chính. 1. Khái niệm về dòng điện xoay chiều Mục tiêu: - Biết và giải thích được khái niệm về dòng điện xoay chiều một pha - Áp dụng giải bài tập cơ bản về các thông số của dòng điện xoay chiều - Có ý thức tự giác trong học tập 1.1. Dòng điện xoay chiều
  69. 68 Dòng điện xoay chiều là dòng điện thay đổi cả chiều và trị số theo thời gian Dòng điện xoay chiều thường là dòng điện biến đổi tuần hoàn, nghĩa là cứ sau một khoảng thời gian nhất định, nó lặp lại quá trình biến thiên cũ. 1.2. Chu kỳ và tần số của dòng điện xoay chiều Chu kỳ: Khoảng thời gian ngắn nhất để dòng điện lặp lại quá trình biến thiên cũ gọi là chu kỳ. Tần số : Số chu kỳ dòng điện thực hiện được trong một giây gọi là tần số. 1.3. Dòng điện xoay chiều hình sin Dòng điện xoay chiều hình sin là dòng điện xoay chiều biến thiên theo quy luật hình sin đối với thời gian gọi là dòng điện xoay chiều hình sin. i Im     t -Im T Hình 4.1: Đồ thị theo thời gian của dòng điện xoay chiều hình sin: - Trục hoành biểu thị thời gian t. - Trục tung biểu thị dòng điện i. i I sin t  Biểu thức của dòng điện xoay chiều hình sin là: m i (4.1) 1.4. Các đại lượng đặc trưng a) Trị số tức thời: Trên đồ thị, tại mỗi thời điểm t nào đó, dòng điện có một giá trị tương ứng gọi là trị số tức thời của dòng điện xoay chiều. Ký hiệu: i(t) hoặc i. Tương tự như dòng điện, trị số tức thời của điện áp ký hiệu là u, của sđđ ký hiệu là e b) Trị số cực đại (biên độ): Giá trị lớn nhất của trị số tức thời trong một chu kỳ gọi là trị số cực đại hay biên độ của nguồn điện xoay chiều. Ký hiệu của biên độ bằng chữ hoa, có chỉ số m: Im Ngoài ra còn có biên độ điện áp là Um, biên độ sđđ là Em c) Chu kỳ T: Khoảng thời gian ngắn nhất để dòng điện lặp lại quá trình biến thiên cũ gọi là chu kỳ. Ký hiệu: T, Đơn vị: sec(s)
  70. 69 d) Tần số f: Số chu kỳ dòng điện thực hiện được trong một giây gọi là tần số. 1 Ký hiệu: f, Ta có: f (4.2) T 3 Đơn vị: Hec (Hz); 1KHz 10 Hz 1MHz 10 6 Hz 10 3 KHz Nước ta và phần lớn các nước trên thế giới đều sản xuất dòng điện công nghiệp có tần số là f = 50Hz. e) Tần số góc : Tần số góc là tốc độ biến thiên của dòng điện hình sin. 2 Ký hiệu: ;  2 f rad/s. (4.3) T f. Pha và pha ban đầu: Góc t  trong biểu thức các đại lượng hình sin xác định trạng thái (trị số và chiều) của đại lượng tại thời điểm t nào đó gọi là góc pha, hoặc gọi tắt là pha. Khi t = 0 thì t   vì thế  được gọi là góc pha ban đầu hay pha đầu. Nếu  > 0 thì quy ước điểm bắt đầu của đường cong biểu diễn nó sẽ lệch về phía trái gốc toạ độ một góc là  . Nếu  < 0 thì ngược lại, điểm bắt đầu của đường cong biểu diễn nó sẽ lệch về phía phải gốc toạ độ một góc là  . Hình 4.2: pha của dòng điện xoay chiều hình sin:
  71. 70 u 100 sin  t Ví dụ 4.1: Cho 2 (V) a) Xác định giá trị tức thời tại thời điểm t = 0, t = T/4, t = T/2, t = 3T/4, t = T. b) Vẽ đồ thị hình sin của u với t từ 0 đến T. Giải: a) Khi t = 0 u(0) 100sin 100 (V ) 2 T 2 T Khi t = T/4 u 100sin . 100sin 0 (V ) 4 T 4 2 2 trong đó :  2 f T T 2 T 3 Khi t = T/2 u 100sin . 100sin 100 V 2 T 2 2 2 3T 2 3T Khi t = 3T/4 u 100sin . 100sin 2 0 V 4 T 4 2 2 5 Khi t = T u T 100sin .T 100sin 100 V T 2 2 b) Biểu diễn hình sin theo điện áp u: u 100 sin t U sin t Ta có : 2 m u u (V) 100     t -100 Hình 4.3: Đồ thị ví dụ 4.1: 1.5. Pha và sự lệch pha i I sin t A Trị số tức thời của dòng điện : m i (4.4) u U sin t V Trị số tức thời của điện áp : m u (4.5) Góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện ký hiệu là và được định nghĩa như sau: u i (4.6) 0 u i : Điện áp trùng pha với dòng điện u và i cùng pha nhau (ha) 0 u i : điện áp vượt trước dòng điện u nhanh pha hơn so với i (b) 0 u i : điện áp chậm sau dòng điện u trễ pha so với i (hc) u và i ngược pha nhau
  72. 71 / 2 u và i vuông góc nhau u,i u,i u u i t t i u,i u i t Hình 3.4: sự lệch pha của dòng điện xoay chiều hình sin: Ví dụ 4.2: So sánh pha của hai hàm sin: 0 u1 10sin 5t 30 V 0 u2 10cos 5t 10 V Giải: 0 Đưa u2 về dạng sin nhờ công thức: cosx sin x 90 0 Suy ra : u2 10sin 5t 100 V 0 0 0 Ta có thể nói: u 1 lớn pha so với u 2 một góc 30 100 130 hoặc u 1 0 0 0 chậm pha hơn so với u2 một góc: 100 30 130 2. Giải mạch điện xoay chiều không phân nhánh Mục tiêu: - Biết và giải thích được cách giải mạch điện xoay chiều một pha - Áp dụng giải bài tập cơ bản về mạch điện xoay chiều một pha - Có ý thức tự giác trong học tập Trị số hiệu dụng: Ta biết rằng, tác dụng nhiệt và lực điện từ tỷ lệ với bình phương dòng điện. Đối với dòng điện biến thiên có chu kỳ T thì tác dụng này tỷ lệ với trị số trung bình bình phương của dòng điện trong một chu kỳ T Trị số trung bình bình phương trong một chu kỳ được gọi là trị số hiệu dụng I Từ đó rút ra biểu thức trị số của dòng điện hình sin là:
  73. 72 1 T I i 2dt (*) (4.7) T 0 Giả sử i Im sint , thay vào biểu thức (*) 1 T 1 2 I 2 2 1 cos2t I i 2dt I 2 sin 2 t.d(t) m .d(t) m T 0 T 0 2 0 2 I 2 t sin 2t 2 I 2 m m 2 2 4 0 2 Rút ra: I I m 2 (4.8) Trong đó: I là trị hiệu dụng của dòng điện. Tương tự, ta có: Trị số hiệu dụng của điện áp: U U m 2 (4.9) Trị số hiệu dụng của suất điện động: E E m 2 (4.10) Trị số hiệu dụng là một đại lượng quan trọng của mạch điện xoay chiều. Ta nói dòng điện xoay chiều này bằng bao nhiêu ampe hoặc điện áp xoay chiều này bằng bao nhiêu volt là ta nói đến trị số hiệu dụng của chúng. Các trị số ghi trên nhãn của các thiết bị điện, các dụng cụ đo lường (sử dụng dòng điện xoay chiều) là trị số hiệu dụng. Ví dụ 4.3: Dòng điện hình sin i 4,5sin 314t A chạy qua điện trở R = 4 10. Tính công suất P, điện năng A của điện trở tiêu thụ trong 24h. Giải: Trị số cực đại của dòng điện Im = 4,5(A) I 4,5 Trị số hiệu dụng của dòng điện qua điện trở: I m 3,18(A) 2 2 Công suất điện của điện trở: P U.I.cos R.I 2 10.(3,18) 2 101,1 W Điện năng điện trở tiêu thụ trong 20h A P.t 101,1.20 2022 Wh 2,022 Kwh
  74. 73 Biểu diễn lượng hình sin dưới dạng vectơ quay: Trên vòng tròn lượng giác gắn hệ trục Ox, Oy, với O là tâm của vòng tròn lượng giác. Hình chiếu của vectơ quay lên trục tung sẽ biểu thị giá trị tức thời của đại lượng hình sin. Hình chiếu của vectơ quay lên trục hoành sẽ biểu thị thời gian. i I m sin(t ) I 2.sin(t ) Quy tắc biểu diễn đại lượng hình sin bằng vectơ quay : - Vẽ ở một thời điểm ban đầu (t = 0) - Độ dài của vectơ I biểu diễn bằng trị hiệu dụng I của i(t). - Góc tạo bởi vectơ I và trục hoành Ox bằng góc pha ban đầu Nếu > 0 thì vectơ nằm phía trước trục hoành theo ngược chiều kim đồng hồ. Nếu < 0 thì ngược lại vectơ nằm phía sau trục hoành. Ký hiệu vectơ biểu diễn đại lượng hình sin bằng chữ cái biểu diễn đại lượng đó và dấu gạch ngang mũi tên trên đầu. Ví dụ: I , U , E y I I i m t x x Hình 4.5: Biểu diễn véc tơ dòng điện xoay chiều hình sin: Ví dụ 4.4: Hãy biểu diễn dòng điện, điện áp bằng vectơ và chỉ ra góc lệch pha , cho biết: i 20 2.sin t 100 (A) u 100 2.sin t 400 (V) Giải: Vectơ dòng điện: I 20 100 Vectơ điện áp: U 100 400 U 0 40 x Hình 4.6: Đồ thị véc tơ í dụ 4.4 -100 I
  75. 74 Cộng và trừ các đại lượng hình sin bằng đồ thị vectơ: Cho hai dòng điện hình sin: i1 I1m sin(t 1 ) và i2 I 2m sin(t 2 ) Tìm dòng điện tổng i i i 1 2 Biểu diễn hai dòng điện i , i bằng hai vectơ quay I ,I . 1 2 1 2 Vectơ tổng I I1 I2 chính là vectơ biểu diễn dòng điện. y I I1 I2 x Hình 4.7: Đồ thị véc tơ cộng dòng điện xoay chiều hình sin: Thực vậy, dựa vào tính chất là hình chiếu của vectơ tổng bằng tổng hình chiếu của hai vectơ thành phần nên i i1 i2 I I 2 I 2 2.I I cos(I , I ) (4.11) 1 2 1 2 1 2 Từ đó, ta có thể suy ra biểu thức của nó: i I m sin(t ) I 2.sin(t ) “Việc cộng đại số các trị số tức thời của đại lượng hình sin cùng tính chất và thông số, tương ứng với việc cộng các vectơ biểu diễn chúng”. 0 Ví dụ 4.5: Cho hai dòng điện: i1 3 2 sin(314t 15 ) 0 i2 4 2 sin(314t 75 ) Hãy tìm dòng điện tổng i i1 i2 và hiệu i i2 i1 bằng đồ thị vectơ. Giải: 0 Vectơ dòng điện 1: I1 3 15 0 Vectơ dòng điện 2: I 2 4 75 Áp dụng hệ thức lượng trong tam giác OAC OC 2 OA2 AC 2 2.OA.AC.cosOAC OC 2 32 42 2.3.4.cos1200 37 Suy ra: OC 37 6,22
  76. 75 OA2 OC 2 AC 2 cos cosOAC 2.OA.OC Rút ra: I 2 I 2 I 2 32 37 42 1 2 0,805 2.I1.I 2.3.6,22 363 Vậy biểu thức dòng điện tổng: i I 2.sin(t ) 2.6,22.sin(314t 363 15) 2.6,22.sin(314t 513) C I I2 B I A 1 x O Hình 4.8: Đồ thị véc tơ ví dụ 4.5: 2.1. Giải mạch xoay chiều thuần trở, thuần cảm, thuần dung 2.1.1. Mạch điện xoay chiều thuần điện trở Quan hệ giữa dòng điện và điện áp: i U R Hình 4.9: Mạch điện thuần trở: Giả sử ta có mạch điện với hệ số tự cảm rất bé có thể bỏ qua, và không có thành phần điện dung, chỉ còn điện trở R, ta gọi đó là nhánh thuần trở. Khi cho dòng điện iR I m .sin t I. 2.sin t chạy qua điện trở R. Ở tại một thời điểm t bất kỳ, áp dụng định luật Ohm ta có điện áp trên điện trở: uR R.iR R.I. 2.sin t U R 2.sin t uR U m sin t U R U I .R I Ở đây: R hay R (4.12)
  77. 76 Trong nhánh thuần điện trở, trị hiệu dụng của dòng điện tỉ lệ thuận với trị hiệu dụng của điện áp đặt vào nhánh, tỉ lệ nghịch với điện trở nhánh. So sánh giữa biểu thức dòng điện và điện áp, ta thấy trong nhánh xoay chiều thuần điện trở, dòng điện và điện áp đồng pha, tức là 0 (4.13) u i * Mạch biểu diễn vectơ: u,i u i     t Hình 4.10: Đồ thị mạch điện thuần trở: Đồ thị hình sin: Đồ thị hình vectơ: 0 Vectơ dòng điện: I R I R 0 0 Vectơ điện áp: U R U R 0 IR O UR Hình 3.11: Đồ thị véc tơ mạch điện thuần trở: Công suất: Công suất tức thời đưa vào đoạn mạch thuần tuý điện trở: P u.i U I sin 2 t 2.U.I.sin 2 t R m m (4.14) 1 cos2t Vì sin 2 t 2 1 cos2 t Nên P 2.U.I. U.I. 1 cos2 t U.I U.I cos2 t R 2 Như vậy công suất tức thời gồm hai phần: - phần không đổi U.I - phần biến đổi U.I cos2 t Ta thấy trong cả chu kỳ dòng điện, điện áp và dòng điện luôn luôn cùng chiều nên PR 0
  78. 77 u,i uR u R UI i R   t Hình 4.11: Đồ thị công suất mạch điện thuần trở: Nghĩa là: năng lượng dòng điện xoay chiều trong mạch thuần trở luôn đưa từ nguồn đến tải R để tiêu tán năng lượng. Do đó, người ta đưa ra khái niệm về công suất tác dụng P U 2 P U.I R.I 2 (4.15) R Đơn vị của công suất tác dụng: W hoặc Kw 1kW 103 W Điện năng tiêu thụ trong thời gian t được tính theo công suất tác dụng: W = P.t Ví dụ 4.6: Một bóng đèn có ghi 220V, 100W mắc vào mạch xoay chiều có điện áp: u 231 2.sin(314t 300 ) V Xác định dòng điện qua đèn, công suất và điện năng đèn tiêu thụ trong 4h. Coi bóng đèn như nhánh thuần điện trở. Giải: 2 2 U dm 220 Điện trở đèn ở chế độ định mức: R 484  Pdm 100 (Udm, Pdm là điện áp và công suất định mức ghi trên bóng) Trị số hiệu dụng của dòng điện tính theo định luật Ohm: U 231 I 0,48 A R 484 Vì u và i đồng pha nhau nên biểu thức của dòng điện là: i I 2.sin(t ) 0,48. 2.sin(314t 30) A Công suất bóng tiêu thụ:
  79. 78 P R.I 2 484.(0,48) 2 110 W Điện năng bóng tiêu thụ trong 4h: W P.t 110.4 440 Wh 2.1.2. Mạch điện xoay chiều thuần điện cảm Quan hệ dòng điện và điện áp: i U UL L Hình 4.12: Mạch điện thuần cảm: Nhánh có cuộn dây với hệ số tự cảm L khá lớn, điện trở đủ bé để có thể bỏ qua và không có thuần điện dung được gọi là nhánh thuần điện cảm. Khi có dòng điện iL I m .sin t I. 2.sin t chạy qua đoạn mạch thuần tuý điện cảm L. Vì dòng điện biến thiên nên trong cuộn dây sẽ cảm ứng ra suất điện động tự cảm eL và giữa hai cực của cuộn dây sẽ có điện áp cảm ứng uL. di d(I 2.sin t) uL eL L. L. .L.I. 2 cost dt dt .L.I. 2 sin(t ) U 2.sin(t ) 2 L 2 Vậy: uL U L . 2 cos t U L . 2.sin  t (4.16) 2 Trong đó: U L .L.I X L .I L (4.17) U I L hoặc: L (4.18) X L Trị hiệu dụng của dòng điện trong nhánh thuần điện cảm tỉ lệ với trị hiệu dụng điện áp đặt vào nhánh, tỉ lệ nghịch với cảm kháng của nhánh. Ở đây: X L .L 2 f L (4.19) Đơn vị của cảm kháng: 1 X  .L ..s  L s Trong nhánh xoay chiều thuần cảm. Dòng điện chậm sau điện áp một góc , 2 tức là: 0 0 u i 2 2
  80. 79 * Mạch biểu diễn vectơ: u,i pL u L i L     t Hình 4.12: Đồ thị p điện thuần cảm: 0 Vectơ dòng điện: I L I L 0 Vectơ điện áp: U U L L 2 UL O IL Hình 4.12: Đồ thị vectơ mạch điện thuần cảm: Công suất: Công suất tức thời trong nhánh thuần điện cảm: sin 2t P u.i U L 2.cost.I L 2 sint 2.U L I L U L I L sin 2t (4.20) 2 Trong khoảng  t 0  : dòng điện u và i cùng dấu nên p u .i 0 , 2 L L L L L nguồn cung cấp năng lượng cho mạch và tích luỹ lại trong từ trường điện cảm. Trong khoảng tiếp theo  t  , u và i ngược chiều nên p u .i 0 , 2 L L L L L năng lượng tích luỹ trong từ trường đưa ra ngoài đoạn mạch. Từ đó ta thấy rằng: “ trong đoạn mạch thuần tuý điện cảm không có hiện tượng tiêu tán năng lượng mà chỉ có hiện tượng tích phóng năng lượng một cách chu kỳ ”. Để biểu thị cường độ quá trình trao đổi năng lượng của điện cảm ta đưa ra khái niệm công suất phản kháng QL của điện cảm. 2 2 U L (4.21) QL U L .I X L .I P 0 X L
  81. 80 Đơn vị của công suất phản kháng: Var hoặc Kvar, 1kVAr 103VAr Ví dụ 4.7: Một cuộn dây thuần điện cảm L=0,015H, đóng vào nguồn điện có điện áp u, u 100 2.sin 314t V 3 Tính trị số hiệu dụng I, và góc pha ban đầu dòng điện i Vẽ đồ thị vectơ dòng điện và điện áp. Giải: Điện kháng của cuộn dây: X L L 314.0,015 4,71  U 100 Trị sô hiệu dụng của dòng điện: I 21,23 A X L 4,71 u i 3 i 2 Góc pha ban đầu của dòng điện: i 3 2 6 Trị số tức thời của dòng điện: i I 2.sin(t ) 21,32. 2.sin(314t ) i 6 Đồ thị vectơ dòng điện và điện áp: U  x  I Hình 4.13: Đồ thị vectơ ví dụ 4.7: 2.1.3. Mạch điện xoay chiều thuần điện dung Quan hệ dòng và áp: i U U C C Hình 4.14: Mạch điện thuần dung: Giả sử tụ điện có điện dung C, tổn hao không đáng kể, điện cảm của mạch có thể bỏ qua, đặt vào điện áp xoay chiều u U m .sin t tạo thành mạch thuần điện dung.
  82. 81 Khi đặt điện áp u C đặt lên 2 cực của tụ điện lý tưởng thì qua tụ sẽ có dòng hình sin iC. Từ biểu thức dq C.duC , lấy đạo hàm ta tìm biểu thức của dòng điện: dq du d(U 2.sint) i C. c C. c C.U . 2 cost I 2.cost I 2.sin(t ) dt dt dt c 2 I 1 1 Trong đó: C..U c 2 I 2 U c X c .I với: X c (4.22) C .C 2 fC Như vậy, dung kháng tỉ lệ nghịch với điện dung của nhánh và tần số dòng điện. Tần số càng lớn thì dung kháng càng bé và ngược lại. Đơn vị của dung kháng: 1 1 X   c .C 1 s s  Trong nhánh thuần điện dung, trị hiệu dụng dòng điện tỉ lệ với trị hiệu dụng điện áp đặt vào nhánh và tỉ lệ nghịch với dung kháng của nhánh. So sánh giữa biểu thức điện áp u và dòng điện ta thấy: dòng điện và điện áp có cùng tần số song lệch pha nhau một góc . Dòng điện vượt trước 2 điện áp một góc . Tức là: 0 0 2 u i 2 2 * Mạch biểu diễn vectơ: Đồ thị hình sin: u,i pC uC     t i C Hình 4.15: Đồ thị p mạch điện thuần dung: Đồ thị vectơ: IC O UC Hình 4.16: Đồ thị vectơ mạch điện thuần dung:
  83. 82 Vectơ dòng điện: I I C 2 Vectơ điện áp: UC U 0 Công suât: Công suất tức thời trong nhánh thuần điện dung: P u .i U 2.sint.I 2 cost U I sin 2t (4.23) c C c Trên đồ thị hình sin, vẽ các đường cong uC, iC và pC.  t 0  Ta nhận thấy, trong khoảng 2 , uC và iC cùng chiều, tụ được nạp điện và pC uC .iC 0 , năng lượng từ nguồn đưa đến tích luỹ trong điện trường điện dung.  t  Trong khoảng tiếp theo2 , uC và iC ngược chiều, tụ phóng điện và pC uC .iC 0 , năng lượng tích luỹ trong điện trường tụ điện đưa ra ngoài đoạn mạch. Từ đó ta thấy rằng: “trong đoạn mạch thuần tuý điện dung không có hiện tượng tiêu tán năng lượng mà chỉ có hiện tượng tích phóng năng lượng điện trường một cách chu kỳ. Do đó: P = 0 Để biểu thị cường độ quá trình trao đổi năng lượng của điện dung ta đưa ra khái niệm công suất phản kháng QC của điện dung: U 2 Q U .I X .I 2 C (4.24) C C C X C Ví dụ 4.8: Tụ điện có điện dung C 80F , tổn hao không đáng kể, mắc vào nguồn điên áp xoay chiều U=380V, tần số f = 50Hz. Xác định dòng điện và công suất phản kháng của nhánh. Giải: Dung kháng của nhánh: 1 1 1 X  C C 2 fC 2.3,14.50.80.10 6 Trị sô hiệu dụng của dòng điện: U 380 I 9,5(A) X C 40 Nếu lấy pha ban đầu của điện áp 0 thì u i 2 Trị số tức thời của dòng điện: i 9,5. 2.sin(314t ) (A) 2
  84. 83 Công suất phản kháng: 2 2 Q X c .I 40.(9,5) 3620Var 3,62K var 2.2. Giải mạch xoay chiều RLC Quan hệ dòng áp: Xét mạch điện trong trường hợp tổng quát gồm cả ba thành phần R, L, C mắc nối tiếp nhau như hình vẽ. Khi cho dòng điện i I 2 sin t qua nhánh R-L-C mắc nối tiếp sẽ tạo nên thành phần điện áp giáng tương ứng Dòng điện qua các phần tử gây nên các sụt áp: u U 2.sin t U I.R R R R (4.25) uL U L . 2.sin  t U I. X (4.26) 2 L L uC U C . 2.sin  t U I. X (4.27) 2 C C Gọi u là điện áp giữa hai đầu của đoạn mạch : u u u u (4.28) R L C Biểu diễn bằng vectơ ta có : N UL UC M U U O R A I Hình 4.17: Đồ thị vectơ mạch điện R, L, C U U U U (4.29) R L C - Giả sử: U L I. X L U C I. X C X L X C Đồ thị vectơ như hình vẽ: Khi X L X C thì 0 , dòng điện chậm pha sau điện áp một góc là hay nói cách khác là điện áp nhanh pha hơn so với dòng điện. Khi đó, ta bảo nhánh có tính điện cảm. - Ngược lại, nếu U L I. X L U C I. X C X L X C thì đồ thị vectơ được biểu diễn như sau:
  85. 84 UL U O R I UC U Hình 4.18: Đồ thị vectơ mạch điện R, L, C Ta thấy, 0 , dòng điện vượt trước điện áp một góc hay điện áp chậm pha sau dòng điện một góc , ta bảo nhánh có tính điện dung Định luật Ohm - Tổng trở - Tam giác trở kháng: Nhìn vào đồ thị vectơ ta thấy, trong tam giác vuông OAM: 2 2 2 2 U U R U L U C I.R I.X L I.X C I. R 2 X X 2 I.Z L C 2 2 Trong đó: Z R X L X C (4.30) Z gọi là tổng trở của mạch R-L-C Đặt: X X L X C : được gọi là điện kháng của mạch Phát biểu: điện trở R, điện kháng X và tổng trở Z là 3 cạnh của một tam giác vuông. Trong đó, cạnh huyền là tổng trở Z, hai cạnh góc vuông còn lại là điện trở R và điện kháng X Z X =X L- XC R Hình 4.19: Tam giác tổng trở mạch điện R, L, C Tam giác tổng trở giúp ta dễ dàng nhờ các quan hệ giữa các thông số R-L-C và tính ra góc lệch pha U U X X X * Góc lệch pha giữa i và u: tg L C L C (4.31) U R R R
  86. 85 2.3. Công suất và hệ số công suất trong mạch điện xoay chiều Công suất – tam giác công suất: a) Công suất tác dụng P: Công suất tác dụng là công suất điện trở R tiêu thụ, đặc trưng cho quá trình biến đổi điện năng sang dạng năng lượng khác như nhiệt năng, quang năng 2 P R.I (4.32) N UL UC M U U O R A I Hình 4.20: Đồ thị vectơ điện áp mạch điện R, L, C Mặt khác, ở đồ thị vectơ như hình vẽ bên, ta thấy : U R.I U.cos R (4.33) Thay vào (*), ta có:P R.I 2 U .I.cos (4.34) Đơn vị: Watt (W) b) Công suất phản kháng Q: Công suất phản kháng Q đặc trưng cho cường độ quá trình tích phóng năng lượng của điện từ trường trong mạch. 2 2 Ta có: Q X .I X L X C .I (4.35) Trong đồ thị vectơ hình vẽ trên, ta thấy: U X .I U.sin X (4.36) thay vào biểu thức trên, ta có: (4.37) Q X .I 2 U .I.sin Đơn vị: VAr c) Công suất biểu kiến S: Để đặc trưng cho khả năng của thiết bị và nguồn thực hiện hai quá trình năng lượng xét ở trên, người ta đưa ra khái niệm công suất biểu kiến S được định nghĩa như sau: 2 2 S U .I P Q (4.38) Đơn vị: Volt-Ampe (VA) * Tam giác công suất: P U.cos S.cos
  87. 86 Q U.sin S.sin S Q P Hình 4 21: Tam giác công suất mạch điện R, L, C 2 2 2 2 2 2 2 P Q S . cos sin S 2 2 Q (4.39) S P Q tg P Do đó, có thể đặc trưng sự liên hệ giữa P,Q, S bằng một tam giác vuông gọi là tam giác công suất, trong đó S là cạnh huyền, P và Q là hai cạnh góc vuông Đơn vị: P : W, kW, MW Q : Var, kVAr, MVAr S : VA, kVA, MVA Các trường hợp riêng: Trong thực tế, mạch điện có thể không tồn tại đủ ba thông số R-L-C. Do đó, nếu vắng thành phần nào thì trong các biểu thức của điện áp, công suất và trở kháng bỏ qua các thành phần đó. Mạch có R-L; C = 0 X C 0 0 mạch có tính cảm Mạch có R-C; L = 0 X L 0 0 mạch có tính dung Mạch có C-L; R = 0 X X L X C - Nếu X L X C mạch 0 có tính cảm - Nếu X L X C mạch 0 có tính dung - Nếu X 0 thì mạch thuần trở Ví dụ 4.9: Một cuộn dây có điện trở R = 10, điện cảm L 0,318.10 1 H 1 .10 1 H C 1 .10 3 F , mắc nối tiếp với , có U = 200V, f = 50Hz a) tính điện áp UL, UC b) vẽ đồ thị vectơ, tính chất mạch c) tính các thành phần của công suất Giải: 1 a) X L. L.2 f .10 1.2. .50 10  L
  88. 87 Tổng trở trong cuộn dây: 2 2 2 2 Z L R X L 10 10 10 2  1 1 1 X C 10  C. C.2 f 1 3 2. .50. .10 Tổng trở của toàn mạch: 2 2 2 2 Z R X L X C 10 10 10 10  U 200 Cường độ dòng điện trong mạch: I 20 A Z 10 Các thành phần của tam giác điện áp: U L I.Z L 20.10 2 200 2 V U C I. X C 20.10 200 V X X 10 10 b) Góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện: tg L C 0 R 10 0 mạch có tính thuần trở UC UL U O R U I Hình 4 22: Đồ thị véc tơ ví dụ 4.9 d) Các thành phần trong tam giác công suất: P R.I 2 10.202 4000 W 2 Q X L X C .I 0 S 2 P 2 Q 2 P 4000 VA 2.4. Cộng hưởng điện áp Hiện tượng và tính chất: Trong mạch điện xoay chiều R-L-C mắc nối tiếp nhau, hai thành phần điện áp UL và UC ngược pha nhau, trị số tức thời của chúng ngược dấu nhau ở mọi thời điểm và có tác dụng bù trừ nhau. Nếu trị số hiệu dụng của chúng bằng nhau thì chúng sẽ khử nhau và điện áp trong nguồn chỉ còn một thành phần giáng trên điện trở U = UR thì ta bảo mạch đó có hiện tượng cộng hưởng điện áp. Khi có cộng hưởng: U L U C Trị số hiệu dụng: U L U C I. X L I. X C X L X C (4.40)
  89. 88 1 1 1  L  2  (4.41)  C LC LC Tổng trở của toàn nhánh: Z R 2 X X 2 R (4.42) L C X X tg L C 0 0 R Đồ thị vectơ: Hình 4.23: Đồ thị véc tơ cộng hưởng điện áp UC UL U O R Đồ thị thời gian: I u,i u L i     t uC Đồ thị công suất u,i pR pL     t pC Hình 4 24: Đồ thị thời gian Ở mọi thời điểm, công suất P L và PC bằng nhau về trị số nhưng ngược nhau về dấu Ở phần tư chu ký thứ nhất và thứ ba: PL > 0và PC <0, cuộn dây tích luỹ năng lượng, còn tụ điện phóng điện.
  90. 89 Ở phần tư chu kỳ thứ hai và thứ tư: P L 0, tụ điện tích luỹ năng lượng, còn cuộn dây phóng điện Như vậy, ở mạch cộng hưởng điện áp có sự trao đổi năng lượng hoàn toàn giữa từ trường và điện trường. Còn năng lượng nguồn chỉ cung cấp cho điện trở R. Công suất phản kháng trong mạch Q = 0 vì không có sự trao đổi năng lượng giữa nguồn và các trường. Ví dụ 4.10: Cho mạch R-L-C nối tiếp nhau như hình vẽ. Điện áp nguồn U = 200V, f = 50Hz. Xác định C để mạch có cộng hưởng nối tiếp. Tính dòng điện I và điện áp trên các phần tử và UR , UL và UC . R=100  XL =500 XC Hình 4.25: Mạch điện ví dụ 4.10 Giải: Để có cộng hưởng nối tiếp thì: X L X C 500  Điện dung C của mạch điện: 1 1 1 C 6,37.10 6 F  X C 2 f .X C 2 .50.500 Dòng điện khi cộng hưởng: U 200 I 2 A R 100 Điện áp trên điện trở bằng điện áp nguồn: U R U 200 V Điện áp trên điện cảm: U L X L .I 500.2 1000 V Điện áp trên điện dung: U C X C .I 500.2 1000 V Đồ thị vectơ của mạch khi cộng hưởng: UC UL O UR = U I
  91. 90 3. Mạch xoay chiều 3 pha Mục tiêu: - Biết và giải thích được khái niệm về dòng điện xoay chiều 3 pha - Biết mối quan hệ U, I trong hai cách đấu mạch điện 3 pha. - Biết cách giải mạch điện 3 pha - Áp dụng giải bài tập cơ bản về mạch điện xoay chiều ba pha - Có ý thức tự giác trong học tập Định nghĩa: Hệ thống mạch điện 3 pha là tâp hợp ba mạch điện một pha nối với nhau tạo thành một hệ thống năng lượng điện từ chung, trong đó, sức điện động ở mỗi mạch đều có dạng hình sin, có cùng tần số nhưng lệch pha nhau 1200 Mỗi mạch điện thành phần của hệ ba pha gọi là một pha A Y Z C B X Hçnh : Maïy phaït âiãûn 3 pha Hình 4.26: Máy phát điện 3 pha Nguyên lý máy phát điện 3 pha: Cấu tạo của máy phát điện gồm 2 phần: - Phần tĩnh (Stator): gồm 6 rãnh, trên mỗi rãnh có đặt các dây quấn AX, BY, CZ. Các dây quấn của các pha có cùng số vòng dây và lệch pha nhau 1200 - Phần quay (Rotor): là một nam châm điện gồm hai cực N – S * Nguyên lý làm việc: Khi rotor quay, từ thông của rotor lần lượt cắt qua các cuộn dây pha, cảm ứng vào trong dây quấn stator các sức điện động hình sin có cùng biên độ, tần số, lệch pha nhau 1200 . Do các cuộn dây có cấu tạo giống nhau nên biên độ sức điện động ở các cuộn dây bằng nhau. Ký hiệu các sức điện động ở các pha là: e ,A e ,B e Cvà coi góc pha ban đầu 0 e E sin t E 2 sin t E E 0 A , ta có: A m A (4.43) 0 0 eB Em sin  t 120 E 2 sin  t 120