Giáo trình Điện kỹ thuật (Nghề: Kỹ thuật máy lạnh và điều hòa không khí - Trung cấp) - Trường CĐ nghề Việt Nam - Hàn Quốc thành phố Hà Nội

7 1.1.1 Định nghĩa dòng điện, chiều dòng điện Đặt vật dẫn trong điện trường, các điện tích dương dưới tác dụng của lực điện trường sẽ chuyển động từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện

Mạch điện một chiều

Công và công suất của dòng điện

Xét một mạch điện kín như hình 1.12

Dưới tác dụng của nguồn điện với s.đ.đ E và điện trở trong r0, các điện tích liên tục chuyển động qua mạch ngoài, tạo thành dòng điện Công của nguồn điện để dịch chuyển một lượng điện tích q qua nguồn được xác định.

Af = E.q Gọi cường độ dòng điện chảy trong mạch là I, ta có: q = I.t

Trong đó t là thời gian dòng điện chảy qua mạch Thay vào ta được:

Theo định luật bảo toàn và biến đổi năng lượng, công của nguồn sẽ chuyển hóa thành các dạng năng lượng khác trong mạch, cụ thể là tại điện trở tải R và điện trở trong của nguồn r0.

Gọi điện áp trên tải là UAB = A - B Năng lượng do điện tích q thực hiện khi đi qua đoạn mạch AB sẽ là:

21 Điện áp rơi trên điện trở trong của nguồn là:

S.đ.đ của nguồn được xác định bằng tổng điện áp trên hai cực của nguồn và điện áp rơi trên điện trở trong của nguồn Khi mạch hở, dòng điện bằng không, điện áp trên hai cực của nguồn sẽ bằng s.đ.đ của nguồn.

1.5.2 Công suất của dòng điện

Công suất là công thực hiện trong một đơn vị thời gian, do đó ta có:

Công suất tổn hao trong nguồn:

Ta có phương trình cân bằng công suất:

Công thức tính công là \$P_f = P + \Delta P_0\$ Đơn vị đo của điện áp (E) và điện thế (U) là Vôn (V), dòng điện (I) là Ampe (A), thời gian (t) là giây (s) Đơn vị đo của công là Jun (J) và công suất là Oát (W).

Bội số của Oát là:

22 Ở đây 1kJ (kilô - Jun) = 10 3 J; 1MJ (mêga - Jun) = 10 6 J

Một mạch điện với điện áp U = 220V cung cấp cho tải có điện trở R = 25Ω trong 3 giờ Công suất của tải được tính bằng công thức \$P = \frac{U^2}{R}\$, dẫn đến \$P = \frac{220^2}{25} = 1936W\$ Điện năng tiêu thụ trong 3 giờ là \$E = P \times t = 1936W \times 3h = 5808Wh = 5.808kWh\$ Với giá tiền điện là 2500đ/kWh, tiền điện phải trả là \$5.808 \times 2500 = 14520đ\$.

Theo định luật Ôm trên một đoạn mạch ta có cường độ dòng điện chạy qua tải là:

Công suất của tải là:

A = P.t = 1936.3 = 5 808Wh = 5,808kWh Tiền điện phải trả là:

Phương pháp dòng điện nhánh

Phương pháp dòng điện nhánh sử dụng hai định luật Kirchhoff để thiết lập các phương trình cho điểm nút và mạch vòng, với các ẩn số là dòng điện trong các nhánh Để giải mạch điện theo phương pháp này, cần thực hiện theo các bước cụ thể.

Chiều dòng điện trong các nhánh có thể được quy ước một cách tùy ý, với mỗi dòng điện nhánh được coi là một ẩn số Việc chọn chiều dòng điện là tùy ý, và nếu kết quả tính toán cho ra số âm, điều đó có nghĩa là chiều dòng điện thực tế sẽ ngược lại với chiều đã quy ước.

Thành lập hệ phương trình dòng nhánh:

- Viết phương trình cho các vòng độc lập theo định luật KirchooffII Nếu mạch có m nhánh thì số phương trình cần phải viết tiếp là: m – (n-1):

+ Chọn chiều dương cho các vòng độc lập;

Theo định luật Kirchhoff II, các suất điện động (s.đ.đ) và sụt áp cùng chiều với chiều vòng sẽ được ghi nhận với dấu dương, trong khi đó, những giá trị ngược chiều với chiều vòng sẽ mang dấu âm.

- Giải hệ n phương trình bậc nhất trên ta tìm được các dòng điện trong các nhánh

- Nếu kết quả là số âm thì chiều dòng điện thực tế của nhánh đó ngược với chiều quy ước

Phương pháp này có khả năng giải quyết các mạch điện phức tạp với nhiều nguồn Tuy nhiên, khi mạch có nhiều nhánh, hệ phương trình sẽ trở nên phức tạp hơn, dẫn đến việc giải hệ mất nhiều thời gian.

Cho mạch điện như hình 1.13:

Hình 1.13 Mạch điện Ví dụ 1.4

Tìm dòng điện trong các nhánh và điện áp đặt vào R3

Chọn chiều dòng điện cho các nhánh theo hình vẽ Mạch có hai nút, do đó có thể thiết lập một phương trình điểm nút dựa trên định luật Kirchhoff I, chẳng hạn như cho nút A.

Chọn 2 vòng độc lập để viết phương trình theo định luật KirchooffII, quy ước chiều dương vòng như hình vẽ ta có:

Ta có hệ ba phương trình bậc nhất ba ẩn

Thay số vào ta được:

Kết quả của I1 có giá trị âm nên dòng thực tế chảy qua nguồn E1 có chiều ngược với chiều quy ước ban đầu (đường nét đứt)

Phương pháp điện thế hai nút

Trường hợp đặc biệt: Mạch chỉ có hai nút A và B:

Ta coi một nút có điện thế bằng không ví dụ B = 0, như vậy hệ phương trình điện thế chỉ còn là một phương trình duy nhất:

Khi đó ta có phương pháp điện thế hai nút gồm các bước:

Bước 1: Chọn nút tuỳ ý cho điện thế bằng không B = 0

Bước 3: Tính dòng điện trong các nhánh theo công thức:

Nếu dòng điện trong nhánh có giá trị âm, điều này có nghĩa là dòng điện thực tế trong nhánh sẽ chảy ngược lại so với chiều quy ước Cụ thể, trong nhánh có nguồn, chiều dòng điện sẽ cùng chiều với suất điện động (s.đ.đ), trong khi ở nhánh không có nguồn, chiều dòng điện sẽ hướng tới nút có điện thế bằng không.

* Ví dụ 1.5: Giải mạch điện hình 1.13 bằng phương pháp điện thế điểm nút biết

Hình 1.14 Mạch điện ví dụ 1.5

Dòng điện trong các nhánh là:

Như vậy dòng điện trong nhánh 1 thực tế có chiều ngược chiều quy ước, nhánh 1 trở thành phụ tải của nguồn trong nhánh 2.

Phương pháp biến đổi tương đương

Phương pháp này chủ yếu được sử dụng để giải quyết mạch điện một nguồn, hoặc có thể kết hợp với các phương pháp khác nhằm đơn giản hóa mạch điện, từ đó giúp việc giải mạch trở nên dễ dàng hơn.

Trong mạch điện một nguồn, chúng ta có thể sử dụng phương pháp biến đổi để chuyển đổi mạch điện phân nhánh thành mạch điện không phân nhánh Nhờ đó, việc tính toán dòng điện và điện áp trên các nhánh có thể được thực hiện bằng cách áp dụng định luật Ôm.

1.8.1 Đấu nối tiếp điện trở a Định nghĩa Đấu nối tiếp điện trở (phụ tải) là cách đấu sao cho chỉ có một dòng điện duy nhất chạy qua tất cả các phần tử trong mạch (Hình1-15) b Công thức tính Điện áp đặt vào điện trở là:

Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn.

Theo định lý về điện áp ta có:

Khi đấu nối tiếp, tổng sụt áp trên các điện trở sẽ bằng điện áp chung đặt vào nhánh Rtđ được gọi là điện trở tương đương của các điện trở nối tiếp.

Khi đấu nối tíêp, điện trở tương đương của cả nhánh bằng tổng các điện trở đấu nối tiếp

Hình 1.15 Điện trở đấu nối tiêp

Công suất mỗi điện trở tiêu thụ:

Khi đấu nối tiếp, công suất tiêu thụ của mỗi điện trở tỷ lệ thuận với giá trị của nó, tức là điện trở có giá trị lớn hơn sẽ tiêu thụ công suất lớn hơn.

Hộp điện trở gồm bốn điện trở nối tiếp với các giá trị R1 = 1Ω, R2 = 2Ω, R3 = 3Ω, và R4 = 4Ω Mỗi điện trở có khả năng nối tắt hai cực Để xác định điện trở tương đương, ta xem xét hai trường hợp: a Khi nối tắt hai cực của R2, và b Khi không nối tắt hai cực của điện trở nào.

Giải: a Khi nối tắt R2 mạchcòn lại ba điện trở R1; R3;R4 nối tiếp, nên điện trở tương đương

Ra = R1+ R3+R4 = 1 + 3 + 4 = 8 b Khi không nối tắt, ta có bốn điện trở nối tiếp, điện trở tương đương là:

Ví dụ 1.7: Cần ít nhất mấy bóng đèn 24V, 12W đấu nối tiếp để đặt vào điện áp

120V? Tính điện trở tương đương và dòng điện qua mạch

Bóng đèn 24V không thể kết nối trực tiếp với điện áp 120V Để đảm bảo mỗi bóng đèn không vượt quá điện áp định mức 24V, cần phải đấu nối tiếp nhiều bóng đèn.

Vì các bóng đèn giống nhau, nên khi đấu nối tiếp, điện áp đặt vào các bóng là như nhau Vậy số bóng đèn cần đấu nối tiếp là: n 5

 , lấy n = 5 bóng Điện trở mỗi bóng:

P U Điện trở tương đương toàn mạch

1.8.2 Đấu song song điện trở a Định nghĩa: Đấu song song điện trở là cách đấu sao cho tất cả các điện trở cùng đặt vào cùng một điện áp (hình 1.15) Như vậy đấu song song là cách đấu phân nhánh, mỗi điện trở là một nhánh

Hình 1.16 Điện trở đấu song song b Công thức

Dòng điện qua mỗi nhánh

Dòng điện trong mỗi nhánh đấu song song tỷ lệ với điện dẫn của nhánh, tức tỷ lệ nghịch với điện trở của nhánh

Thay thế điện trở đấu song song bằng một điện trở tương đương R để giữ nguyên dòng điện trong mạch chính I Dòng điện I bằng tổng các dòng điện trong các mạch nhánh.

Từ đó điện trở tương đương:

Ta có g = g1 + g2 + g3 = gi (1 -27) và: R tđ

Nghĩa là: điện dẫn tương đương của các nhánh song song bằng tổng điện dẫn của từng nhánh

Ta xét một số trường hợp riêng sau đây :

- Mạch có n điện trở bằng nhau đấu song song R1 = R2 = = Rn, điện dẫn tương đương sẽ là : g = ngn

Và điện trở tương đương :

- Mạch có ba điện trở đấu song song :

- Mạch có hai điện trở đấu song song

Quan hệ giữa dòng điện mạch chính với các dòng điện mạch nhánh như sau :

Từ đó, nếu biết I, ta tìm dòng điện trong các mạch nhánh:

Trường hợp chỉ có hai điện trở đấu song song:

Ngược lại, nếu biết dòng điện mạch nhánh ta tìm được dòng điện trong mạch chính:

Trường hợp có hai điện trở đấu song song:

Công suất tiêu thụ trong các nhánh đấu song song:

Công suất tiêu thụ trên mỗi điện trở trong mạch đấu song song tỉ lệ thuận với điện dẫn của nhánh và tỉ lệ nghịch với điện trở Do điện áp đặt vào các nhánh là như nhau, chế độ làm việc của mỗi nhánh không ảnh hưởng đến các nhánh khác Vì lý do này, hầu hết các thiết bị đều được đấu song song.

Ba bóng đèn có điện trở R1, R2 và R3 lần lượt là R1 `Ω`, R2 0Ω và R3 0Ω được đấu song song và đặt vào điện áp U = 120V Cần tính điện trở tương đương, dòng điện qua mỗi nhánh và dòng điện qua mạch chính.

Giải: Điện dẫn tương đương của ba bóng là: g = g1 + g2 + g3 = s

Dòng điện trong mỗi bóng:

Dòng điện trong mạch chính:

1.8.3 Biến đổi Sao - Tam giác

Ba điện trở được gọi là đấu Sao khi chúng có ba đầu nối với nhau tại một điểm chung 0, trong khi ba đầu còn lại được kết nối với ba phần tử khác trong mạch.

- Ba điện trở gọi là đấu Tam giác khi lần lượt mỗi điện trở có hai đầu đấu với hai điện trở còn lại (hình 1.16)

Việc chuyển đổi sơ đồ từ Sao sang Tam giác hoặc ngược lại thường giúp đơn giản hóa sơ đồ và rút ngắn thời gian giải Nguyên tắc của quá trình này là chỉ thực hiện biến đổi bên trong mà không làm ảnh hưởng đến các thông số của các phần khác trong mạch điện, đảm bảo dòng điện đến các nút A vẫn được duy trì.

B, C, điện thế các điểm A, B, C trước và sau phép biến đổi Sao - Tam giác không thay đổi

Hình 1.17 Biến đổi Sao - Tam giác

Khi dòng điện IA = 0, điện trở tương đương giữa hai điểm B và C trong sơ đồ hình sao và hình tam giác cần được xác định để đảm bảo điều kiện dòng và áp suất không đổi giữa các điểm này.

Tương tự giả thiết IB = 0 thì

Cộng (a) + (b) + (c) vế với vế rồi chia đôi hai vế ta được:

Thay các giá trị của (a), (b), (c) vào (d) để có công thức biến đổi từ tam giác sang sao Từ hệ thức này, ta có thể tìm ra công thức biến đổi từ sao sang tam giác.

Trường hợp các điện trở bằng nhau:

Nếu RA = RB = RC = RY và RAB = RBC = RCA = R các công thức biến đổi sẽ là:

Từ sao sang tam giác:

Từ tam giác sang sao:

Từ trường

Khái niệm về từ trường

2.1.1 Từ trường của nam châm vĩnh cửu

Nam châm vĩnh cửu (NS) tạo ra một từ trường xung quanh, có khả năng hút các vật liệu sắt và các cực từ khác tên, đồng thời đẩy các cực từ cùng tên.

Từ trường của nam châm vĩnh cửu là do dòng điện phân tử tạo nên

Để biểu diễn từ trường, người ta sử dụng các đường sức từ, là những đường cong trong từ trường mà tiếp tuyến tại mỗi điểm trùng với hướng của kim nam châm Đường sức từ của nam châm vĩnh cửu có chiều đi ra từ cực bắc (N) và đi vào cực nam (S).

Hình 2.1 Đường sức từ trường

Từ phổ là tập hợp các đường sức từ Để vẽ từ phổ, ta có thể rắc mạt sắt lên tấm bìa trong từ trường và gõ nhẹ, khiến mạt sắt nhiễm từ trở thành kim nam châm và sắp xếp theo các đường sức từ.

2.1.2 Từ trường của dòng điện:

Một trong những đặc tính quan trọng nhất của dòng điện là tạo ra từ trường, nó biểu hiện ở chỗ:

- Khi đặt kim nam châm gần dòng điện, kim lệch khỏi vị trí ban đầu Khi dòng điện không còn kim lại trở về vị trí cũ

- Hai dây dẫn có dòng điện sẽ hút hoặc đẩy nhau tuỳ theo chiều dòng điện trong chúng cùng chiều hay ngược chiều nhau

Xung quanh dây dẫn có dòng điện luôn xuất hiện một điện trường, thể hiện qua lực tác động lên kim nam châm hoặc dây dẫn mang dòng điện khác Lực này được gọi là lực điện từ.

Từ trường là một dạng vật chất đặc biệt, chỉ xuất hiện tại những khu vực có dòng điện hoặc điện tích chuyển động Ngược lại, ở những nơi có dòng điện, từ trường luôn hiện hữu.

Từ trường dòng điện không những phụ thuộc vào độ lớn dòng điện mà còn phụ thuộc vào hình dạng của dây dẫn mang chúng

2.1.3 Chiều từ trường của một số dây dẫn mang dòng điện a Từ trường của dây dẫn thẳng mang dòng điện Đường sức từ của từ trường của dây dẫn thẳng là các đường tròn đồng tâm nằm trong mặt phẳng vuông góc với trục dây dẫn, tâm của các đường tròn nằm trên trục dây dẫn

Chiều của đường sức từ được xác định theo quy tắc vặn nút chai: khi cái vặn nút chai di chuyển theo chiều dòng điện, thì chiều quay của tay vặn nút chai sẽ tương ứng với chiều của đường sức từ.

Từ trường của dây dẫn thẳng mang dòng điện và từ trường của vòng dây tròn mang dòng điện được thể hiện qua các đường sức từ Đường sức từ trong vòng dây tròn là các đường cong bao quanh dây dẫn, nằm trên mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng của dây dẫn Tại tâm của vòng tròn, đường sức từ trở thành đường thẳng.

Chiều của đường sức từ được xác định theo quy tắc vặn nút chai: khi quay tay vặn nút chai theo chiều dòng điện, chiều tiến của cái vặn nút chai sẽ chỉ hướng của đường sức từ.

Hình 2.3 Từ trường của vòng dây tròn mang dòng điện c Từ trường của ống dây hình trụ mang dòng điện

Khi chiều dài ống dây lớn hơn nhiều so với đường kính của nó, đường sức từ bên trong ống dây sẽ trở thành những đường thẳng song song với nhau và với trục của ống dây Chiều của đường sức từ được xác định theo quy tắc vặn nút chai, tương tự như với vòng dây Đối với nam châm vĩnh cửu, từ trường đều được thể hiện qua các đường sức từ, đi từ cực bắc (N) đến cực nam (S).

Khi hai cực nam châm được đặt gần nhau trên một mặt phẳng, các đường sức từ sẽ tạo thành các đường thẳng song song và cách đều Hiện tượng này được gọi là từ trường đều.

Hình 2.4 Đường sức từ trường

Các đại lượng từ cơ bản

Dòng điện tạo ra từ trường, và khả năng này được gọi là sức từ động (s.t.đ) hay lực từ hoá của dây dẫn mang dòng điện, ký hiệu là F.

Xét nguồn từ đặc trưng là cuộn dây lõi thép có dòng điện chạy qua (Hình 2.5)

- Cường độ dòng điện chạy qua cuộn dây là I

- Số vòng cuộn dây là W

Cường độ dòng điện qua cuộn dây càng lớn thì sức từ động (s.t.đ) càng tăng Nếu cuộn dây có W vòng, sức từ động sẽ lớn gấp W lần so với cuộn dây chỉ có một vòng nhưng có cùng cường độ dòng điện.

Nghĩa là s.t.đ tỷ lệ với cường độ dòng điện và số vòng của cuộn dây từ hoá

F = I.W Nếu đơn vị của I là Ampe, của W là vòng thì đơn vị của s.t.đ là ampe - vòng (A.Vg) hay Ampe (A)

Chiều của s.t.đ trùng với chiều đường sức từ trong lòng cuộn dây do đó nó được xác định theo quy tắc vặn nút chai

Trong mạch điện s.t.đ được biểu diễn bằng mũi tên giống như s.đ.đ

2.2.2 Cường độ từ trường (H) Để biểu diễn từ trường người ta dùng đường sức từ Khi đó s.t.đ được phân bố đều dọc theo đường sức từ

Cường độ từ trường, ký hiệu là H, được định nghĩa là tỷ số giữa lực từ hoá và độ dài đường sức từ, thể hiện độ mạnh yếu của từ trường tại một điểm cụ thể.

Cường độ từ trường là đại lượng véc tơ có:

- Phương trùng với phương tiếp tuyến với đường sức từ tại điểm xét

- Chiều trùng với chiều đường sức từ qua điểm xét

- Trị số cường độ từ trường tỷ lệ với dòng điện từ hoá, phụ thuộc vào hình dáng dây dẫn mang dòng điện và vị trí điểm xét

Gọi Chiều dài đường sức từ là l, đơn vị là mét (m)

S.t.đ của nguồn từ là F, đơn vị là Ampe (A)

Ta có cường độ từ trường là:

Như vậy đơn vị của cường độ từ trường là Ampe /mét (A/m)

Ví dụ 2.1 : Tính cường độ từ trường tại một điểm cách trục dây dẫn thẳng một khoảng r, biết dòng điện qua dây dẫn có cường độ là I (hình 2.6)

- Chiều dòng điện như hình vẽ, ta có chiều đường sức xác định theo quy tắc vặn nút chai như hình vẽ

- Chiều dài đường sức đi qua điểm A là: l = 2r

- Cường độ từ trường tại điểm A là:

- Phương chiều của H xác định như Hình 2.6

Trong từ trường đều, véc tơ cường độ từ trường bằng nhau ở mọi điểm (Cùng phương, chiều, trị số)

Vật chất được hình thành từ các phân tử và nguyên tử, trong đó các điện tích di chuyển liên tục, tạo ra dòng điện phân tử và hình thành từ trường.

43 gọi là các lưỡng cực từ Bình thường các lưỡng cực từ sắp xếp hỗn độn nên từ trường tổng của chúng bằng không

Khi vật chất được đặt trong từ trường, các lưỡng cực từ sẽ sắp xếp lại theo hướng của từ trường bên ngoài, từ đó ảnh hưởng đến từ trường ban đầu Do đó, với cùng một dòng điện từ hóa, nếu đặt trong các môi trường khác nhau, sẽ tạo ra các từ trường có cường độ mạnh yếu khác nhau.

Cường độ từ trường chỉ phản ánh độ mạnh của từ trường trong khả năng từ hóa mà chưa tính đến ảnh hưởng của môi trường Để đặc trưng hóa độ mạnh của từ trường với sự tác động của môi trường, người ta sử dụng đại lượng cường độ từ cảm, ký hiệu là B Cường độ từ cảm cũng là một đại lượng véc tơ có phương chiều tương tự như cường độ từ trường và có độ lớn tỷ lệ với cường độ từ trường.

B = tH Trong đó: t Hệ số từ thẩm tuyệt đối của môi trường

Trong biểu thức cường độ từ cảm t được gọi là hệ số từ thẩm tuyệt đối của môi trường, phụ thuộc vào môi trường cụ thể

Trong môi trường chân không ta có cường độ từ cảm là B0, khi đó hệ số từ thẩm tuyệt đối của chân không là 0, ta có:

B0 = 0 H Với 0 = 125.10 -8 H/m, trong đó H là ký hiệu của đơn vị đo gọi là Henri

Cường độ từ cảm trong chân không, ký hiệu là B0, là cường độ từ cảm không bị ảnh hưởng bởi môi trường Hệ số từ thẩm tương đối của môi trường, ký hiệu là μ, được xác định bằng tỷ số giữa cường độ từ cảm trong môi trường và cường độ từ cảm trong chân không.

Hệ số từ thẩm tương đối  cho ta biết mức độ ảnh hưởng của môi trường lên từ trường Từ công thức trên ta có:

Hệ số từ thẩm tuyệt đối của môi trường được tính bằng cách nhân hệ số từ thẩm tuyệt đối của chân không với hệ số từ thẩm tương đối của môi trường Đơn vị của hệ số này, ký hiệu là t, tương đương với đơn vị của 0, tức là H/m hoặc .sec/m.

44 Đơn vị đo cường độ từ cảm lúc đó được tính là: Đơn vị V.s được gọi là Vêbe, ký hiệu là Wb

Từ đó đơn vị cường độ từ cảm là Wb/m 2 gọi là Tesla, ký hiệu là T

1T = 1Wb/m 2 Ngoài ra người ta còn dùng đơn vị Gaosơ 1 Gaosơ = 10 -4 T

Từ thông qua mặt phẳng S được định nghĩa là tích của hình chiếu véc tơ cường độ từ cảm lên phương vuông góc với mặt phẳng S và diện tích của mặt phẳng đó.

S đó, ký hiệu là  (Hình 2.7)

Ta xét ba trường hợp: a Từ thông của từ trường đều có cường độ từ cảm là B, qua mặt phẳng S đặt vuông góc với đường sức từ, ta có:

Từ thông của từ trường qua mặt phẳng S được đặt xiên với đường sức từ, tạo thành một góc  với phương vuông góc của nó.

Từ thông của từ trường không đều được tính bằng cách chia mặt S thành các phần vô cùng bé dS, trong đó từ trường được coi là đều Từ thông qua mặt dS được xác định bởi công thức dΦ = Bn.dS, với Bn là hình chiếu của véc tơ B lên phương vuông góc với dS Tổng từ thông qua mặt S là tổng của tất cả các từ thông qua các mặt dS.

45 Đơn vị từ thông là:

Vậy đơn vị đo từ thông là Vêbe

Vì thế người ta thường gọi cường độ từ cảm là mật độ từ thông.

Lực điện từ

Đặt một dây dẫn vuông góc với đường sức từ trường, có dòng điện chạy qua (Hình 2.8)

Thực nghiệm chứng tỏ rằng sẽ có lực điện từ tác dụng lên dây dẫn:

Độ lớn của lực tác dụng phụ thuộc vào cường độ từ cảm, chiều dài của dây dẫn trong từ trường và cường độ dòng điện chạy qua dây dẫn.

F = BIl Trong đó: F - lực điện từ tác dụng lên dây dẫn (N)

I - Cường độ dòng điện (A) l - chiều dài tác dụng của dây dẫn (m)

Theo quy tắc bàn tay trái, khi ngửa bàn tay trái với đường sức từ (véc tơ cường độ từ cảm B) đi qua lòng bàn tay, bốn ngón tay duỗi thẳng theo chiều dòng điện, thì ngón tay cái sẽ chỉ ra chiều của lực điện từ.

Trường hợp dây dẫn đặt không vuông góc mà tạo với đường sức từ một góc

  90 0 (Hình 2.10), ta phân véc tơ B thành hai thành phần:

+ Thành phần tiếp tuyến Bt song song với dây dẫn

+ Thành phần pháp tuyến Bn vuông góc với dây dẫn

Chỉ có thành phần Bn tạo ra lực điện từ, và cả trị số lẫn phương chiều của lực tác dụng đều được xác định dựa trên thành phần Bn.

Dây dẫn có dòng điện I = 200A được đặt trong từ trường đều với B = 0,8T Phần dây dẫn nằm trong từ trường có chiều dài l = 0,5m Cần xác định lực tác dụng lên dây dẫn khi góc giữa dây dẫn và từ trường là  = 30°.

Giải: Độ lớn lực điện từ là:

2.3.2 Lực tác dụng giữa hai dây dẫn song song có dòng điện

Giả sử có hai dây dẫn thẳng song song, cách nhau một khoảng a, với dòng điện I1 và I2 chạy qua Hai dòng điện này có thể cùng chiều hoặc ngược chiều nhau.

Dòng điện I1 tạo ra từ trường có cường độ từ cảm B1 tại vị trí đặt dây dẫn có dòng điện I2 chạy qua

Dòng điện I2 tạo ra từ trường có cường độ từ cảm B2 tại vị trí đặt dây dẫn có dòng điện I1 chạy qua

Trị số cường độ từ cảm:

Chiều B1; B2 xác định theo quy tắc vặn nút chai

Từ trường B1 tác động lên dây dẫn có dòng điện I2, tạo ra một lực F2 được xác định theo công thức: F2 = B1 * I2 * l, trong đó l là chiều dài đoạn dây dẫn song song.

Tương tự Từ trường B2 tác dụng lên dây dẫn có dòng điện I1 chạy qua một lực là F1 xác định theo biểu thức:

Chiều của dòng điện trong F1 và F2 được xác định theo quy tắc bàn tay trái Hai dây dẫn song song có dòng điện chạy cùng chiều sẽ hút nhau, trong khi dòng điện ngược chiều sẽ đẩy nhau Lực tác dụng lên hai dây dẫn luôn bằng và ngược chiều nhau, với trị số xác định.

Lực này gọi là lực điện động a

Lực điện động trên một đơn vị chiều dài là:

Từ trường của một số dạng dây dẫn có dòng điện

Tại điểm A, cách trục dây dẫn một khoảng r, cường độ từ trường được xác định bởi dòng điện I chạy trong dây dẫn Cường độ từ trường giảm dần khi khoảng cách từ dây dẫn tăng lên, với cường độ từ trường đạt giá trị cực đại tại bề mặt dây dẫn.

Cường độ từ cảm tại điểm A là: Ở đây I đo bằng A, r đo bằng m thì B tính bằng T

- Tại một điểm nằm trong dây dẫn: Xét từ trường tại điểm B cách trục dây dẫn một khoảng r < a, với a là bán kính tiết diện dây dẫn (hình 2.13 )

Mật độ dòng điện trong dây dẫn là:

Qua điểm B ta vẽ vòng tròn có bán kính r, diện tích vòng tròn đó là: Sr = r 2 Cường độ từ cảm tại điểm B là: m a N

Như vậy cường độ từ trưòng trong lòng dây dẫn tỷ lệ với khoảng cách từ trục dây dẫn đến điểm xét Cường độ từ trường lớn nhất tại r = a

Từ đó ta vẽ được đồ thị từ trường dọc theo bán kính tiết diện như hình 2.12b

Dây dẫn có bán kính a = 0,2 cm và dòng điện I = 40 A chạy qua, được đặt trong không khí với độ từ thẩm  = 1 Cần xác định từ trường B và trường H tại các điểm a, b, c, cách trục dây dẫn lần lượt 0,1 m, 0,2 m và 0,8 m.

Điểm a nằm trong bán kính tiết diện của dây dẫn, do đó cường độ từ trường và từ cảm tại đây được xác định Điểm b nằm trên bề mặt dây dẫn, trong khi điểm c nằm ngoài dây dẫn, dẫn đến các cường độ từ trường khác nhau tại các vị trí này.

2.4.2 Từ trường của cuộn dây hình xuyến

Cuộn dây hình xuyến có W vòng và dòng điện I chạy qua, tạo ra đường sức từ trong lòng cuộn dây dưới dạng những đường tròn đồng tâm, với tâm trùng khớp với tâm của xuyến.

Xét điểm A nằm cách tâm xuyến một khoảng r Đường tròn đi qua điểm A chính là đường sức từ S.t.đ dọc theo đường sức từ đó được tính theo công thức:

F = H.l, với l là chiều dài đường sức từ qua điểm A Xét các trường hợp: a Nếu r < R1 (R1 là bán kính trong của xuyến), điểm A nằm ngoài xuyến nhưng gần tâm, khi đó H = 0 b Nếu r > R2 (R2 là bán kính ngoài của xuyến), điểm A nằm ngoài và xa tâm, khi đó H = 0 c Nếu R1 < r < R2, điểm A nằm trong lòng xuyến, cường độ từ trường tại điểm A sẽ được xác định.

Với r là khoảng cách từ A đến tâm xuyến Cường độ từ cảm tại điểm A là:

Tại mặt trong của xuyến, r = R1= rmin cường độ từ trường có giá trị lớn nhất

Tại mặt ngoài của xuyến, r = R2 = rmax cường độ từ trường có giá trị nhỏ nhất

Khi bán kính tiết diện xuyến nhỏ hơn nhiếu so với R1 và R2 thì ta có thể lấy cường độ từ cảm trong lòng xuyến bằng giá trị trung bình:

Vật liệu sắt từ

Dựa vào hệ số từ thẩm, vật liệu từ được phân loại thành nhiều loại khác nhau Vật liệu từ thường có hệ số từ thẩm tương đối gần bằng 1, tức là cường độ từ trường trong loại vật liệu này tương đương với cường độ từ trường trong chân không.

Vật liệu từ thường chia làm hai loại :

Vật liệu thuận từ là những vật liệu có độ từ thẩm lớn hơn 1, chẳng hạn như không khí, nhôm và thiếc Trong các vật liệu này, cường độ từ trường cao hơn một chút so với trong chân không; ví dụ, không khí có độ từ thẩm là 1,0000031.

Vật liệu nghịch từ là những vật liệu có độ từ thẩm ($\mu$) nhỏ hơn 1, như đồng, chì, bạc và kẽm, với cường độ từ trường trong môi trường này chỉ hơi thấp hơn so với chân không, ví dụ như đồng có $\mu = 0,999995$ Ngược lại, vật liệu sắt từ có hệ số từ thẩm tương đối ($\mu$) lớn hơn nhiều lần so với 1, dẫn đến cường độ từ trường trong các vật liệu này mạnh hơn rất nhiều so với chân không, có thể từ vài trăm đến vài chục nghìn lần Các vật liệu sắt từ bao gồm sắt, niken, coban và các hợp kim của chúng như ferit và pecmalôi.

2.5.2 Từ tính của sắt từ

Sắt từ là loại vật liệu từ có  rất lớn Nguyên nhân do đặc điểm cấu tạo của nó

Cấu tạo vật liệu thường chứa các mô men từ của nguyên tử hoặc phân tử, do sự quay của các điện tử quanh hạt nhân và tự quay quanh trục của chúng.

Trong sắt từ, các mô men từ được phân thành các miền có cùng hướng, có kích thước từ $10^{-2}$ đến $10^{-6}$ cm³, được gọi là các miền từ hóa tự nhiên hay Đômen từ.

Khi các đômen từ trong vật liệu sắt từ được sắp xếp ngẫu nhiên, từ trường tổng hợp của chúng bằng không Khi đặt vật liệu sắt từ vào từ trường ngoài, quá trình từ hóa xảy ra, bao gồm hai hiện tượng: các đômen từ có hướng gần trùng với từ trường ngoài sẽ tăng thể tích, trong khi các đômen khác sẽ giảm thể tích Đồng thời, các đômen từ sẽ quay theo hướng của từ trường ngoài Kết quả là từ trường tổng hợp giữa từ trường ngoài và từ trường của sắt từ sẽ lớn hơn nhiều so với từ trường ban đầu.

Từ trường ngoài ban đầu được ký hiệu là B0, trong khi Bđ là từ trường tổng của các đômen từ đã được định hướng Từ trường tổng hợp B trong sắt từ sẽ được xác định dựa trên các yếu tố này.

Khi tất cả các đômen từ đã được định hướng, từ trường Bđ không còn tăng nữa, và từ trường tổng B sẽ tỷ lệ với cường độ từ trường H, dẫn đến giai đoạn bão hoà từ.

Khi sắt từ được từ hoá, nếu loại bỏ từ trường bên ngoài, một số đômen vẫn giữ hướng cũ, dẫn đến việc sắt từ vẫn còn từ cảm Hiện tượng này được gọi là từ dư, và nó là cơ sở cho nhiều ứng dụng trong công nghệ từ tính.

Để chế tạo nam châm vĩnh cửu, cần lưu ý rằng sau một thời gian, do chuyển động nhiệt, các đômen sẽ quay về hướng cũ, dẫn đến việc từ dư yếu dần Khi vật liệu có từ dư bị đốt nóng, hiện tượng khử từ xảy ra, làm mất đi từ dư do chuyển động nhiệt.

2.5.3 Chu trình từ hoá của sắt từ

Nghiên cứu chu trình từ hóa của sắt từ tập trung vào mối quan hệ giữa từ trường B và cường độ từ H Mối quan hệ này rất phức tạp và để hiểu rõ hơn, chúng ta tiến hành các thí nghiệm cụ thể.

Khi đặt sắt từ trong từ trường ngoài và tăng dần cường độ từ trường từ H = 0, ban đầu từ thông B tăng nhanh theo tỷ lệ với H, nhưng sau đó chậm dần Đường cong B = f(H) nghiêng dần về phía trục H, cho thấy giai đoạn bắt đầu bão hòa từ, trong đó độ từ thẩm  giảm dần (Hình 2.15).

Khi H đủ lớn B tăng rất chậm theo H và đến điểm a đường cong B(H) gần như nằm ngang,  gần bằng đơn vị, đó là giai đoạn bão hoà thực sự

- Khi đạt tới điểm bão hoà thực sự (điểm a) ta giảm dần H, B giảm theo, lúc đầu B giảm chậm sau đó giảm nhanh (đoạn ab)

Hiện tượng từ trễ xảy ra khi cường độ từ cảm B biến thiên chậm hơn cường độ từ trường H Cụ thể, với cùng một trị số cường độ từ trường H, có hai giá trị cường độ từ cảm B, trong đó B giảm chậm hơn so với H khi H tăng.

Khi H bằng không B vẫn lớn hơn không (điểm b) Đoạn ob gọi là giá trị từ dư, ký hiệu Br

Ta thay đổi chiều H bằng cách điều chỉnh chiều dòng điện từ hóa và tăng dần về phía âm Tại điểm c, từ trường B đạt giá trị bằng không Đoạn oc được gọi là giá trị từ trường khử từ, ký hiệu là Hc.

Tiếp tục giảm H theo chiều âm cho đến khi đạt đến giai đoạn bão hòa thực sự, ta sẽ có đoạn cd Điểm d tương ứng với điểm bão hòa về phía âm, tại đó có từ trường.

Hd và từ cảm Bd

Cảm ứng điện từ

Mạch điện xoay chiều hình sin 1 pha

Tiêu đề	Giáo trình Điện kỹ thuật (Nghề: Kỹ thuật máy lạnh và điều hòa không khí - Trung cấp)
Tác giả	Trần Thị Hương Giang, Nguyễn Thị Nguyệt, Lê Thị Thu Hằng
Trường học	Trường Cao đẳng nghề Việt Nam - Hàn Quốc, Hà Nội
Chuyên ngành	Kỹ thuật máy lạnh và điều hòa không khí
Thể loại	Giáo trình
Năm xuất bản	2021
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	129
Dung lượng	3,27 MB