Bài giảng Kỹ thuật điện (Nghề: Vận hành nhà máy thủy điện) - Trường Cao Đẳng Lào Cai

Chia sẻ: Chuheo Dethuong25 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:107

Thêm vào BST

Báo xấu

44
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

(NB) Bài giảng Kỹ thuật điện cung cấp cho người học những kiến thức như: Phân tích và tính toán được các đại lượng điện trong mạch điện một chiều, xoay chiều một pha và ba pha; Mô tả được đặc điểm và ứng dụng các vật liệu dẫn điện cách điện, dẫn từ, vật liệu kết cấu. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Kỹ thuật điện (Nghề: Vận hành nhà máy thủy điện) - Trường Cao Đẳng Lào Cai

ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH LÀO CAI TRƯỜNG CAO ĐẲNG LÀO CAI BÀI GIẢNG MÔN HỌC: KỸ THUẬT ĐIỆN NGHỀ ĐÀO TẠO: VẬN HÀNH NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN (Áp dụng cho trình độ: Trung cấp) LƯU HÀNH NỘI BỘ NĂM 2019
LỜI GIỚI THIỆU Tập bài giảng Kỹ thuậ điện được biên soạn trên cơ sở chương trình khung của nghề Vận hành nhà máy thủy điện, được viết cho đối tượng đào tạo hệ trung cấp.Vì vậy nội dung đã bám sát chương trình khung của nghề nhằm đạt mục tiêu đào tạo của nghề đồng thời tạo điều kiện cho người sử dụng tài liệu tốt và hiệu quả. Bài giảng được chia làm 02 chương, trong đó: Chương 1: Cung cấp các kiến thức về mạch điện một chiều, mạch điện xoay chiều hình sin một pha, mạng ba pha (dòng điện, cường độ dòng điện, điện trở, điện trở suất, công suất, điện năng), viết, giải thích, vận dụng linh hoạt các biểu thức tính toán để giải được các dạng bài tập Chương 2: Cung cấp kiến thức về các loại vật liệu điện để phục vụ cho công tác sửa chữa, thay thế. 1
TẬP BÀI GIẢNG Tên môn học: Kỹ thuật điện Mã số môn học: MH 09 Thời gian môn học: 60 giờ; (Lý thuyết: 40 giờ; Thí nghiệm, bài tập, thảo luận: 18 giờ; Kiểm tra: 2 giờ) I. VỊ TRÍ, TÍNH CHẤT CỦA MÔN HỌC: - Vị trí: Kỹ thuật điện là môn học kỹ thuật cơ sở trong danh mục các môn học/môđun đào tạo bắt buộc thuộc chương trình dạy nghề Vận hành nhà máy thuỷ điện. Môn học trang bị cho người học những kiến thức cơ sở về điện để người học học tiếp các môn liên quan; - Tính chất: Môn học dược bố trí giảng dạy trước khi học các môn học/ mô đun chuyên môn. II. MỤC TIÊU MÔN HỌC: * Kiến thức: - Phân tích và tính toán được các đại lượng điện trong mạch điện một chiều, xoay chiều một pha và ba pha - Mô tả được đặc điểm và ứng dụng các vật liệu dẫn điện cách điện, dẫn từ, vật liệu kết cấu * Kỹ năng: - Vận dụng các công thức tính toán cho mạch điện cụ thể tính toán các thông số của mạch điện cụ thể như mạch điện một chiều, xoay chiều một pha, xoay chiều ba pha - Lựa chọn đúng loại vật liệu điện phục vụ cho công tác sửa chữa, thay thế * Năng lực tự chủ và trách nhiệm: - Nghiêm túc, chủ độn học tập. Ứng dụng các kiến thức đã học vào thực tế. 2
MỤC LỤC Trang LỜI GIỚI THIỆU 1 MỤC LỤC 3 CHƯƠNG I: MẠCH ĐIỆN 5 1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN 5 1.1. MẠCH ĐIỆN VÀ MÔ HÌNH MẠCH ĐIỆN 5 1.2. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN TRONG MẠCH ĐIỆN 8 2. MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU 10 2.1. CÁC ĐỊNH LUẬT VÀ BIỂU THỨC CƠ BẢN TRONG 10 MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU 2.2. CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI TƯƠNG ĐƯƠNG 15 2.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI MẠCH MỘT CHIỀU 21 3. DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU HÌNH SIN 29 3.1. KHÁI NIỆM VỀ DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU HÌNH SIN 29 3.2. CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG CỦA DÒNG ĐIỆN XOAY 31 CHIỀU HÌNH SIN 3.3. BIỂU DIỄN ĐẠI LƯỢNG HÌNH SIN BẰNG ĐỒ THỊ 32 VECTƠ 3.4. GIẢI MẠCH XOAY CHIỀU HÌNH SIN 34 4. MẠNG BA PHA 48 4.1. KHÁI NIỆM CHUNG 48 4.2. SƠ ĐỒ ĐẤU DÂY TRONG MẠNG BA PHA CÂN BẰNG 50 4.3. CÔNG SUẤT MẠNG BA PHA CÂN BẰNG 54 4.4. PHƯƠNG PHÁP GIẢI MẠNG BA PHA CÂN BẰNG 55 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG I 59 BÀI TẬP CHƯƠNG I 60 CHƯƠNG II: VẬT LIỆU ĐIỆN 63 1. VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 63 1.1.KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 63 1.2 TÍNH CHẤT CHUNG CỦA VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 65 1.3. NHỮNG HƯ HỎNG THƯỜNG GẶP VÀ CÁCH CHỌN VẬT 69 LIỆU CÁCH ĐIỆN 1.4. MỘT SỐ VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN THÔNG DỤNG. 70 2. VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN 82 2.1. KHÁI NIỆM VÀ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN 82 2.2 TÍNH CHẤT CHUNG CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM 83 2.3. NHỮNG HƯ HỎNG THƯỜNG GẶP VÀ CÁCH CHỌN VẬT 85 3
LIỆU DẪN ĐIỆN 2.4 MỘT SỐ VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN THÔNG DỤNG 88 3. VẬT LIỆU DẪN TỪ 95 3.1. KHÁI NIỆM VÀ TÍNH CHẤT VẬT LIỆU DẪN TỪ 95 3.2 MỘT SỐ VẬT LIỆU DẪN TỪ THÔNG DỤNG 97 4. VẬT LIỆU BÁN DẪN 99 4.1. KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI CHẤT BÁN DẪN 99 4.2. ỨNG DỤNG CHẤT BÁN DẪN 101 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG II 104 TÀI LIỆU THAM KHẢO 105 4
CHƯƠNG I: MẠCH ĐIỆN I. MỤC TIÊU CỦA CHƯƠNG: - Phát biểu được các khái niệm, định luật, định lý cơ bản trong mạch điện một chiều, xoay chiều, mạch ba pha. - Vận dụng các biểu thức để tính toán các thông số kỹ thuật trong mạch điện một chiều, xoay chiều, mạch ba pha ở trạng thái xác lập. - Vận dụng các phương pháp phân tích, biến đổi mạch để giải các bài toán về mạch điện hợp lý. - Giải thích một số ứng dụng đặc trưng theo quan điểm của kỹ thuật điện. II. NỘI DUNG CHI TIẾT 1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN. 1.1. MẠCH ĐIỆN VÀ MÔ HÌNH MẠCH ĐIỆN. 1.1.1. Mạch điện. Mạch điện là tập hợp các thiết bị điện nối với nhau bằng các dây dẫn tạo thành những vòng kín trong đó dòng điện có thể chạy qua. Mạch điện gồm 3 phần tử cơ bản là nguồn điện, thiết bị tiêu thụ điện, dây dẫn ngoài ra còn có các thiết bị phụ trợ như: thiết bị đóng cắt, đo lường, bảo vệ, tự động… Ví dụ: Sơ đồ mạch điện đơn giản như hình vẽ: a. Nguồn điện - Là các thiết bị để biến đổi các dạng năng lượng như: Cơ năng, hoá năng, nhiệt năng, thuỷ năng, năng lượng nguyên tử…thành điện năng. - Nguồn điện có thể là nguồn một chiều hoặc xoay chiều. + Nguồn một chiều: Pin, acquy, máy phát điện một chiều,... + Nguồn xoay chiều: Lấy từ lưới điện, máy phát điện xoay chiều,… - Các nguồn điện công suất lớn thường được truyền tải từ các nhà máy điện (nhiệt điện, thủy điện, điện nguyên tử...). - Các nguồn điện một chiều thường được đặc trưng bằng sức điện động E, điện trở trong r. Với nguồn xoay chiều thường biểu diễn bằng công suất P (công suất máy phát) và điện áp ra u. 5
Hình 1.2: Một số loại nguồn điện b. Thiết bị tiêu thụ điện (Phụ tải) Là các thiết bị sử dụng điện năng để chuyển hóa thành một dạng năng lượng khác, như dùng để thắp sáng (quang năng), chạy các động cơ điện (cơ năng), dùng để chạy các lò điện (nhiệt năng)... . Các thiết bị tiêu thụ điện thường được gọi là phụ tải (hoặc tải) và ký hiệu bằng điện trở R hoặc bằng tổng trở Z. Hình 1.3: Một số loại phụ tải thông dụng c. Dây dẫn Có nhiệm vụ liên kết và truyền dẫn dòng điện từ nguồn điện đến nơi tiêu thụ. Thường làm bằng kim loại đồng hoặc nhôm và một số vật liệu dẫn điện có điện dẫn suất cao khác. d. Các thiết bị phụ trợ: - Dùng để đóng cắt như: Cầu dao, công tắc, aptômát, máy cắt điện, công tắc tơ... - Dùng để đo lường: Ampe mét, vôn mét, oát mét, công tơ điện… - Dùng để bảo vệ: Cầu chì, rơ le, … 1.1.2. Mô hình mạch điện Khi tính toán, mạch điện thực được thay thế bằng một sơ đồ gọi là mô hình mạch điện, trong đó các phần tử thực được thay thế bằng các phần tử lý tưởng: E, J, R - Yêu cầu về mô hình mạch điện: mô hình mạch điện phải đảm bảo kết cấu hình học và quá trình năng lượng giống như mạch điện thực. - Một mạch thực có thể có nhiều mô hình mạch điện, điều đó là tuỳ thuộc vào mục đích nghiên cứu và điều kiện làm việc của mạch điện. a. Phần tử điện trở Điện trở R đặc trưng cho quá trình tiêu thụ điện năng và biến đổi điện năng sang dạng năng lượng khác như nhiệt năng, quang năng, cơ năng v…v. 6
Quan hệ giữa dòng điện và điện áp trên điện trở : UR =R.I (1.1) Đơn vị của điện trở là Ω (ôm) ; Công suất điện trở tiêu thụ: P = RI2 ; (1.2) R I UR - Điện năng tiêu thụ trên điện trở trong khoảng thời gian t là: A  RI 2t (1.3) - Đơn vị của điện năng là Wh, KWh. b. Phần tử điện cảm - Khi có dòng điện i chạy qua cuộn dây có w vòng sẽ sinh ra từ thông móc vòng qua cuộn dây:   w (1.4) - Điện cảm của cuộn dây được định nghĩa  w L  (1.5) i i di - Sức điện động tự cảm: e L   L (1.6) dt - Đơn vị của điện cảm là H (Henri). Quan hệ giữa dòng điện và điện áp trên điện cảm: di UL = - eL = - L. (1.7) dt UL: còn gọi là điện áp rơi trên điện cảm di Công suất trên cuộn dây: PL = UL.i = L.i. (1.8) dt i2 Năng lượng từ trường tích lũy trong cuộn dây: WM = L. (1.9) 2 Như vậy điện cảm L đặc chưng cho hiện tượng tích lũy lăng lượng từ trường của cuộn dây. L i uL c. Phần tử điện dung - Khi đặt điện áp của uc lên tụ điện có điện dung C thì tụ sẽ được nạp điện với điện tích q: q  CU C (1.10) 7
- Quan hệ giữa dòng điện và điện áp trên điện dung C là: 1 dq d .C .U C d .U 1 i= = = c. C  UC = . i.dt (1.11) dt dt dt C 0 - Công suất trên tụ điện: d .U C d .U C pC = UC.i = C.UC. = C.UC. (1.12) dt dt U C2 .C - Năng lượng điện trường của tụ điện: WE = (1.13) 2 Như vậy điện dung C đặc trưng cho hiện tượng tích lũy năng lượng điện trong tụ diện. Đơn vị của điện dung là: F (Fara).  F (1 F  106 F ); nF (1nF  109 F ) ; pF (1 pF  1012 F ) i C uC d. Phần tử nguồn điện áp u(t) - Nguồn điện áp đặc trưng cho khả năng tạo nên và duy trì một điện áp trên hai cực của nguồn. Chiều điện áp được quy định từ điểm có hiệu điện thế cao xuống điểm có hiệu điện thế thấp. Chiều sức điện động được quy định từ điểm có điện thế thấp đến điểm có điện thế cao. - Quan hệ giữa sức điện động và điện áp đầu cực nguồn: u(t)= e(t) e u ( t) e. Phần tử nguồn dòng điện j(t) Nguồn dòng đặc trưng cho khả năng của nguồn điện tạo nên và duy trì một dòng điện cung cấp cho mạch ngoài. J (t) 1.2. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN TRONG MẠCH ĐIỆN 1.2.1. Dòng điện và chiều qui ước của dòng điện Khi đặt vật dẫn trong điện trường, dưới tác dụng của lực điện trường, các điện tích dương sẽ di chuyển từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp hơn, còn các 8
điện tích âm (các điện tử) sẽ di chuyển ngược lại từ nơi có điện thế thấp đến nơi có điện thế cao hơn và tạo thành dòng điện. Vậy: Dòng điện là dòng các điện tử chuyển dời có hướng dưới tác dụng của lực điện trường. * Chiều quy ước của dòng điện: Theo quy ước: chiều dòng điện là chiều chuyển rời của các điện tích dương. + Trong kim loại : Dòng điện là dòng các điện tử chuyển dời có hướng. Vì điện tử di chuyển từ nơi có điện thế thấp hơn đến nơi có điện thế cao hơn nên dòng điện tử ngược với chiều quy ước của dòng điện. + Trong dung dịch điện ly : Dòng điện là dòng các ion chuyển dời có hướng. Nó gồm có hai dòng ngược chiều nhau đó là: Dòng ion dương có chiều theo chiều quy ước của điện trường và dòng ion âm có chiều ngược chiều quy ước. Các ion dương sẽ di chuyển từ Anốt (cực dương) về Catôt (cực âm) nên gọi là các Cation, các ion âm di chuyển từ catốt về Anôt nên gọi là các Anion. + Trong môi trường chất khí bị ion hoá : Dòng điện là dòng các ion và điện tử chuyển dời có hướng. Nó gồm có dòng ion dương đi theo chiều của điện trường từ Anốt về Catốt, và dòng ion âm và điện tử đi ngược chiều điện trường từ Catốt về Anốt. Như vậy trong vật dẫn, dòng điện sẽ đi từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp, trong nguồn điện thì ngược lại dòng điện đi từ cực có điện thế thấp đến cực có điện thế cao. 1.2.2. Cường độ dòng điện Đại lương đặc trưng cho độ lớn của dòng điện được gọi là Cường độ dòng điện, ký hiệu là I (hoặc i). Cường độ dòng điện là lượng điện tích qua tiết diện dây dẫn trong một đơn vị thời gian (tính bằng giây) q Ta có: I= (1.11) t Trong đó: I: Cường độ dòng điện, đơn vị là ampe (A) t: thời gian, đơn vị là giây (s) q: lượng điện tích, đơn vị là culong (C) 1.2.3. Mật độ dòng điện Mật độ dòng điện là đại lượng đo bằng tỉ số giữa dòng điện qua dây dẫn và tiết diện dây: I j (1.12) S Nếu S = 1  j = I. Vậy mật độ dòng điện chính là cường độ dòng điện qua 1 đơn vị tiết diện dây. 9
I (A), S (mm2) nên j đơn vị là ( A ) mm 2 Cường độ dòng điện dọc theo một đoạn dây dẫn là không đổi thì chỗ nào dây dẫn có tiết diện nhỏ thì mật độ dòng điện sẽ lớn và ngược lại. 2. MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU. 2.1. CÁC ĐỊNH LUẬT VÀ BIỂU THỨC CƠ BẢN TRONG MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU. 2.1.1. Định luật Ôm * Định luật ôm cho đoạn mạch: U Dòng điện trong 1đoạn mạch tỷ lệ thuận với I R điện áp 2 đầu đoạn mạch và tỷ lệ nghịch với + - điện trở của đoạn mạch. U * Công thức: I =  U = I. R (1.13) R Điện áp đặt vào điện trở ( còn gọi là sụt áp trên điện trở) tỷ lệ thuận với trị số điện trở và dòng điện qua điện trở. * Định luật ôm cho toàn mạch Có mạch điện không phân nhánh như hình vẽ: I Rd - Nguồn điện có sức điện động là E, điện trở trong của nguồn là r0 E Ud - Phụ tải có điện trở R U R - Điện trở đường dây Rd r0 R0 Áp dụng định luật ôm cho đoạn mạch ta có: - Sụt áp trên phụ tải: U = I.R - Sụt áp trên đường dây Ud = I.Rd - Sụt áp trên điện trở trong của nguồn U0 = I. r0 Muốn duy trì được dòng điện I thì sức điện động của nguồn phải cân bằng với các sụt áp trong mạch E = U +U1 +U0 = I.( R + Rd + r0) = I.  R  R = R + Rd + r0 Vậy dòng điện trong mạch tỉ lệ thuận với sức điện động của nguồn và tỉ lệ nghịch với điện trở toàn mạch. E I= E (1.14) R R  r0 Phát biểu định luật Ôm: Dòng điện qua một đoạn mạch tỷ lệ thuận với điện áp hai đầu đoạn mạch, tỉ lệ nghịch với điện trở của đoạn mạch. 2.1.2. Công suất và điện năng trong mạch một chiều a. Công của dòng điện 10
Công của dòng điện là công của lực điện chuyển dịch các điện tích trong mạch điện. Giả sử trên một đoạn mạch có điện áp là U, dòng điện là I, trong thời gian t lượng điện tích chuyển qua đoạn mạch là: q = I.t. (1.15) Từ định nghĩa về điện áp ta thấy công của lực bằng tích của điện tích di chuyển qua đoạn mạch. A = q.U = U.I.t (1.16) Trong đo lường ta thường dùng đon vị của công là Jun ký hiệu là J. Vây: Công của dòng điện sản ra trên một đoạn mạch tỷ lệ với điện áp hai đầu đoạn mạch, dòng điện qua mạch và thời gian duy trì dòng điện. b. Công suất của dòng điện Công suất của dòng điện là công của dòng điện thực hiện được trong 1đơn vị thời gian A U .I .t P   U .I (1.17) t t Vậy công suất của dòng điện trên một đoạn mạch tỷ lệ với điện áp ở hai đầu đoạn mạch và dòng điện qua mạch. U2 P = U.I = I2.R = (1.18) R Đơn vị của công suất người ta dùng đơn vị đo là: Oát ký hiệu W, KW, MW. c. Công suất của nguồn điện Công của nguồn điện là số đo năng lượng chuyển hóa các dạng năng lượng khác thành điện năng, và được tính theo công thức: Pt = E.I (1.19) Vậy: công suất của nguồn điện bằng tích số giữa sức điện động nguồn và dòng điện qua nguồn. d. Điện năng trong mạch điện 1 chiều Điện năng tiêu thụ trong mạch điện 1 chiều ký hiệu là A: A = P.t (1.20) Trong đó: P: là công suất của mạch điện (W) t: là thời gian dòng điện đi trong mạch (h) Vì vậy đơn vị của điện năng là oát-giờ (Wh), KWh, MWh. Ví dụ 1: Một bóng đèn ghi 220 V, 100W. 1) Gải thích ký hiệu đó. 2) Tính điện trở bóng đèn (ở trạng thái làm việc). 3) Nếu bóng đèn đó đặt vào điện áp U’ = 110V thì công suất tiêu thụ của bóng đèn là bao nhiêu? giả thiết khi đó điện trở của bóng đèn là không đổi? 11
Giải 1) Bóng đèn ghi 220V, 100W nghĩa là điện áp làm việc ứng với 220V thì đèn làm việc bình thường, đảm bảo các tính năng kỹ thuật theo quy định của nhà chế tạo và khi đó công suất tiêu thụ là 100W. 220V - là điện áp định mức của bóng đèn, kí hiệu Uđm. 100W - là công suất định mức của đèn kí hiệu là Pđm. 2) Điện trở của đèn ở trạng thái làm việc bình thường được tính theo công thức: 2 U đm 220 2 r   484  Pđm 100 3) Gọi công suất tiêu thụ ứng với điện áp U’ là P’ và ứng với điện áp định mức là Pđm thì khi đó ta có: 2 U đm U '2 P ' U '2 Pđm = và P’ = ta rút ra  2 k2 r r Pđm U đm Với khi ta giả thiết là r không đổi. Vậy công suất tiêu thụ của đèn ứng với điện áp U’ = 110V là 110 2 P’ = P đm.k2 = 100.( ) = 25W. 220 Ví dụ 2: Một pin có sđđ E = 6V cung cấp cho bóng đèn có R = 10  . Dòng điện qua đèn I = 0,4A. Tính công suất tổn hao trên điện trở trong của pin và trị số điện trở đó. Điện trở dây nối không đáng kể. Giải - Công suất phát của nguồn PPt = E.I = 6. 0,4 =2,4W - Công suất tiêu thụ trên bóng đèn P = I2.R = 0,4 2.10 = 1,6 W - Công suất tổn hao trên điện trở bóng: P0 = PPt – P = 2,4 -1,6 =0,8 W P0 0,8 - Điện trở trong của pin: r0 = 2   5 I 0,4 2 2.1.3. Định luật Jun – Lenxơ Định luật này do hai nhà Bác học là Jun (người Anh) và Lenxơ (người Nga) tìm ra bằng thực nghiệm năm 1844 nên người ta gọi là định luật Jun - Lenxơ. Phát biểu định luật: Nhiệt lượng do dòng điện toả ra trên một điện trở tỷ lệ với bình phương dòng điện, với trị số điện trở và thời gian dòng điện chạy qua. Q = 0,24A = 0,24.I2.R.t (Calo) (1.21) 1J = 0,24 calo  Q = R.I2.t (Jun) (1.22) Ứng dụng: Tác dụng nhiệt của dòng điện được ứng dụng rất rộng rãi để làm các dụng cụ đốt nóng bằng dòng điện như đèn điện có sợi nung, bếp điện, bàn là điện, lò sấy và lò luyện bằng điện tử,…. Nguyên tắc có bản của các dụng cụ này là dùng một 12
phần tử đốt nóng để cho dòng điện chạy qua. Nhiệt toả ra ở các phần tử đốt nóng sẽ gia nhiệt các bộ phận chính của dụng cụ, hoặc sẽ phát sáng ở các đèn sợi nung. Dòng điện đi qua dây dẫn sẽ toả nhiệt theo định luật Jun - Lenxơ. Nhiệt lượng này sẽ đốt nóng dây dẫn, khi dây dẫn nóng lên nhiệt độ của nó cao hơn nhiệt độ bên ngòai môi trường. Dây càng nóng thì nhiệt độ toả ra ngoài môi trường càng lớn. Đến một lúc nào đó nhiệt lượng toả ra môi trường trong một giây bằng nhiệt lượng sinh ra của dòng điện thì nhiệt độ dây dẫn không tăng nữa, ta gọi là nhiệt độ ổn định hay nhiệt độ làm việc của dây dẫn. 2.1.4. Định luật Faraday * Hiện tượng điện phân Khi có dòng đi qua dung dịch muối ăn Catốt - + Anốt anion Cl- đi về cực dương (anốt) còn cation Na+ I I đi về cực âm (catốt). Tại cực dương Cl- nhường bớt điện tử cho điện cực trở thành nguyên tử Cl trung hoà. Tại cực âm Na+ thu thêm điện tử ở điện cực trở thành nguyên tử Na giải phóng ở cực âm. Kết quả là phần tử muối ăn bị dòng điện phân tích thành Cl ở cực dương và Na ở cực âm. Nếu dung dịch điện phân là muối của đồng thì ở cực âm thu được kim loại đồng. Như vậy: Khi dòng điện qua chất điện phân, sẽ xảy ra hiện tượng phân tích chất điện phân, giải phóng kim loại hoặc hiđrô ở cực âm. Đó là hiện tượng điện phân * Định luật Farday: Khối lượng của chất thoát ra ở mỗi cực điện tỷ lệ với điện tích đã chuyển qua chất điện phân: m = k.q = k.I.t (2.23) Ở đây, m là khối lượng chất thoát ra ở điện cực ; q = I.t là điện tích qua dung dịch (Culông) ; k : Là đương lượng điện hóa của chất được giải phóng. Nếu q = 1Culông thì k = m. Vậy đương lượng điện hóa của một chất là khối lượng chất đó thoát ra ở điện cực khi có 1 Culông qua dung dịch. * Ứng dụng của hiện tượng điện phân * Luyện kim: Trong luyện kim, hiện tượng điện phân được ứng dụng để tinh chế và điều chế một số kim loại. Muốn tinh chế kim loại, người ta ứng dụng hiện tượng cực dương ta. Chẳng hạn, để tinh chế đồng, người ta dùng thanh đồng cần tinh chế làm điện cực dương, dung dịch điện phân là muối đồng tan. Khi dòng điện qua dung dịch, thanh đồng bị hòa tan dần, và ở điện cực sẽ hình thành một lớp đồng tinh khiết. Để điều chế kim loại (luyện kim) bằng dòng điện, người ta tiến hành điện phân quạng kim loại nóng chảy hoặc các dung dịch muối của chúng. Chẳng hạn, để luyện 13
nhôm, người ta điện phân quạng bâu xít (nhôm ô xít Al2O3) nóng chảy trong criolit, để luyện natri người ta điện phân muối ăn (NaCl) nóng chảy. * Mạ điện: Mạ điện là phương pháp dùng dòng điện để phủ lên các đồ vật một lớp kim loại không gỉ như bạc, vàng, .. Muốn mạ một vật nào đó, cần làm sạch bề mặt cần mạ, rồi nhúng vào bình điện phân làm thành cực âm. Cực dương là thỏi kim loại của lớp mạ (như bạc, vàng, ..). Dung dịch điện phân là một muối tan của kim loại mạ. Khi dòng điện qua dung dịch, một lớp kim loại mạ sẽ phủ kín bề mặt vật cần mạ, còn cực dương bị mòn dần. Tùy theo cường độ và thời gian dòng điện qua mà ta có lớp kim loại phủ mỏng hay dầy. 2.1.5. Hiện tượng nhiệt điện * Hiện tượng nhiệt điện Mỗi kim loại đều có mật độ điện tử tự do (tức là số điện tử tự do trong một đơn vị thể tích) nhất định. Mật độ này ở các kim loại khác nhau sẽ khác nhau. Khi cho hai kim loại khác nhau tiếp xúc là K1 và K2 thì có sự khuếch tán điện tử qua chỗ tiếp xúc. Giả sử kim loại K1 có mật độ điện tử tự do lớn hơn K2. Khi đó, điện tử tự từ K1 sẽ khuếch tán sang K2 kết quả là K1 sẽ tích điện dương (vì thiếu điện tử), K2 sẽ tích điện âm (vì thừa điện tử), và hình thành nên một điện trường tại mặt tiếp xúc, có một hiệu điện thế Utx gọi là hiệu điện thế tiếp xúc. A Utx1 + -- C K1 +- K2 +- G +- Utx D K1 Utx2 a) B K2 b) Hình 1.4 Sự khuếch tán của điện tử qua chỗ tiếp xúc (a) Sự hình thành hiệu điện thế tiếp xúc và s.đ.đ nhiệt điện (b) Hiệu điện thế tiếp xúc phụ thuộc vào các yếu tố sau: - Bản chất kim loại tiếp xúc K1, K2. Kim loại khác nhau thì mật độ điện tử khác nhau, và do đó mức độ khuếch tán điện tử qua lớp tiếp xúc cũng khác nhau. - Nhiệt độ chỗ tiếp xúc. Khi nhiệt độ tăng thì mức độ khuếch tán cũng tăng lên. Bằng thực nghiệm người ta thấy trong khoảng nhiệt độ không lớn lắm, hiệu điện thế tiếp xúc tỉ lệ với nhiệt độ tuyệt đối của chỗ tiếp xúc: Utx = C.T (1.24) Trong đó: T là nhiệt độ tuyệt đối của chỗ tiếp xúc, oK: 14
T(oK)  273 + (oC) (1.25) C là hệ số nhiệt điện, phụ thuộc vào kim loại tiếp xúc, chẳng hạn: Tiếp xúc đồng – côngstangtan, C = 41,8V/độ ; Tiếp xúc Platin- Platinpharod, C = 6,4V/độ. Để lấy được hiệu điện thế tiếp xúc, ta phải nối kín mạch cả hai dầu và hình thành 2 mối nối tiếp xúc A, B. Gọi nhiệt độ mối A là T1, mối B là T2 thì hiệu điện thế tiếp xúc ở các mối là: Utx1 = CT1 = C.(273+1) (1.26) Utx2 = CT2 = C(273+2) Trong mạch kín sẽ có một sức điện động gọi là sức điện động nhiệt điện E bằng hiệu của hai điện thế tiếp xúc: E = Utx1 – Utx2 = C(T1 – T2) = C.(1 - 2) (1.27) Sức điện động nhiệt điện tỷ lệ thuận với độ chênh nhiệt độ của hai đầu tiếp xúc và phụ thuộc vào bản chất các kim loại tiếp xúc: Nếu 1 = 2 thì Etx = 0. Chính vì thế, nếu coi các mối tiếp xúc A và B cùng nhiệt độ thì sức điện động nhiệt điện do hai mối đó tạo ra bằng không. * Ứng dụng hiện tượng nhiệt điện – Pin nhiệt điện Hiệu ứng nhiệt điện được ứng dụng để chế tạo ra các pin nhiệt điện hay cặp nhiệt điện. Pin nhiệt điện gồm có hai thanh kim loại (hay bán dẫn) khác nhau, được hàn với nhau ở một đầu, đặt vào nơi có nhiệt độ cao (gọi là đầu nóng), còn đầu kia đặt ở nơi có nhiệt độ thấp (gọi là đầu lạnh), sức điện động nhiệt đện của pin được dùng để đo lường hay phát điện.Trên hình 1.5 vẽ một nhiệt kế dùng pin nhiệt điện. Đầu a đặt vào nơi có nhiệt độ cần đo, đầu b tiếp xúc với môi trường. Coi nhiệt độ của môi trường là không đổi thì sức điện động của pin sinh ra tỉ lệ với nhiệt độ của điểm a, nên cơ cấu đo G sẽ cho biết nhiệt độ cần đo. a G b Hình 1.5: Đo nhiệt độ bằng pin nhiệt điện 2.2. CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI TƯƠNG ĐƯƠNG 2.2.1. Điện trở ghép nối tiếp, song song . 2.2.1.1. Điện trở ghép nối tiếp. * Ghép nối tiếp các điện trở là cách ghép sao cho chỉ có 1 dây điện duy nhất chạy qua tất cả các I R1 B R2 C R3 A D điện trở (mạch điện không phân nhánh) U1 U2 U3 U 15
- Điện trở tương đương của các điện trở R1, R2, R3… mắc nối tiếp là: Rtđ = R1+ R2 + R3 (1.28) Nếu có n điện trở mắc nối tiếp thì: Rtđ = R1 + R2 + …Rn U = U1 + U2 +… Un (1.29) * Ví dụ 1: Hộp điện trở gồm 4 điện trở: R1 = 1  ; R2 = 2  ; R3 = 3  ; R3 = 4  nối tiếp. Mỗi điện trở đều có thể nối tắt 2 cực. Xác định điện trở tương đương của hộp điện trở khi: a, Nối tắt 2 cực của R2 b, Không nối tắt 2 cực của điện trở nào Giải: a, Khi nối tắt 2 cực của R2 mạch còn 3 điện trở R1, R3, R4 đấu nối tiếp. Rtđ = R1+ R3 + R4 = 1+3+4 = 8  b, Khi không nối tắt điện trở nào mạch có 4 điện trở R1, R2, R3, R4 đấu nối tiếp Rtđ = R1+ R2 + R3 + R4 = 1+2+3+4 = 10  * Ví dụ 2: Cần ít nhất mấy bóng đèn 24V, 12W đấu nối tiếp để đặt vào điện áp U = 120V? Tính điện trở tương đương của mạch. Giải Bóng đèn 24V không đấu trực tiếp với điện áp 120V được mà ta phải đấu nối tiếp nhiều bóng để đảm bảo điện áp trên mỗi bóng đèn không vượt quá điện áp định mức của bóng đền là 24V. Vì các bóng đèn giống nhau nên khi đấu nối tiếp thì điện áp đặt vào các bóng là như nhau. Vậy số bóng cần đấu là: 110 n≥  5, ta lấy n = 5 bóng. 24 Điện trở của mỗi bóng: 2 U đm 24 2 r   48 Pđm 12 Điện trở tương đương của toàn mạch là: rtđ = n.r = 5.48 = 240  2.2.1.2.. Điện trở ghép song song. * Ghép song song các điện trở là cách ghép sao cho tất cả các điện trở đều đặt vào cùng 1 điện áp. Ghép song song là cách ghép phân nhánh, mỗi nhánh có 1 điện trở. 16
Dòng điện mạch chính: I = I1 +I2 +… +In (1.30) Điện trở tương đương của các điện trở R1, R2 …Rn mắc song song được tính: 1 1 1 1    ...  Rtd R1 R2 Rn (1.31) *Các trường hợp riêng: - Hai điện trở đấu song song: (R1// R2) R1.R2 Rtđ = R1  R2 (1.32) - Ba điện trở đấu song song ( R1// R2//R3) R1.R2 .R3 Rtđ = R1.R2  R1.R3  R2 .R3 (1.33) - Các điện trở bằng nhau đấu song song R R1 = R2 = … = Rn = R; Rtđ = n (1.34) * Ví dụ 1: Có 3 điện trở R1 = 60  ; R2 = 120  ; R3 = 150  đấu song song. Tính điện trở tương đương. Giải: R1.R2 .R3 60.120.150 Rtđ= = = 31,6  R1.R2  R1.R3  R2 .R3 60.120  60.150  150.120 * Ví dụ 2: Tính điện trở tương đương của đoạn mạch AD như hình vẽ biết: R1 = 0,12  ; R2 = 2  ; R3 =10  ; R4 = 20  ; R5 =50  Giải: - Điện trở tương đương của đoạn mạch BC: R3 .R4 .R5 10.20.50 RBC =   5.88 (  ) R3 .R4  R3 .R5  R4 .R5 10.20  10.50  20.50 - Điện trở tương đương của đoạn mạch AD. RAD = R1 + R2 + RBC = 0,12 + 2 + 5,88 = 8  17
2.2.2. Biến đổi  - Y và Y -  2.2.2.1. Biến đổi sao (Y) thành tam giác () Giả thiết có 3 điện trở R1, R2, R3, nối với nhau theo hình sao (Y). Biến đổi các điện trở đấu sao trên thành các điện trở đấu với nhau theo hình tam giác theo các công thức sau: 1 R1 1 R31 R3 3 3 R12 R2 R23 2 2 Hình 1.5: Mạch biến đổi điện trở sao thành tam giác R1 .R2 R .R R .R R12  R1  R2  ; R23  R2  R3  2 3 ; R31  R3  R1  1 3 (1.35) R3 R1 R2 Khi hình sao đối xứng: R1 = R2 = R3 = R ta có: R12 = R23 = R31 2.2.2.2. Biến đổi tam giác () thành sao (Y) 1 1 R31 R1 3 R3 R12 3 R23 R2 2 2 Hình 1.6 : Mạch biến đổi tam giác thành sao Giả thiết có 3 điện trở R12, R23, R31, nối với nhau theo hình tam giác (). Biến đổi các điện trở đấu tam giác trên thành các điện trở đấu với nhau theo hình sao theo các công thức sau: R12 .R31 R23 .R12 R31.R23 R1  ; R2  ; R3  (1.36) R12  R23  R31 R12  R23  R31 R12  R23  R31 Khi tam giác đối xứng: R12 = R23 = R31 = R Thì: R1 = R2 = R3 = R/3. * Ví dụ: Tính dòng điện I chạy qua nguồn của mạch hình cầu (hình vẽ). Biết R1 = 12  , R2 = R3 =6  , R4 =21  , R0 =18  , Rn = 2  , E= 240V. 18
Giải: R1.R2 12.6 RA =   2 R1  R2  R0 12  6  18 R1.R0 12.18 RB =   6 R1  R2  R0 12  6  18 R0 .R2 18.6 RC =   3 R1  R2  R0 12  6  18 Điện trở tương đương ROD của đoạn mạch OD gồm 2 nhánh song song. ( RB  R3 ).( RC  R4 ) (6  6).(3  21) ROD =   8 RB  R3  RC  R4 6  6  3  21 Điện trở tương đương toàn mạch: Rtđ = Rn + RA +ROD = 2+2+8 =12  E 240 Dòng điện chạy qua nguồn I =   20  Rtd 12 2.2.2.3. Nguồn áp ghép nối tiếp Trong nhiều trường hợp, sức điện động và dòng điện của một phần tử không thoả mãn yêu cầu sử dụng mà phải đấu nhiều nguồn điện với nhau thành bộ nguồn. Các bộ nguồn có thể đấu nối tiếp hoặc song song với nhau tuỳ thuộc vào yêu cầu của mạch điện. Với nguồn xoay chiều người ta thường đấu song song các nguồn với nhau để đảm bảo công suất, nâng cao tính chắc chắn… tuy nhiên việc đấu song song các nguồn điện này cần phải đảm bảo một số điều kiện bắt buộc (tần số, góc pha, điện áp,…) sẽ nghiên cứu ở môn máy điện. Với nguồn một chiều pin, ác quy, … suất điện động nhỏ cỡ vài vôn đến vài chục vôn. Trong nhiều trường hợp, sức điện động và dòng điện của một phần tử không thoả mãn yêu cầu sử dụng và phải đấu nhiều bộ pin, ác quy thành bộ nguồn. Khi đấu thành bộ, người ta chỉ sử dụng các phần tử giống nhau, tức có cùng sức điện động là E0 và điện trở trong r0. Có 3 cách đấu nguồn tương tự như cách đấu điện trở: nối tiếp, song song, hỗn hợp. * Trong thực tế người ta thường đấu nối tiếp các nguồn áp một chiều với nhau để tạo ra điện áp lớn hơn: Đấu nối tiếp là đấu cực âm phần tử thứ nhất với cực dương phần tử thứ hai, cực âm phần tử thứ hai với cực dương của phần tử thứ ba, … Cực dương của phần tử thứ nhất và cực âm của phần tử cuối cùng là hai cực của bộ nguồn điện áp. Gọi sức điện động của mỗi phần tử là Eo, thì sức điện động của cả bộ nguồn sẽ là: E = n.Eo (1.37) 19