Giáo trình Điện kỹ thuật (Nghề: Vận hành nhà máy thuỷ điện) - Trường CĐ Cộng đồng Lào Cai

Chia sẻ: Chuheo Dethuong25 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:148

Thêm vào BST

Báo xấu

47
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Điện kỹ thuật (Nghề: Vận hành nhà máy thuỷ điện) với mục tiêu giúp bạn học có thể vẽ được sơ đồ nguyên lý mạch điện, phân tích và tính toán được các đại lượng điện mạch điện một chiều; xoay chiều. Mô tả được tác dụng của dòng điện đối với cơ thể con người, nguyên nhân gây ra tai nạn về điện, các biện pháp cấp cứu người khi bị tai nạn điện giật và các biện pháp kỹ thuật an toàn điện. Mô tả được cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các cơ cấu đo thông dụng.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Điện kỹ thuật (Nghề: Vận hành nhà máy thuỷ điện) - Trường CĐ Cộng đồng Lào Cai

ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH LÀO CAI TRƯỜNG CAO ĐẲNG LÀO CAI GIÁO TRÌNH NỘI BỘ MÔN HỌC: KỸ THUẬT ĐIỆN NGHỀ ĐÀO TẠO: VẬN HÀNH NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN TRÌNH ĐỘ: SƠ CẤP LƯU HÀNH NỘI BỘ Năm 2017 Page 1
LỜI GIỚI THIỆU Bài giảng Kỹ thuật điện được biên soạn trên cơ sở chương trình chi tiết môn học Kỹ thuật điện của nghề điện công nghiệp, được viết cho đối tượng đào tạo hệ cao đẳng và trung cấp có thể sử dụng được. Bài giảng Điện kỹ thuật là một trong những tập bài giảng kü thuËt cơ sở nghề quan trọng trong chương trình đào tạo cao đẳng và trung cấp nghề.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 xây dựng với sự tham gia của các giáo viên trong khoa Điện- Điện tử Trường CĐ Lào cai. Giáo trình được chia làm 04 chương, trong đó: Chương 1: Cung cấp các kiến thức về các phương pháp biến đổi và công thức tính toán để giải một mạch điện cụ thể như mạch điện một chiều; xoay chiều một pha và ba pha. Chương 2: Cung cấp kiến thức về đảm bảo an toàn cho người và thiết bị khi vận hành, kiểm tra và sửa chữa thiết bị điện. Cấp cứu được nạn nhân đúng kỹ thuật khi xảy ra tai nạn về điện. Chương 3: Cung cấp kiến thức về các loại cơ cấu đo thông dụng. Chương 4: Cung cấp kiến thức về các loại sơ đồ điện. Tác giả bày tỏ sự cảm ơn chân thành đến Ban giám hiệu, Phòng Đào tạo, Khoa Điện – Điện tử đã tạo điều kiện để bài giảng được hoàn thành. Bài giảng biên soạn khó tránh khỏi thiếu sót, rất mong nhận được ý kiến đóng góp từ các đồng nghiệp và các bạn đọc để bài giảng ngày càng hoàn thiện hơn. . Page 1
MỤC LỤC LỜI GIỚI THIỆU ..................................................................................................... 1 CHƯƠNG I: MẠCH ĐIỆN ...................................................................................... 4 1.1 MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU. ................................................................................. 4 1.2. DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU ............................................................................ 21 1.3. MẠCH XOAY CHIỀU BA PHA ....................................................................... 36 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG I ............................................................................... 48 BÀI TẬP CHƯƠNG I ............................................................................................... 49 CHƯƠNG 2: AN TOÀN ĐIỆN .............................................................................. 53 2.1 ẢNH HƯỞNG CỦA DÒNG ĐIỆN ĐỐI VỚI CƠ THỂ CON NGƯỜI................ 53 2.2 TIÊU CHUẨN VỀ AN TOÀN ĐIỆN ................................................................. 56 2.3. NGUYÊN NHÂN GÂY RA TAI NẠN ĐIỆN ................................................... 58 2.4. CÁC BIỆN PHÁP SƠ CẤP CỨU CHO NẠN NHÂN KHI BỊ ĐIỆN GIẬT ....... 60 2.5. CÁC BIỆN PHÁP BẢO VỆ AN TOÀN CHO NGƯỜI VÀ THIẾT BỊ KHI SỬ DỤNG ĐIỆN. ....................................................................................................................... 63 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG II.............................................................................. 72 CHƯƠNG III: ĐO LƯỜNG ĐIỆN ........................................................................ 73 3.1. CƠ SỞ CHUNG VỀ KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG ................................................. 73 3.2. CÁC CƠ CẤU CHỈ THỊ CƠ ĐIỆN .................................................................... 74 3.3. ĐO DÒNG ĐIỆN VÀ ĐIỆN ÁP ........................................................................ 82 3.4. ĐO CÔNG SUẤT VÀ ĐIỆN NĂNG ................................................................. 91 3.5. ĐO GÓC PHA VÀ TẦN SỐ ................................ Error! Bookmark not defined. CHƯƠNG IV: VẼ ĐIỆN ...................................................................................... 108 4.1. KHÁI QUÁT VỀ VẼ ĐIỆN ............................................................................. 108 4.2. CÁC TIÊU CHUẨN BẢN VẼ ĐIỆN ................... Error! Bookmark not defined. 4.3.CÁC KÝ HIỆU QUY ƯỚC DÙNG TRONG VẼ ĐIỆN ................................... 114 4.4. VẼ SƠ ĐỒ ĐIỆN ............................................................................................. 131 Page 2
TẬP BÀI GIẢNG MÔN HỌC: KỸ THUẬT ĐIỆN Tên môn học: Kỹ thuật điện Mã môn học: MH 01 I. VỊ TRÍ, TÍNH CHẤT CỦA MÔN HỌC: - Vị trí môn học: Môn học được bố trí song song hoặc sau khi học sinh học xong các môn học chung và trước các môn học/ mô đun chuyên môn. - Tính chất của môn học: Là môn học lý thuyết cơ sở bắt buộc. II. MỤC TIÊU MÔN HỌC: 1. Kiến thức: - Vẽ được sơ đồ nguyên lý mạch điện, phân tích và tính toán được các đại lượng điện mạch điện một chiều; xoay chiều. - Mô tả được tác dụng của dòng điện đối với cơ thể con người, nguyên nhân gây ra tai nạn về điện, các biện pháp cấp cứu người khi bị tai nạn điện giật và các biện pháp kỹ thuật an toàn điện. - Mô tả được cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các cơ cấu đo thông dụng. - Vẽ và đọc được các loại sơ đồ điện. 2. 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. - Vận dụng các kiến thức đảm bảo an toàn khi vận hành, sửa chữa thiết bị điện. Cấp cứu được nạn nhân khi xảy ra tai nạn về điện. - Sử dụng được các loại máy đo để kiểm tra, phát hiện hư hỏng của thiết bị/hệ thống điện. - Thiết kế được các loại sơ đồ điện ứng với các mạch điện cụ thể. 3. Năng lực tự chủ và trách nhiệm: - Nghiêm túc, chủ động trong học tập. Ứng dụng các kiến thức đã học vào thực tế. Page 3
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. II. NỘI DUNG CHI TIẾT 1. MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU. 1.1. KHÁI NIỆM VỀ DÒNG ĐIỆN MỘT CHIỀU. Nguồn điện là thiết bị duy trì dòng điện trong đoạn mạch, muốn vậy ta cần duy trì điện áp ở hai đầu nguồn điện Nguồn điện nào cũng có hai cực, là cực dương (+) và cực âm (-), giữa hai cực đó luôn có một hiệu điện thế được duy trì. Để tạo ra các điện cực như vậy trong nguồn điện phải có lực thực hiện công để tách các electron ra khỏi các phần tử trung hòa rồi chuyển các electron hoặc các iôn dương được tạo thành như thế ra khỏi mỗi cực Khi nối hai cực của nguồn điện bằng một vật dẫn, tạo thành mạch kín thì trong mạch đó có dòng điện 1.2. MẠCH ĐIỆN VÀ CÁC PHẦN TỬ CỦA MẠCH ĐIỆN 1.2.1. 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: Page 4
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. 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: Page 5
- 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, … 1.2.2. Các phần tử 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. 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)  w - Điện cảm của cuộn dây được định nghĩa L   (1.5) i i di - Sức điện động tự cảm: eL   L (1.6) dt - Đơn vị của điện cảm là H (Henri). di Quan hệ giữa dòng điện và điện áp trên điện cảm: 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 Page 6
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) - 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 ) C i 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. Page 7
J (t) 1.3. CÁC ĐỊNH LUẬT VÀ BIỂU THỨC CƠ BẢN TRONG MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU. 1.3.1. Định luật Ôm * Định luật ôm cho đoạn mạch: Dòng điện trong 1đoạn mạch tỷ lệ thuận với U 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 + R d + 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. Page 8
1.3.2. Công suất và điện năng trong mạch một chiều a. Công của dòng điện 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 dụ1: Một bóng đèn ghi 220 V, 100W. - Giải thích ký hiệu đó. - Tính điện trở bóng đèn (ở trạng thái làm việc). Page 9
- 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? 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’ = Pđm.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 = 0,42.10 = 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 1.3.4. 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) Page 10
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 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. 1.3.5. 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. Page 11
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 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. 1.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI MẠCH MỘT CHIỀU 1.4.1 Phương pháp biến đổi điện trở Phương pháp biến đổi điện trở chủ yếu để giải mạch điện có một nguồn. Nội dung cơ bản là các phép biến đổi tương đương, đưa mạch điện phân nhánh về mạch điện không phân nhánh và do đó có thể tính toán dòng, áp bằng định luật Ôm. Ngoài ra còn có thể kết hợp nhiều phương pháp khác để đơn giản hóa sơ đồ, làm cho việc giải mạch điện dễ dàng hơn. Các bước giải mạch: Bước 1 : Đưa mạch điện phân nhánh về mạch điện không phân nhánh, bằng cách thay các nhánh song song bằng một nhánh có điện trở tương đương. Bước 2 : Áp dụng định luật Ôm cho mạch không phân nhánh tìm ra dòng điện qua nguồn, cũng là dòng điện mạch chính. Bước 3 : Tìm dòng điện ở các mạch rẽ nhánh bằng công thức tính dòng điện nhánh trong mạch điện dấu song song. Xét mạch điện gồm có các điện trở đấu song song: Page 12
R1 I1 R2 I2 R3 I In Rn Hình 1.9: Mạch điện trở đấu song song Quan hệ giữa dòng điện chính với các dòng điện các nhánh như sau: I.R = I1R1 = I2R2 = …. = InRn (1.43) Từ đó nếu biết I, ta tìm được dòng điện trong các nhánh là: R Ii  I . (1.44) Ri - Trường hợp hai điện trở đấu song song thì: R1 R2 R1 R2 R R  R2 R2 R R R R1 I1  I .  I 1 I ; I2  I .  I 1 2  I (1.45) R1 R1 R1  R2 R2 R2 R1  R2 Ngược lại nếu biết dòng điện mạch nhánh, ta tìm được dòng điện trong mạch chính là: Ri I  Ii . (1.46) R Ví dụ 1: Xác định dòng và áp trên các phần tử của mạch điện hình sau: Biết U = 120V, R1 = 0,12Ω, R2 = 2 Ω, R3 = 10 Ω, R4 = 20 Ω, R5 = 50Ω. A R1 R2 R1 R2 I A I B + I B B I3 I4 I5 U I4 Rtđ R3 R4 R5 RBC C C - C D D b) c) a) Giải: Page 13
Điện trở tương đương của đoạn BC là: R3 .R4 .R5 10.20.50 RBC =   5.88 (  ) R3 .R4  R3 .R5  R 4 .R5 10.20  10.50  20.50 Điện trở tương đương toàn mạch: R = R1 + R2 + RBC = 0,12 + 2 + 5,88 = 8 (Ω). U 120 Dòng điện mạch chính: I   15A R 8 Điện áp trên các phần tử: U1 = I.R1 = 15.0,12 = 1,8 (V) U2 = I.R2 = 15.2 = 30 (V) U3 =U4 = U5 = I.RBC = 15.5,88 = 88,2 (V) Dòng điện trên các nhánh rẽ: RBC U BC 88, 2 I3  I    8,82 A R3 R3 10 RBC U BC 88, 2 I4  I    4, 41A R4 R4 20 RBC U BC 88, 2 I5  I    1, 76 A R5 R5 50 Ví dụ2: Tính dòng điện chạy qua nguồn mạch cầu (hình vẽ) Biết R 1 = 12, R3 = R2 = 6, R4 = 21, R0 = 18, E = 24V, Rn = 2. Giải: Biến đổi tam giác ABC (R 1, R2, R0) thành sao RA, RB, RC ta có: R1 .R2 12.6 R1 .R0 12.18 RA    2(  ) RB    6(  ) R1  R2  R0 12  6  18 R1  R2  R0 12  18  6 R2 .R0 18.6 RC    3() R1  R2  R0 12  18  6 A A Rn RA I Rn R1 R2 I 0 E R0 RB RC B C E B C R3 R4 R3 R4 D D Page 14
Điện trở tương đương ROD của hai nhánh điện trở song song là: ( RB  R3 ).( RC  R4 ) (6  6)(3  21) ROD    8 RB  R3  RC  R4 6  6  3  21 Điện trở tương đương của toàn mạch là: Rtđ = Rn + RA + ROD = 2 + 2 + 8 = 12. E 240 Dòng điện chạy qua nguồn là: I =   20 A. Rtđ 12 * Ví dụ 3: Cho mạch điện như hình vẽ, tìm dòng điện trong các nhánh và qua nguồn? biết: E = 12 V; R1 = 8  , R2 = 5  ; R3 = 15  ; R4 = 30  ; R5 = 6  R3 I A I2 I1 I4 I5 E E R2 R4 R5 Rtđ R0 R1 C C Giải: Ta có: (R4 // R5 ) nối tiếp với R3 ; R2 // (R3 nối tiếp với (R4// R5)) Từ phân tích trên ta có mạch như hình vẽ: R4 .R5 30.6 - Tính điện trở tương đương của R4// R5: R45 = =  5 R4  R5 30  6 - Tính điện trở tương đương của đoạn mạch AC là Rtđ R2 .( R3  R45 ) 5.(15  5) Rtđ = =  4 R2 R3  R45 5  15  5 E 12 - Tính dòng điện qua nguồn: I =   1A R  Rtd 8  4 - Điện áp đặt vào đoạn mạch AC: UAC = I.Rtđ = 1.4 =4 V U 4 - Dòng điện qua điện trở R2: I2 =   0,8 A R2 5 - Dòng điện qua điện trở R3 : I3 = I - I2 = 1 – 0,8 = 0,2 A - Điện áp đặt vào đoạn mạch BC: UBC = I3. R45 = 0,2.5 = 1 V Page 15
U BC 1 - Dòng điện qua điện trở R4: I4 =   0,033 A R4 30 - Dòng điện qua điện trở R5: I5 = I3 – I4 = 0,2 – 0,033 = 0,167 A 1.4.2. Các phương pháp ứng dụng định luật Kirchooff 1.4.2.1. Các khái niệm, định luật. Giải mạch điện là tính dòng điện, điện áp, công suất của các nhánh, các phần tử. Dòng điện trong các nhánh còn chưa biết, vì thế ta tùy ý chọn chiều dòng điện (Gọi là chiều dương) trong các nhánh. Kết quả tính toán, nếu dòng điện dương I > 0, thì chiều thực của dòng điện trong nhánh trùng với chiều dương đã chọn. Nếu I < 0 chiều dòng điện ngược với chiều đã chọn. a. Các hhái niệm * Nhánh là một nhánh trong mạch điện mà trên đó nó có thể có các phần tử của mạch điện như : nguồn sức điện động E, điện trở và có dòng điện chạy qua nhánh là bằng nhau trên tất cả các phần tử của nhánh, dòng điện và điện áp trên nhánh được xác định theo định luật Ôm. Ví dụ: Nhánh AB, trên nhánh có sức điện động E, điện trở R, dòng điện chạy trên nhánh AB là I, điện áp đặt lên nhánh AB là UAB. A I R B E UAB Hình 1.11: Nhánh AB * Nút là một điểm trong mạch điện mà tại đó gồm có ít nhất ba nhánh giao nhau, dòng điện đi vào nút có thể là đến nút hoặc ra khỏi nút. I1 I2 A I3 Hình 1.12: Khái niệm nút Trên hình 1.12 nút dòng điện I1 đi ra khỏi nút, dòng điện I2, I3 là những dòng điện đi vào nút. * Vòng là mạch khép kín trong mạch điện, một mạch vòng bao gồm có các nhánh nối lại với nhau tạo thành một mạch vòng, chiều kí hiệu của vòng mạch điện ta chọn tùy ý. Page 16
I1 R1 B R3 I3 I2 R2 E1 a b E3 A vòng dòng điện a, b Hình 1.13: Mạch b. Các định luật Kirchoff * Định luật Kirchoff 1 Định luật này cho ta quan hệ giữa các dòng điện tại một nút, được phát biểu như sau: Trong một mạch điện, tổng đại số các dòng điện ở một nút bằng không. Inút = 0 (1.47) Quy ước: Dòng điện tới nút lấy dấu dương, còn dòng điện đi từ nút ra lấy dấu âm. Theo hình 1.14 thì: I1 + (-I2) + (-I3) = 0 I3 I1 I2 Hình:1.14: Dòng điện nút * Định luật Kirchoff 2 Định luật này cho ta quan hệ giữa sức điện động, dòng điện và điện trở trong một mạch vòng khép kín và được phát biểu như sau: Đi theo một mạch vòng khép kín, theo một chiều tuỳ ý thì : Tổng đại số những sức điện động bằng tổng đại số các điện áp rơi trên điện trở của mạch vòng. R.I = E (1.48) Quy ước dấu: Các sức điện động, dòng điện có chiều trùng với chiều mạch vòng thì lấy dấu dương, và ngược lại thì lấy dấu âm. Ở mạch điện hình bên thì: R1I1 – R2I2 + R3I3 = E1 + E2 + E3 Page 17
R1 I1 E1 R2 R3 E2 I3 E3 I2 Hình 1.15 : Mạch vòng dòng điện Ví dụ : Tính dòng điện I3 và các sức điện động E1, E3 trong mạch điện. Cho biết: I2 = 10A, I1 = 4A, R1 = 1 , R2 = 2 , R3 = 5. I1 R1 B R3 I3 I2 R2 E1 a b E3 Lời giải: A Áp dụng định luật Kirchoff 1 tại nút A ta có: - I1 + I2 – I3 = 0  I3 = I2 – I1 = 10 – 4 = 6A. Áp dụng định luật Kirchoff 2 cho mạch vòng a ta có: E1 = I1R1 + I2R2 = 4.1 + 10.2 = 24 V Định luật Kirchoff 2 cho mạch vòng b là: E3 = I3R3 + I2R2 = 6.5 + 10.2 = 50V. 1.4.2.2. Phương pháp dòng điện nhánh Ẩn số của hệ phương trình là dòng điện các nhánh. Phương pháp này ứng dụng trực tiếp hai định luật Kirchof 1 và 2 và nó thực hiện theo các bước sau: Bước 1: Xác định số nút n = ? số nhánh m = ? Và số ẩn của hệ phương trình bằng số nhánh m. Bước 2: Tùy ý vẽ chiều dòng điện mỗi nhánh. Bước 3: Viết phương trình Kirchoff 1 cho (n -1) nút đã chọn. Bước 4: Viết phương trình Kirchoff 2 cho (m – (n – 1)) = (m – n + 1) mạch vòng độc lập. Bước 5: Giải hệ thống m phương trình đã thiết lập, ta có dòng điện các nhánh. Page 18
Ví dụ2.3.3: Áp dụng phương pháp dòng điện nhánh, tính dòng điện trong các nhánh của mạch điện như hình vẽ sau: A I1 47 68 I3 I2 E1 E3 a 22 b 10V 5V B Giải: Giải bài toán này ta thực hiện lần lượt theo các bước sau: Bước 1: Xác định số nút, số nhánh : ta có mạch điện có hai nút là nút A và nút B vậy số nút n = 2, có ba nhánh là nhánh 1, 2, 3 và số nhánh m = 3. Bước 2: Vẽ chiều các nhánh I1, I2, I3. Bước 3: Số nút cần viết phương trình Kirchoff 1 là n -1 = 1. Ta chọn nút A, và phương trình Kirchoff 1 cho nút A là: I1 – I2 + I3 = 0 Bước 4: Chọn (m – n + 1) = 3 – 2 + 1 = 2 mạch vòng. Ta chọn hai mạch vòng độ lập như hình vẽ, viết phương trình Kirchoff 2 cho hai mạch vòng đã chọn. - Phương trình Kirchoff 2 cho mạch vòng a. 47I1 + 22I2 = 10 - Phương trình Kirchoff 2 cho mạch vòng b. 68I3 + 22I2 = 5 Giải hệ phương trình trên ta có dòng điện các nhánh: I1 = 138 mA I2 = 160 mA I3 = 22 mA. Lưu ý: Phương pháp dòng điện nhánh giải trực tiếp được dòng điện các nhánh, song nếu số nhánh và số mạch vòng lớn thì việc giải sẽ phức tạp, đòi hỏi phải mất nhiều thời gian cho việc tính toán. Vậy khi mạch điện có số nhánh và số mạch vòng lớn thì ta sẽ nghiên cứu và lựa chọn phương pháp khác cho phù hợp. Page 19