Giáo trình Điện kỹ thuật - CĐ Nghề Công Nghiệp Hà Nội

(NB) Giáo trình Điện kỹ thuật gồm các nội dung chính như sau: Mạch điện một chiều; Từ trường và cảm ứng điện từ; Dòng điện hình sin; Mạch điện xoay chiều ba pha. Mời các bạn cùng tham khảo!

TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Chủ biên: TRẦN THỊ THU HUYỀN

-*** -

GIÁO TRÌNH ĐIỆN KỸ THUẬT

( Lưu hành nội bộ)

HÀ NỘI 2012

LỜI NÓI ĐẦU

Trong chương trình đào tạo của các trường trung cấp nghề, cao đẳng nghề Điện tử dân dụng thực hành nghề giữ một vị trí rất quan trọng: rèn luyện tay nghề cho học sinh Việc dạy thực hành đòi hỏi nhiều yếu tố: vật tư thiết bị đầy đủ đồng thời cần một giáo trình nội bộ, mang tính khoa học và đáp ứng với yêu cầu thực tế

Nội dung của giáo trình “ĐIỆN KỸ THUẬT” đã được xây dựng trên cơ sở kế thừa những nội dung giảng dạy của các trường, kết hợp với những nội dung mới nhằm đáp ứng yêu cầu nâng cao chất lượng đào tạo phục vụ sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước,

Giáo trình được biên soạn ngắn gọn, dễ hiểu, bổ sung nhiều kiến thức mới và biên soạn theo quan điểm mở, nghĩa là, đề cập những nội dung cơ bản, cốt yếu để tùy theo tính chất của các ngành nghề đào tạo mà nhà trường tự điều chỉnh cho thích hợp và không trái với quy định của chương trình khung đào tạo cao đẳng nghề

Tuy các tác giả đã có nhiều cố gắng khi biên soạn, nhưng giáo trình chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được sự tham gia đóng góp ý kiến của các bạn đồng nghiệp và các chuyên gia kỹ thuật đầu ngành

Xin trân trọng cảm ơn!

Tuyên bố bản quyền

Tài liệu này là loại giáo trình nội bộ dùng trong nhà trường với mục đích làm tài liệu giảng dạy cho giáo viên và học sinh, sinh viên nên các nguồn thông tin có thể được tham khảo

Tài liệu phải do trường Cao đẳng nghề Công nghiệp Hà Nội in ấn và phát hành

Việc sử dụng tài liệu này với mục đích thương mại hoặc khác với mục đích trên đều bị nghiêm cấm và bị coi là vi phạm bản quyền

Trường Cao đẳng nghề Công nghiệp Hà Nội xin chân thành cảm ơn các thông tin giúp cho nhà trường bảo vệ bản quyền của mình

Nội dung tổng quát và phân phối thời gian:

số thuyết Bài

tập

(LT hoặc TH)

I Mạch điện một chiều 16 10 5 1

- Mạch điện và các phần tử mạch 0.5 0.5

- Các đại lượng đặc trưng quá

trình năng lượng trong mạch điện 1 1

- Mô hình mạch điện một chiều 0.5 0.5

- Các định luật của mạch điện 2 2

- Các biến đổi tương đương 3 2 1

- Đại cương về từ trường 1.5 1 0,5

- Từ trường của dòng điện 1.5 1,5

- Các đại lượng đặc trưng của từ

III Dòng điện hình sin 15 10 4 1

- Khái niệm về dòng điện hình

- Khái niệm về nguồn điện ba

- Các cách nối dây máy điện 3 2 1

- Công suất của mạch điện ba pha 1 1

- Cách nối nguồn và tải trong

Ghi chú : Thời gian kiểm tra lý thuyết được tính vào giờ lý thuyết, kiểm tra thực hành

được tính vào giờ thực hành

2 Bản chất dũng điện trong cỏc mụi trường:

a Dũng điện trong kim loại:

b Dũng điện trong mụi trường điện ly

c Dũng điện trong khụng khớ

3 Cường độ dũng điện:

Cường độ dũng điện được tớnh bằng lượng điện tớch chuyển dịch qua một tiết diện dõy dẫn trong một đơn vị thời gian

4 Mật độ dũng điện

5 Sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ

6 Điều kiện duy trỡ dũng điện

1.2 Kết cấu hình học của mạch điện

1.2.1 Phụ tảI ( cũn gọi là thiết bị tiờu thụ điện)

Phụ tải (tải) là các thiết bị điện tiêu thụ điện năng để biến đổi thành các dạng năng l-ợng khác nh- cơ năng (động cơ điện), nhiệt năng (bàn là điện, bếp điện), quang năng (đèn điện)…

Thiết bị tiờu thụ điện được kớ hiệu trờn sơ đồ là một điện trở R

1.2.2 Nguồn điện:

Nguồn điện là cỏc thiết bị biến đổi cỏc dạng năng lượng khỏc như cơ năng ( mỏy phỏt ), nhiệt năng( than đỏ, nhiờn liệu) như mỏy phỏt diesel, quang năng ( như pin mặt trời), húa năng ( như ắcqui) thành điện năng cung cấp nguồn điện cho cỏc thiết bị tiờu thụ điện năng

Kớ hiệu trờn sơ đồ của nguồn điện là một sức điện động E và điện trở trong Ro

Mạch điện phức tạp có nhiều nhánh, nhiều mạch vòng và nhiều nút

1.3 Các đại l-ợng đặc tr-ng quá trình

năng l-ợng trong mạch điện

1.3 1 Dòng điện

Dòng điện i có trị số bằng tốc độ biến thiên của điện l-ợng Q qua tiết diện ngang của vật dẫn

Tại mỗi điểm trong mạch điện có một điện thế  Hiệu

điện thế giữa 2 điểm gọi là điện áp U, đơn vị là von, V

Điện áp giữa 2 điểm A và B (hình 1.8) là:

UAB = A - B (1-2)

Chiều điện áp quy -ớc là chiều từ điểm có điện thế cao

đến điểm có điện thế thấp

Điện áp giữa 2 cực của nguồn điện khi hở mạch ngoài (dòng điện

Khi tính toán, mạch điện thực đ-ợc thay thế bằng một sơ

đồ gọi là mô hình mạch điện, trong đó các phần tử đ-ợc thay thế bằng các phần tử lý t-ởng E, J, R

1.4.1 Sức điện động E

Sức điện động E là phần tử lý t-ởng, có

trị số bằng điện áp U đo đ-ợc giữa 2 cực của

nguồn khi hở mạch ngoài Chiều của sức điện

động quy -ớc từ điện thế thấp đến điện thế

Sơ đồ thay thế của nguồn điện

gồm sức điện động E nối tiếp với

điện trở trong Rn (hình 1.12)

Khi giải mạch điện có các phần

tử tranzito, nhiều khi nguồn điện có sơ đồ thay thế là

nguån dßng ®iÖn J =

n R

E

t n

4 24 1

 = 4A

1.4 PHÂN LOẠI VÀ CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA MẠCH ĐIỆN

1.4.1 Phân loại theo loại dòng điện

a Mạch điện một chiều: Dòngđiện một chiều là dòng điện có chiều không đổi

theo thời gian Mạch điện có dòng điện một chiều chạy qua gọi là mạch điện một chiều Dòng điện có trị số và chiều không thay đổi theo thời gian gọi là dòng điện không

đổi (hình 1.4.a)

b Mạch điện xoay chiều: Dòng điện xoay chiều là dòng điện có chiều biến đổi

theo thời gian Dòng điện xoay chiều được sử dụng nhiều nhất là dòng điện hình sin

1.4.3 Phụ thuộc vào quá trình năng lượng trong mạch người ta phân ra

chế độ xác lập và chế độ quá độ

a Chế độ xác lập: Chế độ xác lập là quá trình, trong đó dưới tác động của các

nguồn, dòng điện và điện áp trên các nhánh đạt trạng thái ổn định Ở chế độ xác lập, dòng điện, điện áp trên các nhánh biến thiên theo một quy luật giống với quy luật biến thiên của nguồn điện

b Chế độ quá độ: Chế độ quá độ là quá trình chuyển tiếp từ chế độ xác lập này

sang chế độ xác lập khác Ở chế độ quá độ, dòng điện và điện áp biến thiên theo các quy luật khác với quy luật biến thiên ở chế độ xác lập

1.4.4 Phân loại theo bài toán về mạch điện

Có hai loại bài toán về mạch điện: phân tích mạch và tổng hợp mạch

Nội dung bài toán phân tích mạch là cho biết các thông số và kết cấu mạch điện,

cần tính dòng, áp và công suất các nhánh

Tổng hợp mạch là bài toán ngược lại, cần phải thành lập một mạch điện với các

thông số và kết cấu thích hợp, để đạt các yêu cầu định trước về dòng, áp và năng lượng

5 CÁC PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI TƯƠNG ĐƯƠNG

Biến đổi t-ơng đ-ơng nhằm mục đích đ-a mạch điện phức tạp về dạng đơn giản hơn Khi biến đổi t-ơng đ-ơng, dòng

điện, điện áp tại các bộ phận không bị biến đổi vẫn giữ nguyên D-ới đây đ-a ra một số biến đổi t-ơng đ-ơng th-ờng gặp

5.1.Biến đổi điện trở tương đương:

a Các điện trở mắc nối tiếp

Điện trở t-ơng đ-ơng Rtđ của các điện trở R1, R2, Rn mắc nối tiếp (hình 1.25) là:

Rtđ = R1 + R2 + …Rn (1-13)

b.Các điện trở mắc song song

Điện trở t-ơng đ-ơng Rtđ của các điện trở R1, R2…Rnmắc song song (hình 1.26) tính nh- sau:

n

td R R R R

1

1 1 1

2 1







(1-14)

Khi chỉ có 2 điện trở R1, R2 mắc song song điện trở t-ơng đ-ơng của chúng

Rtđ =

2 1

2

1

R R

R R

Ví dụ 5: Tính dòng điện I trong mạch điện hình 1.27

Lời giải:

Tr-ớc hết tính điện trở t-ơng đ-ơng R23 của 2 điện trở

R2 và R3 nối song song

3 2

3 2

R R

R R

Sau khi tính đ-ợc R23 ta có mạch thay thế đơn giản hơn (hình 1.27b)

Các điện trở R1, R23, R4 mắc nối tiếp, điện trở t-ơng

110





5.3: Biến đổi nguồn tương đương:

a Mạch cú cỏc nguồn mắc nối tiếp:

Cho sơ đồ mạch điện gồm n phần tử nguồn mắc nối tiếp như hỡnh vẽ:

- Gọi sức điện động của mỗi phần tử nguồn là E0

- Gọi điện trở trong của mỗi phần tử nguồn là r0

- Gọi sức điện động của bộ nguồn là E

- Gọi điện trở trong của mỗi bộ nguồn là r

- Gọi dòng điện qua mỗi phần tử nguồn là Io

- Gọi dòng điện của mạch là I

Ta có kết quả như sau:

Lấy kết quả : số ắc qui cần dùng để đấu nối tiếp là: 10 cái

b Mạch có các nguồn mắc song song:

Cho sơ đồ mạch điện gồm n phần tử nguồn mắc song song như hình vẽ:

- Gọi sức điện động của mỗi phần tử nguồn là E0

- Gọi điện trở trong của mỗi phần tử nguồn là r0

- Gọi sức điện động của bộ nguồn là E

- Gọi điện trở trong của mỗi bộ nguồn là r

- Gọi dòng điện qua mỗi phần tử nguồn là Io

- Gọi dòng điện của mạch là I

Ta có kết quả như sau:

Cho sơ đồ mạch điện gồm m mạch nguồn mắc song song, mỗi mạch có n phần tử nguồn

mắc nối tiếp như hình vẽ:

- Gọi sức điện động của mỗi phần tử nguồn là E0

- Gọi điện trở trong của mỗi phần tử nguồn là r0

- Gọi sức điện động của bộ nguồn là E

- Gọi điện trở trong của mỗi bộ nguồn là r

- Gọi dòng điện qua mỗi phần tử nguồn là Io

- Gọi dòng điện của mạch là I

Ta có kết quả như sau:

- Ta dùng phương pháp ghép song song các ắc qui thành bộ nguồn

Số mạch ắc qui cần dùng là: m = I/Io = 10/0.5=20

Lấy kết quả : số mạch ắc qui cần dùng để đấu nối tiếp là: 20 mạch

- Trong mỗi mạch, ta dùng phương pháp ghép nối tiếp các ắc qui thành bộ

Số ắc qui cần trong mỗi mạch là: n = E/Eo = 110/12 ≈ 9.2

Lấy kết quả : số ắc qui cần dùng để đấu nối tiếp là: 10 cái

- Vậy số ắc qui cần dựng để đấu thành bộ là: 10 x 20 = 200 ( cỏi)

3 Các định luật CƠ BẢN CỦA MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU

Các định luật của mạch điện đã học ở vật lý, ở đây nhấn mạnh áp dụng và thực hành và vận dụng các biểu thức vào tính toán mạch điện

3 1: Định luật Ôm

a Nhánh thuần điện trở R

Xét nhánh thuần điện btrở (hình 1.18) Biểu thức tính điện áp trên điện trở:

= (R1 + R2) I - (E1 - E2)

Vậy: U = (R) I - E (1-9)

Trong biểu thức (1-9), quy -ớc dấu nh- sau:

Sức điện động E và dòng điện I có chiều trùng với chiều

điện áp U sẽ láy dấu d-ơng, ng-ợc lại sẽ lấy dấu âm

Biểu thức tính dòng điện:

I =

R

E U







(1-10) Trong biểu thức (1-10) quy -ớc dấu nh- sau:

Sức điện động E và điện áp U có chiều trùng với chiều dòng điện sẽ lấy dấu

R

U AB

30 3

115 90

3



Dòng điện I3 < 0, chiều thực của dòng điện I3 ng-ợc với chiều đã vẽ trên hình 1.21

2 Định luật Kiêcshôp

2.1: Định luật Kiêcshôp 1

Định luật này cho ta quan hệ giữa các

dòng điện tại một nút, đ-ợc phát biểu nh-

sau:

Tổng đại số những dòng điện ở một nút bằng

không

Trong đó quy -ớc dòng điện đi tới nút

lấy dấu d-ơng, dòng điện rời khỏi nút lấy

Định luật này cho ta quan hệ giữa sức điện động, dòng

điện và điện trở trong một mạch vòng khép kín, đ-ợc phát biểu nh- sau:

Đi theo một mạch vòng khép kín theo một chiều tuỳ ý chọn, tổng đại số những sức điện động bằng tổng đại số các

điện áp rơi trên các điện trở của

mạch vòng

RI = E (1-12)

Quy -ớc dấu: các sức điện động,

dòng điện có chiều trùng chiều mạch

vòng lấy dấu d-ơng, ng-ợc lại lấy dấu

âm

ở mạch vòng hình 1.23:

R1I1 - R2I2 + R3I3 = E1 + E2 - E3

Ví dụ 4: Tính dòng điện I3 và các sức điện động E1, E3 trong mạch điện hình 1.24 Cho biết I2 = 10A; I1 = 4A; R1 = 1; R2

E3 = R3I3 + R2I2 = 5.6 + 2.10 = 50V

4 Cỏc khỏi niệm cơ bản về dũng điện xc 3 pha

4 1 khái niệm mạch điện hình sin 3 pha

Ngày nay dòng điện xoay chiều ba pha đ-ợc sử dụng rộng rãi trong các ngành sản xuất vì :

- Động cơ điện ba pha có cấu tạo đơn giản và đặc tính tốt hơn động cơ điện một pha

- Truyền tải điện năng bằng mạch điện ba pha tiết kiệm

đ-ợc dây dẫn, giảm bớt tổn thất điện năng và tổn thất điện

áp so với truyền tải điện năng bằng dòng điện một pha

Mạch điện ba pha bao gồm nguồn điện ba pha, đ-ờng dây truyền tải và các tải ba pha

* Định nghĩa hệ thống điện 3 pha cân bằng

Để tạo ra dòng điện xoay chiều ba pha, ng-ời ta dùng các máy phát điện xoay chiều ba pha Loại máy phát điện trong các nhà máy phát điện đồng bộ (đ-ợc trìng bày chi

tiết trong máy điện) Cấu tạo của máy phát điện đòng bộ (hình 4.1) gồm:

- Ba dây cuốn ba pha đặt trong các rãnh của lõi thép stato (phần tĩnh) Các dây cuốn này th-ờng ký hiệu là: AX(dây cuốn pha A), BY(dây cuốn

pha B), CZ(dây cuốn pha C)

Các dây cuốn của các pha có

cùng số vòng dây và lệch nhau

một góc 1200 điện trong không

gian

- Phần quay (còn gọi là rôto) là nam châm điện N-S

Khi quay rôto, từ tr-ờng sẽ quét qua các dây cuốn pha

A, pha B, pha C của stato và trong dây cuốn pha stato xuất hiện sức điện động cảm ứng, sức điện động này có dạng hình sin cùng biên độ, cùng tần số góc  và lệch pha nhau một góc

eC=E 2sin(t

-3

4 ) = E 2sin(t +

3

2 ) hoặc biểu diễn bằng số phức

Mỗi pha của nguồn (hoặc tải) có đầu và cuối Th-ờng q-n

ký hiệu đầu pha là A,B,C, cuối pha là X,Y,Z Muốn nối hình sao ta nối ba điểm cuối của pha với nhau tạo thành điểm trung tính(hình 4.4a)

Đối với nguồn,ba điểm cuối X,Y,Z,nối với nhau thành điểm trung tính 0 của nguồn

Đối với tải,ba điểm cuối X', Y',Z',nối với nhau tạo thành trung tính 0 của tải

Ba dây nối 3 điểm đầu A,B,c,của nguồn với 3 điểm đầu các pha của tải gọi là ba dây pha

Dây dẫn nối điểm trung tính của nguồn tới điểm trung tính của tải gọi là dây trung tính

*.Các quan hệ giữa đại l-ợng dây và pha khi đối xứng

a.Quan hệ giữ dòng điện dây và dòng điện pha

Dòng điện pha IP, là dòng điện chạy trong mỗi pha của nguồn(hoặc tải) Dòng điện dây Id chạy trong các dây pha nối

từ nguồn tải tới Các dòng điện này đã đ-ợc ký hiệu trên hình 4.4 Nhìn vào mạch điện ta thấy quan hệ giữa dòng điện dây và dòng điện pha nh- sau

b.Quan hệ giữa điệp dây và điện áp pha

Điện áp pha UP là điện áp giữa điểm đầu và điểm cuối của mỗi pha (hoặc giữa điểm đầu của mỗi pha và điểm trung tính, hoặc giữa dây pha và dây trung tính)

Điện áp dây Ud là điện áp giữa 2 điểm đầu của 2 pha(hoặc

điện áp giữa 2 dây pha), ví dụ điện áp dây UAB(giữa pha A và pha B), UBC(giữa pha B và pha C), UCA (giữa pha C và pha A)

Theo định nghĩa điện áp dây ta có:

vẽ đồ thị vectơ điện áp dây nh- hình 4.4b hoặc 4.4c

Xét tam giác OAB(hình 4,4b)

AB = 2AH = 2OAcos300 = 2OA

Từ đồ thị vectơ, ta thấy: Khi điện áp pha đối xứng, thì

điện áp dây đối xứng

Khi tải đối xứng IA,IB ,IC tạo thành

hình sao đối xứng, dòng điện trong

* Cách nối

Muốn nối hình tam giác, ta lấy đầu pha này nối với cuối pha kia Ví dụ A nối với Z; B nối với X; C nối với Y (hình 4.6) Cách nối tam giác không có dây trung tính

* Các quan hệ giữa đại l-ợng dây và pha khi đối xứng

Khi giải mạch điện nối tam giác ta th-ờng quen quy -ớc: chiều d-ơng dòng điện các pha Ip của nguồn ng-ợc chiều quay kim đồng hồ, chiều d-ơng dòng điện pha của tải cùng chiều quay kim đồng hồ (hình 4.6)

Các đại l-ợng dây và pha đ-ợc ký hiệu trên hình 4.6a

a Quan hệ giữa điện áp dây và điện áp pha

Nhìn vào mạch điện nối tam giác ta thấy:

Ud = Up

b Quan hệ giữa dòng điện dây và dòng điện pha

áp dụng định luật Kiêcshôp 1 tại các nút ta có:

Dòng điện IA, IB, IC chạy trên các dây pha từ nguồn điện

đến tải là dòng điện dây Id Dòng điện IAB, IBC, ICA chạy trong các pha là dòng điện pha, lệch pha với điện áp UAB,

Câu hỏi ôn tập và bài tập

1.1 Nguồn điện là gì? Tải là gì? Hãy cho các ví dụ về

nguồn điện và tải

1.2 Phát biểu định luật Ôm

1.3 Phát biểu định luật Kiêcshôp

1.6 Cho E = 100V; R = 10; I = 5A Tính điện áp U trong 2

B1.6b

Đáp số: a UAB = 150V

1 Nhiệm vụ, yêu cầu và phân loại máy điện

1 Nh÷ng kh¸i niÖm c¬ b¶n vÒ tõ tr-êng

Nam ch©m vÜnh cöu, nam ch©m ®iÖn, d©y dÉn mang dßng

®iÖn t¹o ra xung quanh chóng tõ tr-êng Tõ tr-êng ®-îc biÓu diÔn b»ng c¸c ®-êng søc tõ tr-êng (®-êng c¶m øng tõ) ®i tõ cùc b¾c (N) tíi cøc nam (S) vµ trë vÒ cùc b¾c qua lâi nam ch©m (h×nh 2.1a,b)

Đối với dây dẫn thẳng dài mang điện, chiều từ tr-ờng

đ-ợc xác định theo quy tắc vặn nút chai; nếu chiều dòng

điện trùng với chiều tiến của cái mở nút chai thì chiều quay của cái mở nút chai xác định cho ta chiều từ tr-ờng ở mỗi điểm (hình 2.2a)

Ta cũng có thể sử dụng quy tắc bàn tay phải (hình 2.2b):

ngón tay cái h-ớng theo chiều dòng điện, bốn ngón tay còn lại chỉ h-ớng đ-ờng sức từ tr-ờng

Đối với cuộn dây gồm một

mở nút chai trùng với chiều dòng điện thì chiều tiến của cái mở nút chai là chiều đ-ờng sức từ tr-ờng (hình 2.3)

Sự có mặt của từ tr-ờng trong không gian đặc tr-ng bằng các biểu hiện sau:

1.1 Lực từ giữa các cực của nam châm

Hai cực khác tên của 2 nam châm đặt gần nhau, sẽ hút nhau (hình 2.4) Ng-ợc lại 2 cực cùng tên để gần nhanh sẽ

Sự xuất hiện sức điện động cảm ứng vào một vòng dây khi

từ tr-ờng biến thiên hoặc thanh dẫn chuyển động trong từ tr-ờng

2 C-ờng độ từ cảm - c-ờng độ từ tr-ờng - từ thông

Từ tr-ờng phân bố trong không gian đ-ợc biểu diễn bằng các đ-ờng sức từ tr-ờng, nó là đ-ờng cong khép kín, tiếp tuyến tại mỗi điểm trùng với ph-ơng của từ tr-ờng tại điểm

ấy, mật độ đ-ờng sức lớn hay nhỏ cho biết từ tr-ờng mạnh hay yếu Cách biểu diễn bằng đ-ờng sức cho ta thấy một cách t-ờng minh sự phân bố của từ tr-ờng tuy nhiên trong tính toán, nghiên cứ, để đặc tr-ng cho từ tr-ờng ng-ời ta dùng khái niệm vectơ c-ờng độ từ cảm B

2 1 Véctơ c-ờng độ từ cảm B

Từ tr-ờng đ-ợc đặc tr-ng bởi đại l-ợng vật lý là vectơ c-ờng độ từ cảm B(gọi tắt là vectơ từ cảm, vectơ cảm ứng từ) Trị số B của vectơ từ cảm B cho ta biết từ tr-ờng mạnh hay yếu Chiều của vectơ từ cảm B là chiều của từ tr-ờng (chiều của đ-ờng sức từ tr-ờng)

Trong hệ đơn vị quốc tế (SI), đơn vị của c-ờng độ từ cảm là tesla, ký hiệu là T Trong các máy điện, c-ờng độ từ cảm B th-ờng khoảng từ 1T đến 1,6T

2 2 Vectơ c-ờng độ từ tr-ờng H

Trong chân không vectơ từ cảm B đủ để mô tả trạng thí của từ tr-ờng Nh-ng trong môi tr-ờng vật chất ta phải xét

đến ảnh h-ởng của chúng lên từ tr-ờng Để thấy rõ, chúng ta hãy quan sát đ-ờng sức từ tr-ờng trong 2 tr-ờng hợp ở hình 2.6

Khi đặt vật liệu nh- giấy, thuỷ tinh, gỗ, nhựa vào trong từ tr-ờng của một nam châm, đ-ờng sức từ không bị biến dạng (hình 2.6a) song khi đặt một tấm sắt (dẫn từ tốt)

đ-ờng sức từ tập trung đi vào sắt, từ tr-ờng bị biến dạng (hình 2.6b) Để xét đến ảnh h-ởng này của môi tr-ờng vật chất, ng-ời ta dùng vectơ c-ờng độ từ tr-ờng H đặc tr-ng cho từ tr-ờng trong các môi tr-ờng vật chất

Trong môi tr-ờng đẳng h-ớng (môi tr-ờng có các tính chất vật lý đồng nhất theo mọi h-ớng khác nhau), quan hệ giữa vectơ từ cảm B và vectơ c-ờng độ từ tr-ờng H nh- sau:

 - hệ số (độ) từ thẩm của môi tr-ờng vật chất

Đơn vị của hệ số từ thẩm là henry trên mét, ký hiệu

m H

Trong thực tế hệ số từ thẩm của các vật liệu dẫn từ lớn gấp hàng nghìn lần của chân không, để so sánh ng-ời t- đ-a khái niệm hệ số từ thẩm t-ơng đối r

Trong kỹ thuật điện, các vật liệu sắt từ dẫn từ rất tốt

có r từ vài trăm đến vài vạn vì thế vật liệu sắt đ-ợc sử dụng để chế tạo các mạch từ cho các thiết bị điện

Biểu thức (2-1) áp dụng vào các bộ phận của các thiết

Thông l-ợng của vectơ B xuyên qua một bề mặt S đ-ợc gọi

Ví dụ 1: C-ờng độ từ cảm B d-ới mặt cực của một nam châm có

trị số là 8.10-3T Diện tích mặt cực S = 10dm2 Tính từ thông của mỗi cực từ

Lời giải:

Từ thông của mỗi cực từ:

 = BS = 8.10-3 10 102 = 8.10-4 Wb

Ví dụ 2: C-ờng độ từ cảm trong lõi thép của máy biến áp

(hình 2.7) là 1,45T Tiết diện ngang của lõi thép S = 120cm2 Tính từ thông chạy trong lõi thép

Lời giải:

Từ thông chạy trong lõi thép:

 = BS = 1,45.120.10-4 = 1,74.10-2 Wb

bằng dòng điện xoay chiều

ra không thuận nghịch, nghĩa là khi tăng c-ờng độ từ tr-ờng

H thì c-ờng độ từ cảm B tăng, quan hệ theo nhánh tăng, và khi H giảm thì B sẽ giảm, quna hệ với nhau theo nhánh giảm không trùng với nhánh tăng Đ-ờng cong quan hệ giữa B và H trong cả chu kỳ từ hoá gọi là đ-ờng khép kín từ trễ (hình 2.8)

Trong việc tính toán mạch từ th-ờng dùng đ-ờng cong từ hoá trung bình B = f(H) (hình 2.9)

Phụ thuộc vào loại thép sẽ có các đ-ờng cong từ hoá khác nhau Hình 2.10 là đ-ờng cong từ hoá của lá thép kỹ thuật điện cán nguội

Khi c-ờng độ từ cảm thấp quan hệ B(H) theo đ-ờng cong

I, khi c-ờng độ từ cảm lớn quan hệ B(H) theo đ-ờng cong II

Ví dụ 3: Lõi thép của máy biến áp làm bằng thép có đ-ờng

đặc tính từ hoá ở hình 2.10 Biết tiết diện ngang của lõi thép S = 90cm2, từ thông trong lõi thép  = 1,386.10-2

Wb Xác định c-ờng độ từ tr-ờng trong lõi thép

Lời giải:

C-ờng độ từ cảm:

B = T

S 90 10 1,54

10 386 , 1

Hiện t-ợng cảm ứng điện từ do Faraday phát hiệh năm

1931, sau đó năm 1983 Lentz phát hiện ra qui tắc về chiều Nội dung định luật nh- sau:khi từ thông xuyên qua vòng dây biến thiên, trong vòng dây sẽ cảm ứng ra sức điện động, sức

điện động ấy có chiều sao cho dòng điện đó sinh ra có xu h-ớng chống lại sự biến thiên của từ thông

Nếu chọn chiều d-ơng của sức điện động cảm ứng phù hợp với chiều của từ thông  theo qui tắc vặn nút chai(hình 2.11) sức điện động cảm ứng trong một vòng dây đ-ợc viết theo công thức Macxoen nh- sau:

e =

-dt

d

Dấu  trên hình 2.11 chỉ chiều từ thông  di từ độc giả vào trang giấy

Nếu cuộn dây có W vòng dây, sức điện động cảm ứng của cuộn dây sẽ là:

e =

-dt

d dt

gọi là từ thông móc vòng của cuộn dây

Trong các công thức trên từ thông đo bằng vebe (Wb), sức điện động cảm ứng đo bằng vôn(V)

sức điện động cảm ứng khi lõi sắt

chuyển động h-ớng vào cuộn dây ( Hình 2.12) Cho biết cuộn dây có 200 vòng

vòng dây tăng, l-ợng biến thiên từ thông d > 0,

Sức điện động e biến thiên hình sin theo thời gian Đây

là một ví dụ đơn giản giúp ta hiểu cách tạo ra dòng điện xoay chiều hình sin

3.2 Sức điện động cảm ứng trong thanh dẫn chuyển động trong từ tr-ờng

Khi một thanh dẫn chuyển động cắt đ-ờng sức từ tr-ờng, trong thanh dẫn sẽ cảm ứng sức điện động e có giá trị số là:

v - Vận tốc của thanh dẫn đo bằng m/s

 - Góc giữa chiều vận tốc với chiều từ tr-ờng  = (v, B)

Khi chiều chuyển động vuông góc với chiều từ tr-ờng (th-ờng gặp trong máy điện,  = 900

) thì sức điện động cảm ứng là:

e = Blv (2.11)

đ-ợc xác định theo qui tắc bàn tay phải

đ-ợc phát biểu nh- sau:

bàn tay phải, chiều chuyển động của

chiều của sức điện động cảm ứng

(hình 2.14)

Khi thanh dẫn chuyển động song song với ph-ơng từ tr-ờng trong thanh dẫn

sẽ không có sức điện động cảm ứng

Ví dụ 6: Một thanh dẫn ab chiều dài l = 0,5 m (hình

2.15) nằm trong từ tr-ờng đều B = 1,4 T Ng-ời ta tác dụng một lực cơ học Fcơ làm cho nó chuyển động với vận tốc v = 20

s

m

thẳng góc với ph-ơng từ tr-ờng Thanh dẫn tr-ợt trên hai thanh kim loại và 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 sức điện động cảm ứng trong thanh dẫn, công suất

điện trở tiêu thụ, công suất cơ và lực cơ học tác dụng vào thanh dẫn

14



Công suất điện trở tiêu thụ

Pđ = RI2 = 0,5 282 = 392 W

Bỏ qua tổn hao trong hệ thống, theo

định luật bảo toàn năng l-ợng công suất cơ tác dụng vào dây dẫn phải bằng công suất điện phát ra cung cấp cho điện trở

392

= 19,6N

Đây là một ví dụ đơn giản, giúp ta hiểu nguyên lý làm việc của các máy phát điện là: Nhờ từ tr-ờng, cơ năng đ-a vào trục của máy phát điện đ-ợc biến đổi thành điện năng lấy ra

ở dây quấn của máy phát để cung cấp cho tải

I - Dòng điện đo bằng A

l - Chiều dài hiệu dụng thanh dẫn đo bằng m

 - Góc giữa chiều dòng điện và chiều từ tr-ờng  =(



B

I )

Fđt = Lực điện từ đo bằng N (niutơn)

Khi thanh dẫn đặt vuông góc với từ tr-ờng (là tr-ờng hợp th-ờng gặp trong máy điện,  = 900) lực điện từ là:

Fđt = BIl (2-13)

Chiều lực điện từ xác định theo qui tắc bàn tay trái(hình 2.16) nh- sau: cho chiều đ-ờng sức từ tr-ờng xuyên vào lòng bàn tay trái, chiều dòng điện trùng với chiều 4 ngón tay, thì chiều ngón tay cái xoè ra là chiều lực điện từ Fđt

Ví dụ 7: Một thanh dẫn l = 2m có dòng điện I = 150mA

chạy qua, đặt vuông góc với từ tr-ờng đều B = 1,2T Chiều dòng điện đi từ độc giả vào trang giấy

áp dụng qui tắc bàn tay trái ta xác

định đ-ợc chiều lực điện từ h-ớng xuống

d-ới

Ví dụ 8: Xác định trị số và chiều của

lực điện từ Fđt tác dụng lên thanh dẫn

trong ví dụ 6

Lời giải:

Lực diện từ tác dụng lên thanh dẫn: