CHƯƠNG i: MẠCH điện một CHIỀU

CHƯƠNG I MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU 1 LỜI GIỚI THIỆU Cùng với công cuộc đổi mới công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước, công nghệ ô tô đang phát triển mạnh mẽ ở Việt Nam Sửa chữa, thay thế và lắp ráp ô tô[.]

LỜI GIỚI THIỆU

Cùng với công cuộc đổi mới công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước, công nghệ ô tô đang phát triển mạnh mẽ ở Việt Nam Sửa chữa, thay thế và lắp ráp ô tô đã trở nên quen thuộc trong đời sống và sản xuất, đang phát huy tác dụng thúc đẩy mạnh mẽ nền kinh tế, đời sống đi lên

Cùng với sự phát triển công nghệ ô tô, việc đào tạo phát triển đội ngũ kỹ thuật viên lành nghề được Đảng, Nhà nước, Nhà trường và mỗi công dân quan tâm sâu sắc để có thể làm chủ được máy móc, trang thiết bị của nghề

Được sự quan tâm sâu sắc của Đảng, Nhà nước và đặc biệt là Cơ quan chuyên môn là Tổng cục dạy nghề - Bộ lao động, Thương binh và Xã hội bộ giáo trình của nghề Công nghệ ô tô được biên soạn trên cơ sở Chương trình dạy nghề áp dụng cho các trường đạt chuẩn quốc gia của nghề

Điện kỹ thuật là môn học cơ sở trong chương trình đào tạo trình độ Trung cấp nghề và Cao đẳng nghề công nghệ ô tô Việc học tập tốt môn học này giúp học sinh, sinh viên có điều kiện để tiếp thu nội dung các kiến thức, kỹ năng chuyên môn phần điện của nghề tiếp theo

Giáo trình của môn học gồm 7 chương với thời lượng 45 tiết Giáo trình

đã đề cập tới những kiến thức cơ bản nhất, để học sinh sinh viên có thể hiểu được các hiện tượng điện, từ xảy ra trong các phần tử của mạch điện và giải được các bài toán cơ bản trong phạm vi của nghề về mạch điện

Mặc dù đã cố gắng, nhưng do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên giáo trình không thể tránh khỏi sai sót Nhóm tác giả mong được sự góp ý của đồng nghiệp

Xin trân trọng cám ơn!

Tam Điệp, ngày… tháng… năm……

Tham gia biên soạn

1 Chủ biên: Lê Thị Kim 2………

3………

MỤC LỤC

1 DÒNG ĐIỆN VÀ MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU 6

1.1 Khái niệm về dòng điện 1 chiều 6

1.2 Bản chất của dòng điện trong các môi trường 6

1.3 Mạch điện, các phần tử tạo thành mạch điện 8

1.4 Các đại lượng đặc trưng quá trình năng lượng trong mạch điện 9

2 ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN TRONG MẠCH ĐIỆN 11

2.1 Định luật Ôm 11

2.2 Định luật Jun- Lenxơ 12

3 GHÉP ĐIỆN TRỞ VÀ GHÉP NGUỒN THÀNH BỘ 12

3.1 Ghép điện trở 12

3.2 Ghép nguồn thành bộ 14

CHƯƠNG 2: ĐIỆN TỪ VÀ CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ 17 1 NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ TỪ TRƯỜNG 17

1.1 Từ trường của dòng điện 17

1.2 Đường sức từ 19

1.3 Lực của từ trường tác dụng lên dây dẫn mang dòng điện 20

2.HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ 22

2.1 Định luật cảm ứng điện từ 22

2.2 Sức điện động cảm ứng trong dây dẫn thẳng chuyển động cắt từ trường đều 25

3 HIỆN TƯỢNG TỰ CẢM, HỖ CẢM 25

3.1 Hệ số tự cảm 25

3.2 Sức điện động tự cảm 26

3.3 Hệ số hỗ cảm 27

3.4 Sức điện động hỗ cảm 28

CHƯƠNG 3: MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU 29

1 ĐỊNH NGHĨA DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU 29

1.1 Định nghĩa 29

1.2 Các đại lượng đặc trưng cho dòng điện xoay chiều hình sin 30

1.3 Sự lệch pha 32

2 MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU TRONG NHÁNH THUẦN ĐIỆN TRỞ, ĐIỆN CẢM, ĐIỆN DUNG 32

2.1 Mạch điện xoay chiều trong nhánh thuần trở (R) 32

2.2 Dòng điện xoay chiều trong nhánh thuần cảm (L) 33

2.3 Dòng điện xoay chiều trong nhánh thuần điện dung (C) 36

3 Dòng điện xoay chiều trong nhánh R - L - C nối tiếp 37

3.1 Quan hệ dòng điện, điện áp 37

3.2 Định luật Ôm 39

3.3 Công suất của dòng điện hình sin 39

4 HỆ SỐ CÔNG SUẤT, Ý NGHĨA, BIỆN PHÁP NÂNG CAO NÂNG CAO HỆ SỐ CÔNG SUẤT 41

4.1 Định nghĩa hệ số công suất 41

4.2 Ýnghĩa 41

4.3 Biện pháp nâng cao hệ số công suất 41

5 HỆ THỐNG DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU BA PHA 42

5.1 Định nghĩa 42

5.2 Ý nghĩa của hệ thống dòng điện xoay chiều 3 pha 44

6 PHƯƠNG PHÁP NỐI DÂY MẠCH ĐIỆN BA PHA 44

6.1 Nối hình sao 44

6.2 Nối tam giác 46

Bài tập chương 3 47

CHƯƠNG IV: VẬT LIỆU ĐIỆN 50 1 VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN 50

1.1 Khái niệm 50

1.2 Tính chất 50

1.3 Một số loại vật liệu dẫn điện thông dụng 51

2 VẬT LIÊU CÁCH ĐIỆN 56

2.1 Khái niệm 56

2.2 Tính chất 56

2.3 Một số loại vật liệu cách điện thông dụng 59

CHƯƠNG V: DỤNG CỤ VÀ KỸ THUẬT ĐO ĐIỆN 60 1 KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƯỜNG ĐIỆN 60

1.1 Khái niện và ý nghĩa của đo lường điện 60

1.2 Phân loại và ký hiệu dụng cụ đo 60

2 MỘT SỐ DỤNG CỤ THÔNG DỤNG 62

2.1 Ampe kế 62

2.2 Vôn kế 63

2.3 Công tơ điện 64

3 PHƯƠNG PHÁP ĐO MỘT SỐ ĐẠI LƯỢNG ĐIỆN 65

3.1 Đo điện áp (một chiêu, xoay chiều) 65

3.2 Đo cường độ dòng điện (một chiều, xoay chiều) 66

3.3 Đo điện năng 68

CHƯƠNG VI: MÁY ĐIỆN 69 1 MÁYBIẾN ÁP 69

1.1 Định Nghĩa 69

1.2 Phân loại máy biến áp 69

1.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy biến áp 1 pha 70

2 MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 72

2.1 Định nghĩa 72

2.2 Cấu tạo 72

2.3 Nguyên lý hoạt động của máy phát điện đồng bộ 74

3 ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 74

3.1 Định nghĩa 74

3.2 Phân loại 74

3.3 Cấu tạo 75

3.4 Nguyên lý làm việc 76

4 MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 78

4.1 Định nghĩa 78

4.2 Phân loại 78

4.3 Cấu tạo 79

4.4.Nguyên lý làm việc 80

CHƯƠNG 7: THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN VÀ BẢO VỆ 83 1 THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN 83

1.1 Nút bấm 83

1.2 Công tắc 84

1.3 Công tắc tơ 86

2 THIẾT BỊ BẢO VỆ 89

2.1 Cầu chì 89

2.2 Áp tô mát 90

2.3 Rơle điện từ 93

CHƯƠNG I: MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU

Mã chương: MH 07- 01

Giới thiệu:

Mạch điện một chiều được ứng dụng trong thực tế không nhiều, chủ yếu trên các thiết bị điện di động hoặc có công suất nhỏ Song nghiên cứu kỹ mạch điện này làm cơ sở tư duy cho mạch điện xoạy chiều được ứng dụng rất phổ biến trong sản xuất và đời sống

Mục tiêu:

Học xong chương này người học có khả năng:

- Trình bày được khái niệm, bản chất của dòng điện trong các môi trường, các đại lượng và các định luật cơ bản của mạch điện một chiều;

- Trình bày được các cách ghép điện trở và ghép nguồn thành bộ;

- Thực hiện nghiêm túc nhiệm vụ học tập, rèn luyện tính cẩn thận và chính xác

Nội dung:

1 DÒNG ĐIỆN VÀ MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU

1.1 Khái niệm về dòng điện 1 chiều

Dòng điện 1 chiều là dòng điện có chiều và trị số không thay đổi theo thời gian

(1.1)

Trong đó: q là điện lượng chuyển qua tiết diện dây dẫn tính bằng C ( Cu lông )

t là thời gian tính bằng S (giây)

I là cường độ dòng điện tính bằng A ( Ampe)

1.2 Bản chất của dòng điện trong các môi trường

1.2.1 Bản chất của dòng điện trong kim loại

Kim loại ở thể rắn có cấu trúc như mạng lưới tinh thể ở các nút mạng là Iôn dương luôn dao động xung quanh nút ở vị trí cân bằng của chúng Giữa khoảng cách các Iôn là các Êlêctrôn tự do chuyển động hỗn loạn Khi có Hiệu điện thế giữa hai đầu dây dẫn ( Điện trường E ) các Êlêctrôn tự do này chuyển rời theo hướng nhất định tạo ra dòng điện

q I t



Vậy: Bản chất dòng điện trong kim loại là dòng Êlêctrôn tự do chuyển rời

theo hướng xác định dưới tác dụng của hiệu điện thế

1.2.2 Bản chất của dòng điện trong chất khí

Khi chập que hàn vào vật hàn thì chỗ tiếp xúc được nung nóng đồng thời không khí tại vùng đó còng bị tác dụng bởi nhiệt Một số phân tử khí mất Êlêctrôn tư do trở thành Iôn dương Một số Êlêctrôn tự do kết hợp với phân tử khí trung hoà tạo thành Iôn âm Khi tách que hàn ra khỏi vật hàn một khoảng vài milimét tức là đặt vào chất khí một hiệu điện thế thì cọc Iôn dương chạy về vật hàn ( Cực âm ) Các Iôn âm chạy về que hàn ( Cực dưong ) tức là chúng chuyển động có hướng dưới tác dụng của hiệu điện thế

Vậy: Bản chất dòng điện trong chất khí là sự chuyển rời có hướng của các

Iôn và các Êlêctrôn tự do dưới tác dụng của hiệu điện thế

1.2.3 Bản chất của dòng điện trong chất điện phân

Nhúng hai điện cực bằng than vào dung dịch điện phân CuSO4 ( SunfatĐồng ) rồi mắc qua MiliAmpe kế vào nguồn điện MiliAmpe kế chỉ một giá trị của dòng điện Mấy phút sau ta thấy ở điện cực âm ( - ) xuất hiện một lớp

Cu ( Đồng )

Hình 1.1: Dòng điện trong kim loại

Hình 1.2: Thí nghiệm về dòng điện trong chất khí

khíkhíkhí

Vậy Iôn Cu++ chạy về cực âm (- ) thu Êlêctrôn

Iôn SO4 - - chạy về cực dương ( + ) nhường Êlêctrôn

Vậy: Dòng điện trong chất điện phân là dòng chuyển rời có hướng của các Iôn

dưới tác dụng của hiệu điện thế

1.3 Mạch điện, các phần tử tạo thành mạch điện

1.3.1 Định nghĩa mạch điện

Mạch điện là tập hợp các thiết bị điện nối với nhau bằng các dây dẫn tạo thành những vòng khép kín trong đó dòng điện có thể chạy qua Mạch điện thường gồm các phần tử sau: nguồn điện, phụ tải (tải), dây dẫn Hinh 1.4 là một ví dụ về mạch điện trong đó nguồn điện là máy phát điện MF, tải gồm động cơ điện ĐC và bóng đèn Đ, các dây dẫn truyền tải điện năng từ nguồn tới tải

Hình 1.3: Thí nghiệm về dòng điện trong chất điện phân

1.3.2 Nguồn điện: Là thiết bị phát ra điện năng Về nguyên lí,

nguồn điện là thiết bị biến đổi các dạng năng lượng như cơ năng, hoá năng, nhiệt năng… thành điện năng

Ví dụ: pin, ắc quy biến đổi hoá năng thành điện năng, máy phát điện biến đổi cơ năng thành điện năng, pin mặt trời biến đổi năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng…

1.3.3 Dây dẫn: Nối nguồn điện với các phụ tải

1.3.4 Phụ tải: Là các thiết bị tiêu thụ điện năng và biến đổi điện

năng thành các dạng năng lượng khác như cơ năng, hoá năng, nhiệt năng, quang năng… Ví dụ: động cơ điện tiêu thụ điện năng và biến điện năng thành cơ năng, bàn là, bếp điện biến điện năng thành nhiệt năng, bóng điện biến điện năng thành quang năng…

1.3.5 Các thiết bị phụ trợ: Cầu dao, công tắc, cầu chì, pin hay ắc

quy…

1.4 Các đại lượng đặc trưng quá trình năng lượng trong mạch điện

Để đặc trưng cho quá trình năng lượng trong một nhánh hoặc một phần tử của mạch điện ta dùng hai đại lượng: dòng điện i và điện áp u Công suất của nhánh hoặc của phần tử (hình 1.6) là: p = ui

1.4.1 Dòng điện

Dòng điện i về trị số bằng tốc độ biến thiên của lượng điện tích q qua tiết diện ngang một vật dẫn

dq i

Chiều điện áp quy ước là chiều từ điểm có điện thế cao đến điểm có điện thế thấp

1.4.3 Công và công suất

a Công của dòng điện

Nếu đặt một hiệu điện thế U vào hai đầu đoạn mạch bất kỳ tiêu thụ điện năng, khi đó cường độ dòng điện qua đoạn mạch đó là I thì sau một khoảng thời gian t, công của lực điện làm di chuyển điện lượng trong mạch là:

A = U q mà q = It

Nên A = U.I.t (1.4)

A là công của dòng điện tính bằng J ( Jun )

U là hiệu điện thế giữa hai đầu mạch điện tính bằng V ( Vôn )

q là điện lượng chuyển qua tiết diện dây dẫn tính bằng C ( Cu lông )

I là cường độ dòng điện chay qua đoạn mạch tính bằng A ( Ampe )

t là thời gian dòng điện chạy qua mạch điện tính bằng s ( giây )

Vậy: Công của dòng điện sản ra trên một đoạn mạch bằng tích hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch với cường độ dong điện và thời gian dòng điện chạy qua

b Công suất của dòng điện

Công suất của dòng điện là đại lượng đặc trưng cho tốc độ sinh công của dòng điện, nó có độ lớn bằng công của dòng điện sản ra trong một giây

P là công suất của dòng điện trên mạch điện tính bằng W ( Oát )

A là công của dòng điện sản ra trên mạch điện tính bằng J ( Jun)

U là hiệu điện thế giữa hai đầu mạch điện tính bằng V ( Vôn )

I là cường độ dòng điện chay qua đoạn mạch tính bằng A ( Ampe )

t là thời gian dòng điện chạy qua mạch điện tính bằng S ( giây )

Công suất của dòng điện trong một đoạn mạch bằng tích của hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch với cường độ dòng điện chay qua đoạn mạch

2 ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN TRONG MẠCH ĐIỆN

U là hiệu điện thế (điện áp) giữa hai

đầu đoạn mạch tính bằng V ( Vôn )

I là cường độ dòng điện trong đoạn

2.2.2 Định luật Ôm trong toàn mạch

Mạch ngoài gồm dây dẫn và phụ tải

Mạch trong là nguồn điện

Un = I.R (1.7) Với Un là hiệu điện thế mạch ngoài

Ut = I.r (1.8) Với Ut là hiệu điện thế mạch trong

E

 (1.11)

Với R, r là điện trở mạch ngoài và mạch trong

Cường độ dòng điện trong mạch kín tỷ lệ thuận với suất điện động của nguồn điện và tỷ lệ nghịch với điện trở toàn mạch

Hình 1.7: Định luật ôm cho toàn mạch Hình 1.6: Thí ngiệm định luật ôm cho

đoạn mạch

2.2 Định luật Jun- Lenxơ

Nếu gọi R là điện trở của dây dẫn, t là thời gian dòng điện chạy qua dây dẫn thì trong trường hợp điện năng biến đổi hoàn toàn thành nhiệt năng, nhiệt lượng Q tỏa ra trên dây dẫn là:

Q = UIt mà theo định luật Ôm: U = IR Nên Q = I2

Rt (1.12)

Q là nhiệt lượng toả ra trên một dây dẫn tính bằng J ( Jun )

I Là cường độ dòng điện chạy qua dây dẫn tính bằng A ( Am pe )

t là thời gian dòng điện chạy qua dây dẫn tính bằng s ( giây )

Nhiệt lượng toả ra trong một dây dẫn tỷ lệ thuận với bình phương cường

độ dòng điện với điện trở dây dẫn và thời gian dòng điện chạy qua

I = I1 = I2 = = In (1.13) Gọi điện trở của các vật dẫn là R1, R2 Rn , áp dụng định luật ôm cho các phần của đoạn mạch, ta có hiệu điện thế trên các vật dẫn là:

Vậy: điện trở toàn phần (tổng trở) của đoạn mạch mắc nối tiếp bằng tổng

điện trở từng phần của đoạn mạch.

1

1

U I

R

 ; 2

2

U I R

 ; n

n

U I R



Với R1, R2 , Rn là điện trở của các vật dẫn trong các nhánh, và dòng điện không đổi nên ở điểm rẽ nhánh A (còn gọi là nút) trong một đơn vị thời gian, có bao nhiêu điện tích đi đến nút thì có bấy nhiêu điện tích đi khỏi nút, do đó;

1

1 1

2 1



Vậy: nghịch đảo điện trở tương đương của đoạn mạch mắc song bằng

tổng các nghịch đảo của điện trong các nhánh

Đầu A là cực dương của bộ nguồn

Đầu B là cực âm của bộ nguồn

Vì khi mạch hở, hiệu điện thế giữa 2 cực của mỗi nguồn bằng suất điện động của nó và vì hai cực cực nguồn nối với nhau có cùng điện thế nên hiệu điện thế giữa hai cực của bộ nguồn khi mạch hở tức là suất điện động Eb của bộ nguồn bằng tổng các suất điện động của các nguồn trong bộ

Eb = E1+ E2 + + En (1.19)

Điện trở trong của bộ nguồn :

rb = r1 + r2 + rn (1.20) Nếu bộ nguồn có n nguồn điện giống nhau mỗi nguồn có suất điện động

là E , điện trở trong là r thì :

Eb = n E Với Eb là suất điện độngcủa bộ nguồn

rb = n r Với rb là điện trở trong của bộ nguồn Cường độ dòng điện trong mạch chính :

Hình 1.10: Bộ nguồn ghép nối tiếp

I =

b

b r R

Hiệu điện thế giữa 2 cực của bộ nguồn bằng hiệu điện thế giữa 2 cực của mỗi nguồn Vì vậy khi để hở mạch, hiệu điện thế giữa 2 cực của bộ nguồn bằng suất điện động của bộ nguồn và chỉ bằng suất điện động của 1 nguồn trong bộ

E

n

r R

Một mạch điện có điện áp U = 220V cung cấp cho tải có điện trở R = 25

trong thời gian 3h Tính công suất của tải, điện năng tiêu thụ và tiền điện phải trả biết giá tiền điện là 2500đ/kWh

Bài số 1.2

Mạch điện gồm ba điện trở R1 = 30  ; R2 = 20 ; R3 = 50 ; mắc nối tiếp và mắc vào lưới điện có điện áp U = 220(V)

Hình 1.11: Bộ nguồn ghép song song

Tính: a) Dòng điện trong mạch ; điện áp đặt vào mỗi điện trở

b) Công suất mỗi điện trở tiêu thụ và công suất của toàn mạch

Bài số 1.3

Mạch điện gồm ba điện trở R1 = 80  ; R2 = 60 ; R3 = 100 ; mắc song song và mắc vào lưới điện có điện áp U = 220(V)

CHƯƠNG 2: ĐIỆN TỪ VÀ CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ

- Giải được bài toán về xác định sức điện động cảm ứng;

- Thực hiện nghiêm túc nhiệm vụ học tập, rèn luyện tính cẩn thận và chính xác

Nội dung:

1 NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ TỪ TRƯỜNG

1.1 Từ trường của dòng điện

* Định nghĩa

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 một dòng điện hay một kim nam châm

1.1.1 Từ trường của dòng điện trong dây dẫn thẳng dài

Hình 2.1: Từ trường của dòng điện trong dây dẫn thẳng dài

- Đường sức từ : là những đường tròn nằm trong những mặt phẳng vuông góc với dòng điện và có tâm là giao điểm của mặt phẳng và dòng diện

- Chiều của các đường sức từ : tuân theo qui tắc nắm tay phải 1

- Độ lớn cảm ứng từ tại điểm M cách dòng diện I một khoảng r :

Qui tắc nắm tay phải 1 : “tay phải nắm lấy vòng dây sao cho ngón cái

choãi ra là chiều dòng điện, khi đó các ngón tay trỏ chỉ hướng theo chiều của đường sức từ”

1.1.2 Từ trường của dòng điện chạy trong dây dẫn uốn thành vòng tròn

- Đường sức từ : là những đường cong có chiều đi vào mặt Nam và đi ra mặt Bắc của dòng điện tròn đó.Trong số đó, đường sức từ đi qua tâm O của vòng tròn là đường thẳng vô hạn ở hai đầu

- Chiều của các đường sức từ : tuân theo qui tắc nắm tay phải 2

- Độ lớn cảm ứng từ tại tâm O của vòng dây bán kính R:

Qui tắc nắm tay phải 2 : “tay phải nắm lấy vòng dây sao cho các ngón tay

trỏ hướng theo chiều dòng điện, khí đó ngón cái choãi ra là chiều của Đường sức từ”

1.1.3 Từ trường của dòng điện chạy trong ống dây dẫn hình trụ

- Đường sức từ : Trong ống dây các đường sức từ là những đường thẳng song song cùng chiều và cách đều nhau

Chiều của các đường sức từ : tuân theo qui tắc nắm tay phải 2

Muốn biểu diễn từ trường ta dùng khái niệm đường sức:

Đường sức là những đường vẽ ở trong không gian có từ trường, sao cho tiếp tuyến tại mỗi điểm có hướng trùng với hướng của từ trường đặt tại điểm đó

Hình 2.3: Từ trường của dòng điện

trong dây dẫn hình trụ

Chiều của đường sức từ trường là từ cực bắc đến cực nam của kim nam châm

1.3 Lực của từ trường tác dụng lên dây dẫn mang dòng điện

1.3.1 Thí nghiệm

Đặt một dây dẫn AB vuông góc với

đường sức từ trường nam châm vĩnh

cửu hình chữ U (hình 2.5) Cho

dòng điện chạy qua dây dẫn, dây

dẫn chịu tác dụng của một lực và

dịch chuyển về một phía Lực đẩy

có hướng thẳng góc với đường sức

từ trường và dòng điện chạy trong

dây dẫn

Trị số của lực tỷ lệ thuận với cường độ dòng điện, chiều dài tác dụng của dây dẫn và cường độ từ cảm của từ trường :

F = B.I l F: Lực điện từ đo bằng N (Niu tơn);

B: Cảm ứng từ đo bằng T( tesla);

I: Cường độ dòng điện đo bằng A(Ampe);

L: chiều dài thanh dẫn đo bằng m (Mét)

Lực của từ trường tác dụng lên dây dẫn mang dòng điện có hướng vuông góc với đường sức từ trường của dòng điện chạy trong dây dẫn Trị số của lực tỷ lệ

Hình 2.4: Chiều của đường sức từ

Hình 2.5: Thí nghiệm Lực của từ trường tác dụng lên

dây dẫn mang dòng điện

Hai từ trường trên tác dụng tương hỗ nhau Bên trái dây dẫn, hai từ trường

có đường sức cùng chiều nên từ trường tổng cộng mạnh lên Bên phải dây dẫn, hai từ trường có đường sức ngược chiều nên từ trường tổng cộng yếu đi Kết quả làm dây dẫn dịch chuyển sang phải

Như vậy, điện năng đó chuyển hóa thành cơ năng, làm dịch chuyển dây dẫn như ta tác dụng lực cơ học vào dây dẫn Lực điện làm dây dẫn dịch chuyển gọi là lực điện từ Nếu ta thay đổi chiều dòng điện qua dây dẫn AB hoặc đổi cực nam châm thì dây dẫn còng đổi chiều chuyển động

Hình 2 - 6

Hình 2.6: Chiều của đường sức từ

Hình 2.7: Chiều của lực điện từ

trong dây dẫn hình trụ

Người ta xác định chiều của lực điện từ bằng quy tắc bàn tay trái :

Đặt bàn tay trái duỗi thẳng để cho các đường sức từ xuyên vào lòng bàn tay

chiều từ cổ tay đến ngón tay trùng với chiều dòng điện, ngón tay cái choãi ra

90 0 sẽ chỉ chiều của lực điện từ tác dụng lên dây dẫn

2.HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ

2.1 Định luật cảm ứng điện từ

2.1.1 Thí nghiệm 1:

Mắc hai đầu ống dây dẫn vào một điện thế nhạy Đưa thanh nam châm vào gần ống dây, kim điện kế bị lệch đi Vậy trong mạch kín của ống dây đó xuất hiện dòng điện gọi là dòng điện cảm ứng Đưa thanh nam châm ra xa ống dây ta lại thấy kim điện kế lệch theo chiều ngược lại Dòng điện cảm ứng đó đổi chiều Nếu thanh nam châm ngừng chuyển động tương đối so với ống dây thì kim điện kế không quay, trong ống dây không có dòng điện cảm ứng

2.1.2 Thí nghiệm 2:

Hình 2.8: Thí nghiệm về hiện tượng cảm ứng điện từ

trong dây dẫn hình trụ

Một ống dây mắc vào nguồn điện một chiều qua một biến trở, đặt gần ống dây nối với điện kế Khi dịch chuyển con chạy thì ống dây nối với điện kế còng xuất hiện dòng điện cảm ứng

2.1.3 Thí nghiệm 3:

Đặt trong từ trường đều của nam châm vĩnh cửu hình chữ U một khung dây dẫn abcd Hai đầu của khung dây được gắn với hai vành khuyên Trên hai vành khuyên có hai thanh quét tỳ vào và được nối với một bóng đèn Khi khung quay trong từ trường của nam châm thì đèn sáng Vậy trong khung đó xuất hiện dòng điện cảm ứng

Qua các thí nghiệm trên, ta thấy rằng dòng điện cảm ứng chỉ xuất hiện trong thời gian nam châm chuyển động tương đối so với ống dây, biến trở thay đổi điện trở hoặc khung dây quay trong từ trường của nam châm, nghĩa là từ thông qua điện tích giới hạn bởi khung dây hay ống dây thay đổi Dù cho nam châm chuyển dịch, khung dây quay hoặc ngược lại ống dây dịch chuyển, nam châm

Hình 2.9: Thí nghiệm về hiện tượng cảm ứng điện từ

trong dây dẫn hình trụ

Hình 2.10: Thí nghiệm về hiện tượng cảm ứng điện từ

trong dây dẫn hình trụ

quay, đều làm xuất hiện dòng điện cảm ứng Hiện tượng vừa mô tả trên gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ

a Định luật cảm ứng điện từ

Định luật này do nhà bác học Faraday tỡm ra năm 1831 Định luật là cơ

sở nguyên lý của máy phát điện một chiều, xoay chiều Định luật phát biểu như sau:

Khi có sự biến thiên từ thông qua diện tích giới hạn bởi mạch điện kín thì trong mạch xuất hiện dòng điện cảm ứng

Như vậy độ lớn của dòng điện cảm ứng phụ thuộc vào tốc độ biến thiên của

từ thông ( )

b Chiều dòng điện cảm ứng – Định luật Lenxơ

Trong trường hợp tổng quát, chiều dòng điện cảm ứng được xác định theo định luật Lenxơ Định luật được phát biểu như sau:

Dòng điện cảm ứng trong mạch điện kín phải có chiều sao cho từ trường

mà nó sinh ra chống lại sự biến thiên của từ thông qua mạch

Cho một dây dẫn chuyển động vuông góc với đường sức từ trường và dùng đồng hồ đo ở hai đầu dây dẫn ( hình vẽ 2.11) Ta thấy khi dây dẫn đứng yên thì thấy kim đồng hồ không lệch đi Khi dây dẫn chuyển động thì kim đồng hồ bị lệch đi, chứng tỏ là đó có một dòng điện chạy trong dây dẫn

Như vậy khi dây dẫn chuyển động trong từ trường cắt ngang các đường sức của từ trường trong dây dẫn xuất hiện một suất điện động cảm ứng tạo thành dòng điện chạy trong dây dẫn Cho dây dẫn chuyển động nhanh thì thấy kim

Hình 2.11: Thí nghiệm về Chiều dòng điện cảm ứng

trong dây dẫn hình trụ

đồng hồ lệch nhiều, chứng tỏ dòng điện lớn Như vậy là suất điện động còn phụ thuộc vào tốc độ chuyển động của dây dẫn

Chiều của dòng điện chạy qua dây dẫn được xác định bằng quy tắc bàn tay phải, quy tắc phát biểu như sau:

Đặt bàn tay phải hứng đường sức từ, ngón tai cái choói ra 90 0

trùng với chiều chuyển động của của dây dẫn thì chiều từ cổ tay đến các ngón tay còn lại chỉ chiều dòng điện cảm ứng trong dây dẫn

c Sức điện động cảm ứng trong vòng dây có từ thông biến thiên

Trường hợp từ thông  biến thiên xuyên qua vòng dây

Khi từ thông  biến thiên xuyên qua vòng dây dẫn, trong vòng dây sẽ xuất hiện sức điện động cảm ứng e tính theo công thức:

e = - d/dt

Chiều sức điện động cảm ứng được xác định theo quy tắc vặn nút chai

Cuộn dây có W vòng, sức điện động cảm ứng của cuộn dây:

L =  / I Nếu L không phụ thuộc vào dòng điện, ta có cuộn dây là tuyến tính

Nếu hệ số tự cảm thay đổi theo dòng điện, ta có cuộn dây phi tuyến (cuộn dây lõi thép), khi đó ta có hệ số tự cảm động của cuộn dây, xác định bằng tỷ số giữa gia số của từ thông với gia số dòng điện, ký hiệu là Lđ, ta có:

Lđ = d / dI Đơn vị của điện cảm là Henry, ký hiệu là H

1H = 1Wb/1A = 1.sec Ước số của H là milihenry (mH) và microhenry (H)

1 mH = 10-3H ; 1H = 10-6H

* Điện cảm của cuộn dây hình xuyến hay hình trụ:

Với cuộn dây hình xuyến có tiết diện là S, từ thông trong lòng xuyến là:

Từ thông tự cảm của cuộn dây:

Điện cảm của cuộn dây là

Đối với cuộn dây hình trụ ta có thể coi như là một phần cuộn dây hình xuyến có bán kính vô cùng lớn nên điện cảm của cuộn dây còng xác định theo biểu thức trên

3.2 Sức điện động tự cảm

Khi dòng điện qua cuộn dây biến thiên, từ thông tự cảm của nó cùng biến đổi theo làm xuất hiện trong cuộn dây s.đ.đ cả:m ứng gọi là s.đ.đ tự cảm, ký hiệu là eL

Vậy: S.đ.đ tự cảm là sức điện động cảm ứng trong cuộn dây do chính dòng điện qua nó biến thiên gây nên

Về trị số ta có: từ thông tự cảm của cuộn dây là L = L.i

Theo công thức Măcxoen ta có s.đ.đ tự cảm là:

Vậy s.đ.đ tự cảm tỷ lệ với điện cảm và tốc độ biến thiên của dòng điện Dấu trõ cho thấy: Nếu i tăng, s.đ.đ tự cảm sẽ ngược chiều với chiều dòng điện để chống lại sự tăng của dòng điện, ngược lại khi i giảm s.đ.đ tự cảm sẽ cùng chiều với chiều dòng điện để chống lại sự giảm của nó

l

IW S



8 2 2

l

IW W



8 2 2

S W I

 

dt

di L dt

Li d dt

d

L      

* Ví dụ 2.3: Một cuộn dây có điện cảm L = 0,1H Dòng điện qua cuộn dây

là dòng điện biến thiên theo quy luật hính sin với i = 5sin314t, A Tìm s.đ.đ tự cảm trong cuộn dây

Giải:

s.đ.đ tự cảm của cuộn dây là:

3.3 Hệ số hỗ cảm

Giả sử có hai cuộn dây đặt gần nhau (hình 2.12)

Dòng điện i1 chạy qua cuộn thứ nhất tạo ra:

- Từ thông tự cảm 1 móc vòng qua cuộn thứ nhất

- Từ thông hỗ cảm 12 móc vòng qua cuộn thứ hai

Nếu i1 càng lớn thì 12 càng lớn, tức 12 tỷ lệ với dòng điện i1, ta có

21 = M.i2

Từ các biểu thức trên ta thấy nếu M càng lớn thì từ thông hỗ cảm giữa hai cuộn dây càng mạnh Đơn vị của M còng là henry (H) Hệ số hỗ cảm phụ thuộc vào:

- Kết cấu của hai cuộn dây

- Môi trường và khoảng cách đặt chúng

V t

t dt

t d

dt

di L

3.4 Sức điện động hỗ cảm

Nếu i1 biến thiên thì từ thông hỗ cảm 12 còng biến thiên làm xuất hiện s.đ.đ cảm ứng trong cuộn dây thứ hai gọi là s.đ.đ hỗ cảm e12, theo công thức Măcxoen ta có:

Tương tự nếu i2 biến thiên ta có s.đ.đ hỗ cảm e21 trong cuộn dây thứ nhất là:

Như vậy s.đ.đ hỗ cảm là s.đ.đ cảm ứng xuất hiện trong cuộn dây do sự biến thiên dòng điện ở cuộn dây có quan hệ hỗ cảm với nó S.đ.đ hỗ cảm tỷ lệ với tốc độ biến thiên của dòng điện và hệ số hỗ cảm giữa các cuộn dây

Bài tập chương 2 Bài tập 2.1

Cuộn dây có hệ số tự cảm L = 0,1 H Dòng điện qua cuộn dây là dòng điện biến đổi theo quy luật hình sin: i = 5sin 314t (A) Tìm sức điện động tự cảm trong cuộn dây

dt

di M dt

d

e12   12   1

dt

di M dt

d

21     

CHƯƠNG 3: MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU

Mã chương: MH10 – 03

Giới thiệu:

Mạch điện xoay chiều được sử dụng nhiều trong thực tế và sản xuất; Tuy nhiên do đặc tính của phụ tải mà chúng có những đặc điểm khác nhau, việc nghiên cứu kỹ chương này cho phép chúng ta hiểu và sử dụng dòng điện một cách hiệu quả và kinh tế

- Trình bày được ý nghĩa của hệ số công suất và các biện pháp nâng cao hệ

số công suất;

- Trình bày được sơ đồ đấu nối hệ thống điện xoay chiều ba pha kiểu hình sao (Y) và hình tam giác () và các mối quan hệ giữa các đại lượng pha và dây;

- Giải được một số bài toán cơ bản về mạch điện xoay chiều;

- Thực hiện nghiêm túc và chuẩn xác, phát huy tính sáng tạo trong học tập

Đồ thị biểu diễn sức điện động e có dạng:

T 3T/4

1.2 Các đại lượng đặc trưng cho dòng điện xoay chiều hình sin

1.2.1 Các đại lượng đặc trưng

Trị số dòng điện, điện áp sức điện động của lượng hình sin ở một

thời điểm t gọi là trị số tức thời và được biểu diễn là:

i = Imsin(t + i) (3.1)

e = Emsin(t + e) (3.3) Trong đó:

- i, u, e: trị số tức thời của dòng điện, điện áp, sức điện động của lượng

hình sin

- Im, Um, Em: trị số cực đại (biên độ) của dòng điện, điện áp, sức điện

động

- (t + i); (t + u): góc pha (gọi tắt là pha) của dòng điện, điện áp

Pha xác định trị số và chiều của dòng điện, điện áp ở thời điểm t

- i, u: pha đầu của dòng điện, điện áp Pha đầu là pha ở thời điểm t =

0 Phụ thuộc vào chọn toạ độ thời gian, pha đầu có thể bằng không, âm

hoặc dương

: tần số góc của dòng điện sin, đơn vị là rad/s

Để phân biệt, trị số tức thời viết bằng chữ in thường: i, u, e, p, trị số

cực đại viết bằng chữ in hoa: Im, Um, Em

- Chu kỳ T của dòng điện sin là khoảng thời gian ngắn nhất để dòng

điện lặp lại trị số và chiều biến thiên, nghĩa là trong khoảng thời gian T

góc pha biến thiên một lượng là: T = 2

Số chu kỳ của dòng điện trong một giây gọi là tần số f

Giữa tần số f và tần số góc  có quan hệ:  = 2f

Tần số dòng điện xoay chiều trong công nghiệp: f = 50Hz;

 = 2.50 = 314 rad/s

Do đặc tính các thông số của mạch, các đại lượng dòng điện, điện áp

thường có sự lệch pha với nhau Góc lệch pha giữa các đại lượng là hiệu

số pha đầu của chúng Góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện thường ký

hiệu là , được định nghĩa như sau:

 = u - i (3.5) Góc  phụ thuộc các thông số của mạch

 > 0: điện áp vượt trước dòng điện (hình 3.2a)

 < 0: điện áp chậm sau dòng điện (hình 3.2b)

 = 0: điện áp trùng pha dòng điện (hình 3.3c)

(3.6)

U =

2

m U

(3.7)

I =

2

m I

Trị số hiệu dụng được dùng rất rộng rãi Trong thực tế, khi nói trị số dòng điện 10A, điện áp 220V ta hiểu đó là trị số hiệu dụng của chúng Các số ghi trên các dụng cụ và thiết bị, thường là trị số hiệu dụng

1.3 Sự lệch pha

Hai lượng hình sin là điện áp và dòng điện có cùng tần số nhưng tại một thời điểm góc pha của chúng có thể không bằng nhau ta nói chúng lệch pha với nhau Ký hiệu góc lệch pha đó là , ta có:

 = u - i

Góc  phụ thuộc vào đặc tính các thông số của mạch điện

Nếu  > 0 ta nói điện áp vượt trước dòng điện

Nếu  < 0 ta nói điện áp chậm sau dòng điện

Nếu  = 0 ta nói điện áp và dòng điện trùng pha nhau

2.1 Mạch điện xoay chiều trong nhánh thuần trở (R)

2.1.1 Quan hệ dòng điện, điện áp

Khi đặt vào hai đầu điện trở R một điện áp có biểu thức u = Umsint làm xuất hiện dòng điện xoay chiều i qua điện trở ở mỗi thời điểm, theo định luật Ôm ta có: i = u

Đó là công thức định luật Ôm cho nhánh thuần trở

Trong nhánh thuần trở, trị số hiệu dụng của dòng điện xoay chiều

tỉ lệ thuận với trị số hiệu dụng của điện áp đặt vào nhánh, tỉ lệ nghịch với điện trở của nhánh

2.1.3 Công suất

Công suất tức thời của nhánh:

p = ui = UmImsin2T = 2UIsin2t (3.13)

Đồ thị công suất được biểu diễn như hình vẽ (3.3c)

Biến đổi sin2t = 1

2(1-cos2t) ta có thể viết lại:

p = UI(1 – cos2t)

Vì công suất tức thời không có ý nghĩa thực tiễn, nên ta đưa ra khái niệm công suất tác dụng P, là trị số trung bình của công suất tức thời p trong một chu kỳ:

2.2 Dòng điện xoay chiều trong nhánh thuần cảm (L)

2.2.1 Quan hệ dòng điện, điện áp

Giả sử hai đầu mạch thuần cảm có điện áp xoay chiều u làm xuất hiện dòng điện i trong mạch có dạng:

U =

2

m U

Như vậy, trong nhánh thuần điện cảm, dòng điện và điện áp có cùng tần số song lệch pha nhau một góc

Đó là công thức định luật Ôm cho nhánh thuần cảm

Trong nhánh thuần cảm, trị số hiệu dụng của dòng điện xoay chiều tỉ lệ thuận với trị số hiệu dụng của điện áp đặt vào nhánh, tỉ lệ nghịch với cảm kháng của nhánh

Đồ thị công suất được biểu diễn như hình vẽ (3.4c)

Ta thấy có hiện tượng trao đổi năng lượng Trong khoảng t = 0 đến

Đơn vị của công suất phản kháng là VAr hoặc kVAr (1kVAr =

103VAr)

2.3 Dòng điện xoay chiều trong nhánh thuần điện dung (C)

2.3.1 Quan hệ dòng điện, điện áp

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 có biểu thức

u = Umsint, tạo thành mạch thuần điện dung Dòng điện qua tụ tỉ lệ với tốc độ biến thiên điện áp trên tụ:

U =

2

m U

Như vậy, trong nhánh thuần điện dung, dòng điện và điện áp có cùng tần số song lệch pha nhau một góc

Đó là công thức định luật Ôm cho nhánh thuần điện dung

Trong nhánh thuần điện dung, trị số hiệu dụng của dòng điện xoay chiều tỉ lệ thuận với trị số hiệu dụng của điện áp đặt vào nhánh,

tỉ lệ nghịch với dung kháng của nhánh

Đồ thị công suất được biểu diễn như hình vẽ (3.5c)

Công suất tác dụng của điện dung tiêu thụ:

P =

0

1 ( )

3 Dòng điện xoay chiều trong nhánh R - L - C nối tiếp

3.1 Quan hệ dòng điện, điện áp

R, L, C

Thành phần UR trên điện trở R, gọi là thành phần tác dụng của điện

áp, đồng pha với dòng điện và có trị số:

UR = IR Thành phần UL trên điện cảm L, vượt pha trước dòng điện một góc

900 và có trị số:

UL = IXL Thành phần UC trên điện dung C, chậm pha sau dòng điện một góc

900 và có trị số:

UC = IXC Các đại lượng dòng điện và điện áp đều biến thiên hình sin với cùng tần số, do đó có thể biểu diễn trên cùng một đồ thị véc tơ

Ta có đồ thị véc tơ của mạch được vẽ trên hình (3.6b)

Điện áp nguồn U bằng:

UU R U LU C

Từ đồ thị véc tơ ta tính được trị số hiệu dụng của điện áp:

Hình 3.6: Đồ thị trong nhánh R - L - C nối tiếp

X được gọi là điện kháng của nhánh

Từ công thức (3.20) ta thấy điện trở R, điện kháng X và tổng trở Z

là ba cạnh của một tam giác vuông trong đó cạnh huyền là tổng trở Z, hai cạnh góc vuông là điện trở R và điện kháng X (hình 3.6c) Tam giác tổng trở giúp ta dễ dàng nhớ các quan hệ giữa các thông số R, X, Z và tính góc lệch pha 

tg = X L C

U U U

Khi XL - XC = 0, góc  = 0, dòng điện trùng pha với điện áp, lúc này

có hiện tượng cộng hưởng điện áp, dòng điện trong nhánh I = U

Đó là công thức định luật Ôm cho nhánh R, L, C nối tiếp

Trong một nhỏnh xoay chiều, trị số hiệu dụng của dòng điện tỉ lệ thuận với trị số hiệu dụng của điện áp đặt vào nhánh, tỉ lệ nghịch với tổng trở của nhánh

3.3 Công suất của dòng điện hình sin

Trường hợp tổng quát trong mạch xoay chiều hình sin có các loại công suất:

- Công suất tác dụng: ký hiệu là P, là công suất trung bình tiêu thụ trên điện trở của mạch hình sin, do đó ta có:

P = Ur.I = U.I.cos  (kW)

Ở đây U là giá trị hiệu dụng của điện áp đặt lên toàn mạch; I là dòng điện chạy qua mạch;  là góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp; Ur là điện áp trên điện trở của mạch

- Công suất phản kháng: Ký hiệu là Q, đặc trưng cho sự trao đổi năng lượng giữa nguồn với các trường của mạch, ta có:

Q = UX.I = U.I.sin (kVAr)

Ở đây UX là điện áp phản kháng của mạch

- Công suất biểu kiến: Ký hiệu là S, đặc trưng cho khả năng chứa công suất của thiết bị Ta biết mỗi thiết bị chỉ làm việc an toàn với trị số giới hạn của dòng điện và điện áp Cùng một trị số giới hạn đó, nếu góc lệch pha  thay đổi thì P và Q thay đổi theo, như vậy hai đại lượng P và Q chưa đặc trưng cho khả năng làm việc của thiết bị, ta có khái niệm công suất biểu kiến S, được tính bằng tích giá trị hiệu dụng của dòng điện và điện áp

S = U.I = I2.z (kVA) Đơn vị đo công suất biểu kiến là Vôn-Ampe, viết tắt là VA Bội số là kilôVôn - Ampe (kVA) và megaVôn – Ampe (MVA), ta có:

1kVA = 103VA ; 1MVA = 106VA

Từ các công thức tính công suất trên ta thấy:

P = UIcos = S.cos;

Q = UIsin = S.sin

Từ đó ta vẽ được tam giác vuông có cạnh huyền là S, hai cạnh góc vuông

là P và Q, gọi là tam giác công suất (hình 3.7)

Hình 3 7: Tam giác công suất