Bài giảng kỹ thuật điện 2

Dòng điện là dòng chuyển dời có hướng của các hạt mang điện tích dưới tác dụng của lực điện trường. Quy ước: Chiều dòng điện là chiều chuyển dời của các điện tích dương. Cường độ dòng điện ( Ký hiệu là I ): là đại lượng dùng để đo mức độ mạnh yếu của dòng điện. Biểu thức:

­kh¸I­niÖm­chung­vÒ­

dßng­®iÖn­vµ­m¹ch­®iÖn

Mục đích:

Trang bị cho học sinh khái niệm cơ bản về dòng điện, phân

loại, mật độ dòng điện, các định luật cơ bản của mạch điện

Yêu cầu:

+ Hiểu đ ợc ý nghĩa, biểu thức, đơn vị các đại l ợng đặc tr ng cho dòng điện và mạch điện;

+ Hiểu đ ợc và vận dụng đ ợc các định luật cơ bản: định luật

Ôm, định luật Jun - Len xơ và áp dụng các định luật đó để giảI

VÝ dô:

+ - -

+ - -

D

Khi ta nèi vËt dÉn A tÝch ®iÖn víi vËt B kh«ng tÝch ®iÖn qua cËt dÉn D thi c¸c ®iÖn tÝch sÏ chuyÓn dêi tõ A sang B t¹o thµnh dßng ®iÖn tÝch

1.2.1 Dòng điện - c ờng độ dòng điện:

- Dòng điện là dòng chuyển dời có h ớng của các hạt

mang điện tích d ới tác dụng của lực điện tr ờng.

- Quy ớc: Chiều dòng điện là chiều chuyển dời của các điện tích d ơng.

- C ờng độ dòng điện ( Ký hiệu là I ): là đại l ợng dùng để đo mức độ mạnh yếu của dòng điện

- Biểu thức:

Ví dụ 1: Tụ điện tích điện đến 5.10-6C, rồi phóng trong thời gian 0.001s Tính c ờng độ trung binh trong thời gian phóng?

Mạch điện bao gồm ba phần tử cơ bản tạo thành:

+ Nguồn điện: là thiết bị biến đổi các dạng năng l ợng khác sang điện năng nh pin, ắc qui, máy phát điện … .

MF DC

§Ìn

Nguån ®iÖn

+ Phụ tải: là thiết bị tiêu thụ điện năng và biến đổi

*Nút(n): là điểm gặp nhau ít nhất từ 3 nhánh trở lên.

*Vòng(v): là lối đi khép kín bất kỳ qua các nhánh

của mạch điện:

+Vòng độc lập: không chứa nhánh bên trong.

3 Mô hinh mạch điện:

Mô hinh mạch điện còn gọi là sơ đồ thay thế của mạch

điện, trong đó kết cấu hinh học và quá trinh năng l ợng giống nh ở mạch điện thực, nh ng các phần tử ở mạch

điện thực đã đ ợc mô hinh hóa bằng các thông số lý t ởng nh e, J, R, L, C, M … .

Ví dụ:

1.5 Sức điện động của nguồn điện (E)

Sức điện động của nguồn điện bằng điện áp trên hai cực của nguồn khi hở mạch ngoài.

1.5 Sức điện động của nguồn điện (E)

Sức điện động của nguồn điện bằng điện áp trên hai cực của nguồn khi hở mạch ngoài

1.6 Công và công suất

- Công của dòng điện là công của lực làm di chuyển các

điện tích trong mạch điện

A = q.U = U.I.t (J)

- Công suất là công của dòng điện thực hiện trong một

đơn vị thời gian

P = A/t = U.I (kW, W)

1.7.Biến đổi điện n ng thành nhiệt n ng ăng thành nhiệt năng ăng thành nhiệt năng

1.7.1 Sự phát nhiệt của dòng điện ịnh luật Jun - Len xơ định luật Jun - Len xơ

Dòng điện tích chuyển động trong vật dẫn làm va chạm với các vật dẫn, truyền bớt năng l ợng cho các phân tử, làm

tăng mức chuyển động nhiệt trong vật dẫn Nh vậy, dòng điện qua vật dẫn sẽ làm nóng vật dẫn, tức điện năng đã chuyển hóa thành nhiệt

Gọi điện trở của vật dẫn là R, công của dòng điện A= I2Rt (J)

Biết đ ơng l ợng nhiệt của công là 0,24calo với mỗi Jun, nên nhiệt l ợng do công A chuyển hóa là Q= 0.24A= 0.24 I2Rt

định luật Jun - Len xơ : Nhiệt l ợng do dòng điện tỏa

Ví dụ: một dụng cụ nhiệt có điện trở là 24, đặt vào điện áp 110V Tính nhiệt l ợng tỏa ra trong 0.5h?

1.8 Mạch điện có 2 nguồn

Trong mạch điện có chứa nhiều nguồn tác động, dòng điện, điện áp trên mạch bằng tổng đại số các đáp ứng thành phần Khi chịu tác động của từng nguồn thi các

nguồn kia đ ợc gọi là ngắn mạch

Khi nguồn làm việc ở chế độ tải, điện áp trên 2 cực của nguồn bằng tổng sức điện động với điện áp rơi trên nội trở của nguồn

Khi nguồn làm ở chế độ phát, điện áp trên 2 cực của nguồn bằng hiệu sức điện động với điện áp rơi trên nội trở của nguồn

0

.r

I

U  

Câu hỏi và bài tập ch ơng 1

Câu 1: Nêu các công thức tính dòng điện, điện áp, điện trở cho các đoạn

mạch mắc nối tiếp và song song? Vẽ sơ đồ minh họa?

Câu 2: Có 4 Bóng đèn cùng loại (110 V-150W ) mắc vào l ới điện xoay

chiều có U= 220V.

- Vẽ sơ đồ cách mắc các bóng đèn đó?

- Tính dòng điện và công suất mạch tiêu thụ?

- Nếu một trong 4 bóng bị cháy thi tinh trạng làm việc của mạch nh thế nào?

Câu 3: Một bóng đèn sợi đốt trên vỏ có ghi (100W-220V) Giải thích ký

hiệu?

- Nếu mắc bóng đó vào điện áp U = 230V thi công suất bóng tiêu thụ thực tế là bao nhiêu? Độ sáng của bóng nh thế nào? Tuổi thọ có ảnh h ởng

­tÝnh­m¹ch­®iÖn­mét­chiÒu

2.1 Các định luật kiếchốp

2.1.1 Một số định nghĩa cơ bản

- Nhánh(m): là một phần của mạch điện trong đó gồm các

phần tử mắc nối tiếp nhau và có cùng dòng điện chạy qua

- Nút(n): là điểm gặp nhau ít nhất từ 3 nhánh trở lên.

- Vòng: là lối đi khép kín qua các nhánh

* Vòng độc lập: không chứa nhánh bên trong.

* Vòng phụ thuộc: là vòng có chứa nhánh bên trong

2.1 định luật Kirhof

2.1.1 ịnh luật Kirhof 1( phát biểu cho một nút): định luật Jun - Len xơ

*Nội dung định luật: Tổng đại số các dòng điện tại 1 nút bằng 0.

(+), dòng điện rời khỏi nút mang dấu âm(-) hoặc ng ợc lại.

* Ví dụ: Viết K1 cho nút a

2.1.2 định luật Kirhof 2( Phát biểu cho một vòng kín):

*Nội dung định luật: Đi theo một vòng kín với chiều tùy ý, tổng đại số các điện áp rơi trên các phần tử R bằng tổng các sức điện động trong vòng đó, trong đó nếu sức điện động và điện áp có chiều trùng với chiều

đi vòng sẽ mang dấu d ơng, ng ợc lại mang dấu âm.

*Biểu thức tổng quát: U = E

*Chú ý: Ta th ờng chọn chiều d ơng của dòng điện và

điện áp trên các phần tử trùng nhau, do đó trên hinh vẽ

ta chỉ kí hiệu chiều dòng điện và khi viết định luật K2dấu của các điện áp trên R phụ thuộc chiều của dòng

3 GhÐp hçn hîp: KÕt hîp c¶ nèi tiÕp vµ song song

Ví dụ : Tính điện trở tương đương,dòng điện trong mạch điện sau Biết R1 = R6= 1; R2 = 2; R3 =3; R4 = 4; R5 = 5; U= 120V

2

3 2

31 23

12

31

12 1

Z Z

Z

Z

Z Z

Z Z

Z

Z

Z Z

2 23

3

2 1 2

1 12

Z

Z Z Z

Z Z

Z

Z Z Z

Z Z

2.2.2 Biến đổi t ơng đ ơng sao - tam giác và tam giác -sao

1.7.3 Gi¶i m¹ch ®iÖn 1 chiÒu b»ng ph ¬ng ph¸p dßng ®iÖn nh¸nh:

- ViÕt (m -1) ph ¬ng trinh Kiªchèp I cho nót

- ViÕt M = (n-m+1) ph ¬ng trinh KiÕchèp II cho vßng

VÝ dô 2:

) (

6 );

( 5

) (

125 );

( 90

3 2

1

2 3

R

V E

V E

* C¸c b íc gi¶i m¹ch ®iÖn b»ng ph ¬ng ph¸p dßng ®iÖn vßng:

Bước 1: Tùy ý chọn chiều dòng điện nhánh và dòng điện

1.7.4 Gi¶i m¹ch ®iÖn 1 chiÒu b»ng ph ¬ng ph¸p dßng ®iÖn vòng

Khi viết hệ phương trình ta vận dụng định luật Kiếchốp2 viết cho một vòng như sau:

Tổng đại số điện áp rơi trên các tổng trở của vòng do các dòng điện vòng gây ra bằng tổng đại số các sức điện động của vòng Trong đó các dòng điện vòng, các sức điện động

có chiều trùng với chiều đi vòng thì lấy dấu dương, ngược lại lấy dấu âm

VÝ dô ¸p dông 2: Cho

) 100

) (

5 ),

( 10

) (

10

) (

22

3

2 1

2

3 1

V E

V E

3 Ph ơng pháp điện thế hai nút:

* Các b ớc giải:

* B ớc1:Tùy ý chọn chiều dòng điện nhánh và điện áp 2 nút

*B ớc 2:Tim điện áp gi a 2 nút theo công thức:

Nếu Sđ đ ng ợc chiều điện áp lấy dấu d ơng và ng ợc lại

* B ớc 3: Tim dòng điện trên các nhánh( áp dụng định luật ôm

cho nhánh có nguồn) theo CT:

Nếu Sđđ và điện áp cùng chiều dòng trên nhánh mang dấu d

Y

Y E U

Z Y

Y U

E Z

/ 1

) (

VÝ dô 2:Cho

) (

100

) (

5 ),

( 10

) (

11

) (

22

3

2 1

2

3 1

V E

V E

•Các b ớc giải mạch điện:

+ B ớc 1: Phân tích mạch:-Tùy chọn 1 nút tiện nhất coi là làm

chuẩn và coi nút đó có điện thế = 0(o = 0)

+ B ớc 2: Chọn ẩn số là điện thế của (n-1) nút còn lại

+ B ớc 3:Viết hệ PT cho mạch theo dạng PT (N)

+ B ớc 4: Giải hệ để tìm (n-1) ẩn số là điện thế.

- áp dụng định luật ôm cho đoạn mạch có nguồn để tim

* Ví dụ:Viết PT tìm dòng điện trong các nhánh theo sơ đồ sau theo ph ơng pháp điện thế các nút:

* Ví dụ:Viết PT tìm dòng điện trong các nhánh theo sơ đồ sau theo ph ơng pháp điện thế các nút:

VÝ dô ¸p dông 3:Cho

) (

10 10

) (

5 ),

( 10 10

) (

30 110

) (

220 )

( 0 220

3

2 1

0 2

*

0

* 3 1

Z j

Z

V E

V V

E E

Ph ơng pháp này rút ra từ tính chất cơ bản của hệ ph ơng trinh tuyến tính: Trong mạch điện tuyến tính nhiều nguồn, dòng điện qua mỗi nhánh bằng tổng đại số các dòng điện qua nhánh do tác dụng riêng rẽ của từng sức

điện động ( lúc đó các Sđđ khác đ ợc coi bằng không)

đ iện áp trên mỗi nhánh cũng bằng tổng đại số các điện áp gây nên trên nhánh do tác dụng riêng rẽ từng Sđđ.

1 Các b ớc giải mạch điện bằng ph ơng pháp xếp chồng:

*B ớc 1: Cho từng nguồn tác động riêng rẽ( coi các nguồn khác

= 0) Tim đ ợc các đáp ứng cần tim do 1 nguồn tác động

*B ớc 2: Xếp chồng kết quả lại, đ ợc đáp ứng do cỏc nguồn gõy

ra

2.Chú ý: Khi cho từng nguồn tác động riêng rẽ :

+ đối với thành phần 1 chiều: R không đổi, thành phần điện

kháng XL =L=0ngắn mạch, thành phần XC = 1/ C =

hở mạch (I=0) nh ng vẫn có tác dụng nạp điện áp cho tụ, điện

áp trên phần tử bằng điện áp nối song song với nó

+ đối với các thành phần khác thi các tổng trở trên các đáp ứng

đều phụ thuộc vào tần số nh ng đối với mỗi một thành phần là hàm sin, ta có thể ỏp dụng các ph ơng pháp đã học để tính

3.VÝ dô 1: Gi¶i m¹ch ®iÖn b»ng ph ¬ng ph¸p xÕp chång BiÕt:

Cho nguồn E1 tác động, E2 coi bằng 0 và trở thành dây dẫn Khi đó ta có sơ đồ mạch điện như sau:

R 2

R 1

a

Cho nguồn E2 tác động, E1 coi bằng 0 và trở thành dây dẫn Khi đó ta có sơ đồ mạch điện như sau:

E 2

R 3

R 2

R 1 a

Cho nguồn E1 tác động, E2 coi bằng 0 và trở thành dây dẫn Khi đó ta có sơ đồ mạch điện như sau:

E 1

R 3

c

R 2

R 1

VÝ dô 2: Gi¶i m¹ch ®iÖn b»ng ph ¬ng ph¸p xÕp chång BiÕt:

Câu hỏi và bài tập ch ơng 2

Câu 1: Em hãy nêu nh ng phần tử cơ bản của mạch điện Giải thích chức

n ă ng, nhiệm vụ của từng phần tử và vẽ hinh minh hoạ?

Câu 2: Em hãy phát biểu định luật Kiếc xốp 1 và 2 Viết công thức tổng

quát biểu diễn hai định luật đó và cho ví dụ minh hoạ?

Câu 3: Hai bóng đèn số liệu ghi trên bóng thứ nhất 40 W - 120 V, trên

bóng thứ 2 ghi 60 W - 120 V đấu nối tiếp với nhau đặt vào điện áp 200V Tính công suát tiêu thụ mỗi bóng đèn và điện áp đặt vào từng bóng?

Câu 4: Phụ tải gồm 3 điện trở đấu song song R1 = 25 ; R2 = 10 ; R3 = 50 , lấy điện từ nguồn U = 234 Vqua đ ờng dây có điện trở R = 0,25

Câu 5: Ng ời ta dung bộ ắc quy có sức điện động là 231 V, dòng điện lớn

nhất cấp cho tải là Imax = 35 A Nếu dùng các ắc quy có thông số Eo = 2,2V; I ắc quy = 10A; Ro = 0,008 , thi cần dùng bao nhiêu binh ắc quy thi

đủ? Vẽ sơ đồ nối dây và tính điện trở trong của cả bộ?

Câu 6: Bốn máy phát điện có điện trở trong bằng nhau r 0 = 0,1, có

s.đ.đ lần l ợt là E1 = 123V; E2 = 120V; E3 = 122V; E4 = 117V đấu song song cung cấp cho phụ tải r = 6 Xác định điện áp trên tải, dòng điện trong các nhánh ? Em có nhận xét gi?

ưtừưtrường

Mục đích:

Trang bị cho học sinh khái niệm về từ tr ờng của dòng điện, các

đại l ợng từ cơ bản, định luật bảo toàn dòng điện, từ tr ờng của một số dây dẫn, lực điện từ và công của lực điện từ

là từ tr ờng, lực t ơng tác gọi là lực từ, quá trinh t ơng tác đó gọi

là quá trinh t ơng tác từ

Từ tr ờng của nam châm vĩnh cửu là do chuyển động tự quay và quay quanh quỹ đạo chuyển động của các điện tử trong

Ng ợc lại, từ tr ờng chỉ tồn tại xung quanh các điện tích chuyển

động

định nghĩa: Từ tr ờng là dạng vật chất tồn tại xung quanh các điện tích chuyển động và biểu hiện đặc tr ng là tác dụng lực từ lên các hạt mang điện tích chuyển động khác đặt

để biểu diễn đSt ng ời ta dùng ph ơng pháp: rắc mạt sắt lên

một tấm bia cứng đặt trong từ tr ờng Khi đó mỗi mạt sắt bị

nhiễm từ và trở thành một nam châm nhỏ, gõ nhẹ tấm bia, các mạt sắt sẽ sắp xếp thành các đ ờng cong xác định, đó chính là các đ ờng sức từ Bằng cách đó, ng ời ta xác định đ ợc các đ ờng sức từ luôn là nh ng đ ờng cong khép kín Nơi nào từ tr ờng

mạnh, các đ ờng sức từ dày, nơI nào yếu các đ ờng sức từ th a

Từ tr ờng có các đ ờng sức từ song song cách đều nhau gọi là từ

tr ờng đều

Tập hợp các đ ờng sức từ gọi là từ phổ.

3.1.3 Từ tr ờng của nam châm vĩnh cửu:

N

3.2.ưcácưđạiưlượngưtừưcơưbản 3.2.1 Sức từ động:

Dòng điện là nguồn tạo ra từ tr ờng, khả năng gây từ của dây dẫn gọi là lực từ hóa hay sức từ động ( F) Sức từ động tỷ lệ với dòng điện từ hóa ( IF)

+ Nếu cuộn dây có W vòng thi F = I0 W ( ampe- vòng )

+ Chiều của sức từ động xác định bằng quy tắc bàn tay trái

3.2.2 C ờng độ từ tr ờng:

Cùng với một dòng điện từ hóa, ở nh ng điểm khác nhau thi độ mạnh, yếu của từ tr ờng cũng khác nhau đại l ợng đặc tr ng cho

+ Về trị số: H = F/I ( ampe/ mét)

+ C ờng độ từ tr ờng tại một điểm cách trục dây dẫn thẳng có dòng điện I một khoảng R là:

) / (

0 A m L

W

I

H 

+ C ờng độ từ tr ờng trong ống dây có chiều dài L, số vòng dây

W và dòng điện I chạy qua ống dây là:

) /

(

2 R A m

I H





3.2.3 C ờng độ từ cảm:

C ờng độ từ cảm là một đại l ợng véc tơ có điểm đặt là điểm

đang xét, ph ơng và chiều là ph ơng và chiều của H tại điểm

+ để đánh giá ảnh h ởng của môi tr ờng vật chất lên từ tr ờng so với khi đặt trong môi tr ờng chân không, ng ời ta dùng đại l ợng

B

Hệ số từ thẩm t ơng đối cho biết khi đặt vào môi tr ờng vật chất

c ờng độ từ cảm mạnh lên  so với khi đặt trong chân không

3.2.5 Từ thông:

3.3.1 Thí nghiệm:

đặt một dây dẫn thẳng vuông góc với các đ ờng sức trong một

từ tr ờng đều có cảm ứng từ B, cho dòng điện đi qua dây dẫn, ta thấy dây dẫn chuyển động trong mặt phẳng chứa dây dẫn và vuông góc với đ ờng sức từ, Ngắt dòng điện, dây dẫn ngừng

chuyển động đổi chiều dòng điện qua dây dẫn hoặc giữ

nguyên chiều dòng điện, đổi chiều của cảm ứng từ B, dây dẫn

I

3.3.2 giải thích hiện t ợng:

Trong dây dẫn có các điện tử tự do, dây dẫn đ ợc đặt trong từ tr ờng nên mỗi điện tử sẽ chịu tác dụng của một lực Khi ch a có dòng điện chạy qua dây dẫn ( dây dẫn ch a đ ợc nối với nguồn), các điện tử tự do chuyển động hỗn loạn nên tổng từ lực tác

dụng bằng 0, do đó dây dẫn không chuyển động Khi nối dây dẫn với nguồn điện, các điện tử tự do chuyển động theo một h ớng xác định nên tổng từ lực tác dụng nên chúng khác 0, làm dây dẫn chuyển động, lực tác dụng của từ tr ờng lên dòng điện gọi là lực điện từ

3.3.3 Lực điện từ:

Từ cảm, độ dài dây dẫn nằm trong từ tr ờng và c ờng độ dòng

điện chạy qua dây dẫn

Bt

2 Quy t¾c bµn tay tr¸i:

Ngöa bµn tay tr¸i cho c¸c ® êng søc xuyªn vµo lßng bµn tay tr¸i, chiÒu 4 ngãn tay duçi th¼ng theo chiÒu dßng ®iÖn, ngãn c¸i cho·ii ra 900 chØ chiÒu cña lùc ®iÖn tõ

­c¶m­øng­®iÖn­tõ

Mục đích:

Trang bị cho học sinh khái niệm cơ bản về hiện t ợng,định luật

và ý nghĩa của định luật cảm ứng điện từ

Ta tiến hành thí nghiệm như sau:

Nối hai đầu cuộn dây với một điện kế, rồi đưa một nam châm vào trong lòng cuộn dây Trong quá trình nam châm di chuyển vào trong cuộn dây, kim điện kế bị lệch, chứng tỏ có SĐĐ và dòng điện trong cuộn dây Khi nam châm đã đứng yên, kim

điện kế lại chỉ 0 Rút nam châm khỏi cuộn dây, kim điện kế lại lệch, nhưng lêch về phía ngược lại Đổi cực nam châm rồi lại đưa vào lòng cuộn dây, kim điện kế lại lệch, nhưng ngược với phía lệch của cực nam châm cũ

Bằng các thí nghiệm tương tự, ta thấy một hiện tượng quan

trọng gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ

2 Định luật: Khi từ thông qua cuộn dây biến thiên thì trong cuộn dây xuất hiện một SĐĐ gọi là SĐ Đ cảm ứng SĐ Đ

4.1.2 Giải thích hiện tượng như sau:

Để giải thích nguyên nhân xuất hiện SĐĐ cảm ứng, ta xét một dây dẫn thẳng chuyển động trong một từ trường đều B, với

vận tốc không đổi là V theo phương vuông góc với đường sức:

-

-+ +

F0

F0

L

Trong dây dẫn có các điện tử tự do và các ion dương Khi dây dẫn chuyển động, các điện tử tự do và các ion dương cũng

chuyển động theo Sự chuyển động của các điện tích dương

tạo thành dòng điện cùng chiều với phương chuyển động, còn các điện tử sẽ tạo thành dòng điện có chiều ngược lại Kết quả

là các điện tích dương tương đương với dòng điện theo chiều của V Dòng điện này nằm trong từ trường B nên mỗi điện tích

-

-+ +