Giáo trình Điện kỹ thuật - Trường CĐ nghề Số 20

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:89

Thêm vào BST

Báo xấu

20
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Kỹ thuật điện là ngành kỹ thuật ứng dụng các hiện tượng điện từ để biến đổi năng lượng, đo lường, điều khiển, xử lý tín hiệu,... bao gồm việc tạo ra, biến đổi và sử dụng điện năng, tín hiệu điện từ trong các hoạt động thực tế của con người. Giáo trình Điện kỹ thuật được viết dựa trên chương trình khung của Tổng cục Dạy nghề dành cho ngành Sửa chữa thiết bị Tự động hóa. Nội dung của giáo trình được đúc rút từ kinh nghiệm làm việc thực tế cũng như giảng dạy tại Trường và tham khảo các tài liệu khác. Mời các bạn cùng tham khảo để biết thêm những nội dung chi tiết.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Điện kỹ thuật - Trường CĐ nghề Số 20

LỜI NÓI ĐẦU Kỹ thuật điện là ngành kỹ thuật ứng dụng các hiện tượng điện từ để biến đổi năng lượng, đo lường, điều khiển, xử lý tín hiệu,... bao gồm việc tạo ra, biến đổi và sử dụng điện năng, tín hiệu điện từ trong các hoạt động thực tế của con người. Điện năng có ưu điểm nổi bật là có thể sản xuất tập trung với nguồn công suất lớn, có thể truyền tải đi xa và phân phối tới nơi tiêu thụ với tổn hao tương đối nhỏ. Điện năng dễ dàng biến đổi thành các dạng năng lượng khác. Mặt khác, quá trình biến đổi năng lượng và tín hiệu điện từ dễ dàng tự động hoá và điều khiển từ xa, cho phép giải phóng lao động chân tay và cả lao động trí óc của con người. Năm 1875 Ch.Coulomb nghiên cứu các định luật về tĩnh điện. Năm 1800 A.Volta dựa trên cơ sở phát minh của L.Galvani đã chế tạo ra chiếc pin đầu tiên. Năm 1819 C.H.Oersted nghiên cứu tác dụng cơ học của dòng điện. Năm 1826 G.S.Ohm tìm ra quan hệ giữa dòng điện và điện áp trong mạch không phân nhánh. Mốc quan trọng nhất phải kể đến là năm 1831 M.Faraday phát minh ra định luật cảm ứng điện từ, năm 1833 H.Lentz tìm ra chiều của dòng điện cảm ứng. Định luật cảm ứng điện từ là cơ sở lý luận cho sự xuất hiện của các loại máy điện và các thiết bị điện. Năm 1847 G.R.Kirchhoff phát biểu định luật về dòng điện và điện áp trong mạch phân nhánh. Năm 1896 A.S.Popov chế tạo máy thu vô tuyến đầu tiên, ngành kỹ thuật điện tử ra đời. Từ những năm 50 của thế kỉ 20 với sự hoàn thiện của kỹ thuật bán dẫn và vi điện tử ngành kỹ thuật điện tử và tin học có bước phát triển nhảy vọt góp phần thúc đẩy quá trình nghiên cứu biến đổi năng lượng điện từ. Gần đây ngành điện tử công suất một lĩnh vực hội tụ của kỹ thuật điện và kỹ thuật điện tử đẫ phát triển mạnh mẽ, ở đó kỹ thuật điện và điện tử hoà nhập. Giáo trình Điện kỹ thuật được viết dựa trên chương trình khung của Tổng cục Dạy nghề dành cho ngành Sửa chữa thiết bị Tự động hóa. Nội dung của giáo trình được đúc rút từ kinh nhiệm làm việc thực tế cũng như giảng dạy tại Trường và tham khảo các tài liệu khác. Do kiến thức có hạn nên giáo trình còn nhiều thiếu sót, rất mong nhận được phản hồi của đồng nghiệp và người đọc đề lần chỉnh sửa sau được tốt hơn.
CHƯƠNG I: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN 1. Mạch điện – Các biến cơ bản: dòng điện và điện áp. 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 mà trong đó có dòng điện chạy qua. Hình 1.1. Mạch điện Mạch điện được cấu trúc từ nhiều thiết bị khác nhau, chúng thực hiện các chức năng xác định được gọi là phần tử mạch điện. Có hai loại phần tử mạch điện chính là nguồn điện và phụ tải. a, Nguồn điện: Là thiết bị phát ra điện năng, về nguyên lý là thiết bị biến đổi các dạng năng lượng khác thành điện năng. Ví dụ: Pin và acquy biến đổi hóa năng thành điện năng; máy phát điện biến cơ năng thành điện năng;…. Hình 1.2. Nguồn điện b, Phụ tải: Phụ tải là các thiết bị tiêu thụ điện năng, biến đổi điện năng thành các dạng năng lượng khác. Ví dụ: động cơ biến điện năng thành cơ năng; đèn điện biến điện năng thành quang năng;…. 2
Hình 1.3. Phụ tải Ngoài hai loại chính trên, trong mạch điện còn có hệ thống dây dẫn nối tử nguồn đến tải để tạo thành một mạch vòng khép kín và để truyền tải điện năng từ nguồn đến tải. c . Kết cấu hình học của mạch điện Kết cấu hình học của mạch điện gồm có nhánh, vòng, nút. + Nhánh là bộ phận của mạch điện, gồm có các phần tử được mắc nối tiếp với nhau và chỉ có một dòng điện duy nhất chạy qua. + Nút: là điểm gặp nhau của từ ba nhánh trở lên. + Vòng: là đường đi khép kín qua các nhánh. Ví dụ: Mạch điện hình 1.1 có: 3 nhánh: Ký hiệu là 1, 2, 3 2 nút: Ký hiệu là a, b 3 vòng: Ký hiệu là I, II, III Bài tập ví dụ : Hãy xác định số nhánh, vòng, nút cho các mạch điện sau : I1 I2 I3 I1 I2 I3 I4 R1 R2 R1 R2 R3 R3 R4 E1 E2 E1 E2 E3 1. 2. Các biến cơ bản Để đặc trưng cho quá trình biến đổi năng lượng (quá trình năng lượng) trong Mạch a một nhánh hay một phần tử của mạch điện ta dùng hai Mạch b : Dòng điện i và đại lượng điện áp u. Công suất của nhánh hoặc của phần tử là p = u.i. 1.2.1. Dòng điện Dòng điện là dòng chuyển dời có hướng của các điện tích. Cường độ dòng điện i (gọi tắt là dòng điện) về trị số bằng tốc độ biến thiên của lượng điện tích q qua tiết diện ngang của một vật dẫn. Trong đó: q – là điện tích qua tiết diện ngang của vật dẫn trong thời gian t. Trong hệ thống đơn vị SI (In the standard international system of units), dòng điện có đơn vị là A (Ampère). 3
Hình 1.4. Quy ước về chiều dòng điện Chiều dòng điện, theo định nghĩa là chiều chuyển động của điện tích dương trong điện trường (hay ngược chiều với chiều chuyển động các điện tích âm). Để tiện việc tính toán, người ta quy ước chiều dòng điện trên một nhánh bằng một mũi tên như hình 1.4a gọi là chiều dương dòng điện. Nếu tại một thời điểm nào đó, chiều dòng điện trùng với chiều dương thì i sẽ mang dấu dương (i>0, hình 1.4b), còn nếu chiều dòng điện ngược với chiều dương thì i sẽ mang dấu âm (i 0 điện thế A cao hơn điện thế B; còn u AB < 0 điện thế A thấp hơn điện thế B. Hình 1.5. Quy ước về chiều điện áp 1.2.3. Công suất Trong một phần tử, một nhánh hay một mạch điện có thể nhận năng lượng hoặc phát năng lượng. Khi chọn chiều dòng điện và điện áp trùng nhau, sau khi tính toán công suất p của nhánh, ta có thể kết luận như sau về quá trình năng lượng của nhánh. Ở một thời điểm nào đó: p (t) = u(t) . i(t) Nếu p(t) > 0: u và i cùng chiều, nhánh nhận năng lượng. p(t) < 0: u và i ngược chiều, nhánh phát năng lượng. Đơn vị đo của công suất là W (Oát) hoặc KW 1.2.4. Điện năng Nếu điện áp u và dòng điện i trên một phần tử phụ thuộc vào thời gian t, điện năng tiêu thụ bởi phần tử từ t 0 đến t là: 4
Đơn vị của điện năng là J (Joule), Wh (Watt.giờ). Bội số của nó là kWh, đây chính là đơn vị để tính tiền điện. 3. Điện trở R- Định luật Ohm. Hình 1.6. Điện trở R Cho dòng điện i qua điện trở R (hình 1.6) và nó gây ra điện áp rơi u R trên điện trở. Theo định luật Ohm, quan hệ giữa dòng điện i và điện áp u R là: uR = R.i hoặc i = G.u R Trong đó: gọi là điện dẫn. Công suất tiêu thụ trên điện trở: PR = u R.i = R.i2 Như vậy điện trở R đặc trưng cho quá trình tiêu tán trên điện trở. Trong hệ SI, điện trở R có đơn vị là Ω (Ohm), điện dẫn là S (Simen). Điện năng tiêu thụ trên điện trở R trong khoảng thời gian t: với i = const, ta có: A = R.i2 .t. * Định luật Ôm cho nhánh thuần R: Là định luật nói lên mối quan hệ giữa dòng điện qua đoạn mạch và điện áp giữa hai đầu đoạn mạch đó. Xét một đoạn vật dẫn chiều dài l, đặt điện áp U giữa hai đầu vật dẫn đó nó sẽ tạo ra điện trường với cường độ là: U  l Dưới tác dụng của điện trường này các điện tích sẽ chuyển động có hướng tạo thành dòng điện. Điện trường càng mạnh thì mật độ dòng điện càng lớn, ta có quan hệ:     trong đó  là mật độ dòng điện,  = I/s với s là tiết diện của vật dẫn.  là điện dẫn suất phụ thuộc vào bản chất vật dẫn. Thay biểu thức của  vào ta có: I U   S l 5
Từ đó ta có quan hệ: S I  U  g U l Trong đó g là điện dẫn của đoạn mạch. Ta có: 1 1 l R   g  S U I (1 - 14) R Biểu thức (1 - 14) chính là tinh thần của định luật Ôm cho một đoạn mạch. Định luật được phát biểu như sau: Dòng điện đi qua một đoạn mạch tỷ lệ với điện áp giữa hai đầu đoạn mạch và tỷ lệ nghịch với điện trở của đoạn mạch đó. 4. Điện cảm L- Định luật Lentz. Hình 1.7. Cuộn dây Cho 1 cuộn dây có N vòng qua một dòng điện i thì trên cuộn dây sẽ sinh ra từ thông móc vòng với cuộn dây là: Ψ = N.Φ Điện cảm L của cuộn dây được định nghĩa là: Đơn vị của điện cảm là H (Henry). Nếu dòng điện i biến thiên theo thời gian t thì từ thông Ψ cũng biến thiên theo thời gian t và cuộn dây cảm ứng sức điện động (sđđ) tự cảm e L khi L = const. Điện áp rơi trên điện cảm: Công suất cuộn dây nhận: Biểu thức của điện áp gọi là biểu thức của định luật Lentz và điện cảm L đặc trưng cho hiện tượng tự cảm Năng lượng từ trường tích lũy trong cuộn dây: Vậy: 6
Như vậy điện cảm L đặc trưng cho hiện tượng tích lũy năng lượng từ trường của cuộn dây. 5. Điện dung C- Dòng chuyển dịch Khi đặt điện áp u c hai đầu tụ điện, sẽ có điện tích q tích lũy trên bản tụ điện: q = C .uc Nếu điện áp u C biến thiên sẽ có dòng điện dịch chuyển qua tụ điện: i= dq/dt = C .du c /dt Hệ thức i là hệ quả của giả thiết Maxwell về dòng điện chuyển dịch qua môi trường điện môi giữa các bản cực của tụ điện dq du iC   C. C dt dt Trong đó ± q là điện tích trên các bản cực của tụ Do đó mà điện dung C đặc trưng cho hiện tượng dòng điện dịch chuyển. 1 C Ta có: uc  idt Công suất tức thời của tụ điện: p c = uc .i =C .uc .duc /dt Năng lượng điện trường của tụ điện: Điện dung C đặc trưng cho hiện tượng tích lũy năng lượng điện trường (phóng tích điện năng) trong tụ điện. Đơn vị của điện dung là F (Fara) hoặc µF 7
Chương 2: MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU 1. Khái niệm dòng điện một chiều và mạch điện 1.1. Dòng điện và dòng điện một chiều Nếu có tổng một lượng điện tích khác không, được chuyển qua một mặt tưởng tượng nào đó thì ta có thể nói rằng có một dòng điện đã chuyển qua mặt đó. Trong tự nhiên và đời sống xung quanh chúng ta tồn tại rất nhiều loại dòng điện khác nhau: dòng cực lớn hàng choc nghàn ampere tạo nên sét, dòng điện não cực bé điều khiển các hoạt động của cơ bắp, dòng điện trong các thiết bị điện,... Để có được dòng điện, vật (hoặc môi trường) phải chứa các hạt tích điện và các hạt tích điện này có thể chuyển động được trong toàn phạm vi giới hạn của vật. Những hạt đó được gọi là những hạt mang điện. Các hạt này có thể là electron, ion, hoặc các hạt vĩ mô có tích điện như hạt bụi hạt nước,... 1.1.1. Khái niệm A B Hình 2.1. Khái niệm dòng điện Khi ta nối một vật tích điện A với một vật chưa tích điện B bằng một dây dẫn ta có dòng điện tích chuyển dịch từ A  B qua dây dẫn vì giữa 2 đầu dây có một hiệu điện thế (sự chênh lệch điện thế), hiệu điện thế này làm dòng điện tích chuyển dời có hướng. 1.1.2. Định nghĩa: Dòng điện là dòng chuyển dời có hướng của các hạt mang điện. Sự di chuyển điện tích theo một hướng nhất định với tốc độ không đổi sẽ tạo thành dòng điện một chiều. * Định nghĩa : Dòng điện một chiều là dòng điện có chiều và trị số không đổi theo thời gian. * Đồ thị dòng điện một chiều: là đường thẳng song song với trục thời gian. 8
Hình 2.2: Đồ thị dòng điện không đổi(a), tắt dần(b),chu kỳ (c) và xoay chiều hình sin(d). 1.2. Qui ước của dòng điện  Chiều dòng điện: Người ta quy ước chiều dòng điện là chiều di chuyển của các điện tích dương (hướng từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp đó là chiều của điện trường) trong vật dẫn: Chiều dòng điện đi từ cực dương (+) đến cực âm của nguồn điện (-).  Điều kiện để có dòng điện: Điều kiện căn bản để có dòng điện trong các vật dẫn là giữa hai đầu của vật dẫn phải có một hiệu điện thế trong vật dẫn phải có một điện trường.  Điều kiện duy trì dòng điện: Muốn duy trì dòng điện trong một dây dẫn (làm bằng vật dẫn điện) ta phải duy trì điện áp giữa hai đầu dây ấy bằng cách dùng một nguồn điện như pin, ắc quy, máy phát điện. 1.3. Cường độ và mật độ dòng điện a. Cường độ dòng điện: Sử dụng phạm vi hẹp: 9
dq q i  I dt t Phạm vi sử dụng rộng: I: Cường độ dòng điện đại lượng đặc trưng cho độ lớn q: Điện tích qua tiết diện t: Thời gian - Đơn vị cường độ dòng điện: Ampe (A) = culông(c)/giây(s) Ta muốn đo dòng điện thì phải mắc 1 ampe kế với tải: Z A Hình 2.3. Mắc ampe kế đo dòng điện 1c I= q/t; q =1 (c); t =1(s) I 1s Vậy: Cường độ dòng điện là lượng điện tích (điện lượng) đi qua tiết diện thẳng của dây dẫn trong một đơn vị thời gian 01 giây. 1 KA (kilô ampe) = 103A 1 mA (mili ampe) = 10-3A 1 μA (micro ampe) = 10-3mA = 10-6A Ví dụ: Trong một thời gian t =0,01s, tụ điện nạp được 10-3 culông trên cực. Tìm giá trị trung bình của dòng điện nạp cho tụ. Giải: dt = 0,01s, dq = 10-3c, tìm i = ? Ta áp dụng công thức cường độ dòng điện: dq 10 3 i   10 1 ( A) dt 0.01 Vậy giá trị trung bình của i = 10-1(A) b. Mật độ dòng diện: Cường độ dòng điện qua một đơn vị diện tích tiết diện được gọi là mật độ dòng điện: ký hiệu: δ (đenta) S: tiết diện dẫn (mm2) I I: cường độ dòng diện δ= S Đơn vị: A/m2 ; A/cm2, A/mm2 10
2. Kết cấu hình học của mạch điện Kết cấu hình học của mạch điện bao gồm: Nhánh, vòng và nút - Nhánh: Là một bộ phận của mạch điện, gồm các phần tử mắc nối tiếp nhau trong đó có cùng một dòng điện chạy qua. Mạch điện ở hình vẽ trên có 3 nhánh được đánh số 1,2,3 - Nút: Là chỗ gặp nhau của ba nhánh trở lên. Mạch điện trên có 2 nhánh, kí hiệu là a và b - Vòng: Là đường đi khép kín qua các nhánh. Mạch điện trên được chia thành ba vòng kí hiệu là I, II và III 3. Các định luật và các biểu thức cơ bản trong mạch điện một chiều 3.1. Định luật Ohm. a. Định luật: Hình 2.7: Sơ đồ định luật Ôm cho toàn mạch điện Muốn có một dòng điện chảy liên tục trong một đoạn mạch điện thì ta phải duy trì liên tục trong đoạn mạch đó một điện áp giữa hai đầu đoạn mạch, điều này chỉ có thể thực hiện được khi nối 2 đầu của đoạn mạch điện đó với hai cực của một nguồn điện. Tạo thành một mạch điện kín. Như vậy một mạch điện kín gồm hai phần: - Mạch ngoài: Các phụ tải điện, dây dẫn điện, các thiết bị đóng cắt. - Mạch trong: Nguồn điện Mạch ngoài và mạch trong đều có điện trở vì vậy giữa 2 đầu mạch ngoài và mạch trong khi có dòng điện chay qua thì đều có độ giảm hiệu điện thế. Gọi sức điện động của nguồn là E, độ giảm hiệu điện thế mạch nguồn là Ung, mạch trong là Utr 11
Khi đó một điện tích q chuyển dời trong mạch thì công của điện trường sinh ra ở mạch ngoài là A1 = q.Ung và mạch trong là A2 = q.Utr và công của nguồn điện sinh ra làm chuyển dời điện tích q trong toàn mạch là A = q.E A = A1 + A2  E.q = Ung.q + Utr.q Gọi điện trở mạch ngoài R, mạch trong là r, cường độ dòng điện trong toàn mạch là I  E = Ung + Utr  E = I.R + I.r = I(R + r) E V  I   A(**) Rr  Từ biểu thức (**) phát biểu định luật: Cường độ dòng điện trong một mạch điện kính (toàn mạch) tỷ lệ thuận với sức điện động của nguồn điện, tỷ lệ nghịch với điện trở của toàn mạch điện. b. Các trường hợp đặc biệt: + Trường hợp mạch hở: (R>>) E là một đại lượng không đổi; r = const U thay đổi tuỳ theo mạch điện E I  E = I.R + I.r  IR = E - I.r Rr E  U = E - I.r (1) thay I  vào (1) Rr E.r r   U  E   E (1  )(2) Rr Rr r do mạch hở R >>  0 Rr Từ (2)  U = E (hoặc từ U = E - I.r vì hở mạch I = 0  I.r = 0  U = E) Vậy: Khi mạch hở, điện áp trên các cực của nguồn điện chính bằng sức điện động của nguồn. Ta đo gần đúng E bằng cách mắc vôn kế vào hai cực nguồn với điều kiện điện trở vôn kế >> Rv >> + Trường hợp đoản mạch (ngắn mạch) R  0 Nối tắt 2 cực của nguồn khi R giảm  I tăng và khi R giảm bằng 0 thì I tăng cực đại. E E I  I cucdai  Rr r trường hợp này gọi là ngắn mạch. Đơn vị nguồn điện có r > làm hỏng bản cực ắc quy, cháy dây dẫn. 12
U U = 110  220V khi ngắn mạch I = dòng điện tăng cực lớn dây dẫn cháy hỏng R các phần tử điện bị hư thì ta dùng cầu chi, áp tô mát để bảo vệ mạch điện khi ngắn mạch. + Sức phản điện động: Nếu trong một mạch điện có máy thu điện Ví dụ: Động cơ điện, bình điện phân…thì định luật ôm được viết như sau: U = e + R.I Nếu trong toàn mạch khi có máy thu điện thì định luật ôm có: E = R.I + e với R: điện trở toàn mạch R = Rngoài + Rnguồn + Rmáy thu Với e: gọi là sức phản điện động của máy thu. Tổng quát: Nếu trong mạch điện có máy phát điện, máy thu điện và nhiều điện trở tác dụng khác nhau ta có định luật ôm toàn mạch: n n n  E  e i 1 i i 1 i  I . Ri i 1 E: Tổng số sức điện động của các nguồn điện e: Tổng số sức phản điện động của các máy thu R: Tổng số các điện trở của toàn mạch I: Cường độ dòng điện trong mạch 3.2. Công suất và điện năng trong mạch điện một chiều 3.3. Định luật Joule – lenz 2.2.1. Sự biến đổi điện năng thành nhiệt năng Tất cả các phần tử của mạch điện đều có xu hướng chống lại sự chuyển dời có hướng của các điện tích, tức là cản trở lại dòng điện do đó dòng điện chạy trong mạch đã phải bỏ ra một phần năng lượng để thắng lại sức cản đó. Kết quả là dây dẫn và các phần tử của mạch điện bị nóng lên, còn năng lượng ta thu được bị hút đi một phần bằng số năng lượng đã mất trên đường đi. Năng lượng mất đi đó đã biến đổi thành nhiệt năng. 2.2.2. Định luật Jun – Lenxơ: Vào năm 1844 bằng thực nghiệm hai nhà bác học Jun và Lenxơ đã nghiên cứu xác định được nhiệt lượng toả ra trong dây dẫn khi có dòng điện chảy qua theo công thức sau: Q = U.I.t = R.I2.t (J) 13
Q = 0,24.R.I2.t (calo)  1J = 0,24 calo Q = 0,24 Pt (calo) Q: nhiệt lượng I: cường độ dòng điện R: điện trở dây dẫn t: thời gian dòng điện chảy qua dây dẫn (s) Từ công thức trên 2 nhà bác học đã xây dựng lên một định luật Jun – Lenxơ: Q = R.I2.t * Định luật: Nhiệt lượng toả ra trên một vật dẫn tỷ lệ thuận với điện trở của vật dẫn, với bình phương cường độ dòng điện với thời gian dòng điện chạy qua. * Nhiệt lượng do dòng điện chạy trong mạch điện tạo ra sẽ tiêu tán để đốt nóng dây dẫn và toả ra môi trường xung quanh để đảm bảo cho dây dẫn dẫn điện an toàn ta quy định dòng điện định mức Iđm chạy qua dây dẫn. Trong thực tế, lợi dụng tác dụng nhiệt của dòng điện  người ta làm các lò sấy, bếp điện, lò sưởi, bàn là, đèn điện…làm dây chảy cầu chì, rơle nhiệt để bảo vệ các thiết bị điện được an toàn. 3.4. Định luật Faraday Năm 1831, Michael Faraday đã chứng tỏ bằng thực nghiệm rằng từ trường có thể sinh ra dòng điện. Thực vậy, khi cho từ thông gửi qua một mạch kín thay đổi thì trong mạch xuất hiện một dòng điện. Dòng điện đó được gọi là dòng điện cảm ứng. Hiện tượng đó được gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ. Thí nghiệm Faraday Hình 2.8: Sơ đồ thí nghiệm Faraday Lấy một ống dây điện và mắc nối tiếp nó với một điện kế G thành một mạch kín (hình a). Phía trên ống dây đặt một thanh nam châm 2 cực SN. Thí nghiệm cho thấy:  Nếu rút thanh nam châm ra, dòng điện cảm ứng có chiều ngược lại (hình b) 14
 Di chuyển thanh nam châm càng nhanh, cường độ dòng điện cảm ứng Ic càng lớn.  Giữ thanh nam châm đứng yên so với ống dây, dòng điện cảm ứng sẽ bằng không. Nếu thay nam châm bằng một ống dây có dòng điện chạy qua, rồi tiến hành các  thí nghiệm như trên, ta cũng có những kết quả tương tự. Từ các thí nghiệm đó, Faraday đã rút ra những kết luận sau đây: Từ thông gửi qua mạch kín biến đổi theo thời gian là nguyên nhân sinh ra dòng  điện cảm ứng trong mạch đó.  Dòng điện cảm ứng chỉ tồn tại trong thời gian từ thông gửi qua mạch kín biến đổi.  Cường độ dòng điện cảm ứng tỉ lệ thuận với tốc độ biến đổi của từ thông. Chiều của dòng điện cảm ứng phụ thuộc vào sự tăng hay giảm của từ thông gửi  qua mạch (vì ta thấy từ thông ở hai đầu nam châm bao giờ cũng lớn hơn ở vị trí giữa của nam châm). Ðịnh luật Lenz Ðồng thời với Michael Faraday, Lenz cũng nghiên cứu hiện tượng cảm ứng điện từ và đã tìm ra định luật tổng quát giúp ta xác định chiều của dòng điện cảm ứng, gọi là định luật Lenz. Nội dung định luật như sau: Dòng điện cảm ứng phải có chiều sao cho từ trường do nó sinh ra có tác dụng chống lại nguyên nhân sinh ra nó Ðiều này có nghĩa là khi từ thông qua mạch tăng lên, từ trường cảm ứng sinh ra có tác dụng chống lại sự tăng của từ thông: từ trường cảm ứng sẽ ngược chiều với từ trường ngoài. Nếu từ thông qua mạch giảm, từ trường cảm ứng (do dòng điện cảm ứng sinh ra nó) có tác dụng chống lại sự giảm của từ thông, lúc đó từ trường cảm ứng sẽ cùng chiều với từ trường ngoài. Dưới đây, ta hãy vận dụng định luật đó để xác định chiều của dòng điện cảm ứng trong trường hợp ở trên (hình a), Cực Bắc của thanh nam châm di chuyển vào trong lòng ống dây làm cho từ thông ( gửi qua ống dây tăng lên. Theo định luật Lenz, dòng điện cảm ứng phải sinh ra từ trường ngược chiều với từ trường của thanh nam châm để từ thông Fc sinh ra có tác dụng làm giảm sự tăng của là nguyên nhân sinh ra nó. Muốn vậy dòng điện cảm ứng phải có chiều như trên hình vẽ. Bằng lí luận ta nhận thấy nếu dịch chuyển cực Bắc của thanh nam châm ra xa ống dây, dòng điện cảm ứng xuất hiện trong mạch sẽ có chiều ngược với chiều của dòng điện cảm ứng trong trường hợp trên . Như vậy, theo định luật Lenz, dòng điện cảm ứng bao giờ cũng có tác dụng chống lại sự dịch chuyển của thanh nam châm. Do đó, để dịch chuyển thanh nam 15
châm, ta phải tốn công. Chính công mà ta tốn được biến thành điện năng của dòng điện cảm ứng. 3.5. Hiện tượng nhiệt điện 1 1 A 2 2 B T1 T2 Các hiện tượng nhiệt điện ở chỗ tiếp xúc là những thể hiện của hiệu điện thế tiếp xúc. Xét một mạch điện kín gồm hai dây dẫn khác loại 1, 2 Nếu nhiệt độ tại hai dây dẫn và mối hàn ( tại A và B) như nhau thì trong mạch điện không có dòng điện chạy qua, vì vậy suất điện động trong mạch bằng không. Thật vậy, trong một mạch điện kín gồm hai kim loại 1 và 2, tổng các hiệu điện thế tiếp xúc nội bằng không: WF 2  W W W U i1, 2  U i 2,1  F1  F1 F2 0 e e Hiện tượng sẽ khác hẳn đi nếu nhiệt độ của, chẳng hạn, mối hàn A lớn hơn nhiệt độ của mối hàn B. Khi đó hiệu điện thế tiếp xúc nội của hai mối hàn sẽ khác nhau. Vật lý lượng tử chứng tỏ rằng mức Fermi W F phụ thuộc vào nhiệt độ. Do đó, trong mạch xuất hiện một suất điện động. Suất điện động này được gọi là suất điện động nhiệt điện   = (T2 – T1 ) Hệ số  không phụ thuộc vào nhiệt độ gọi là suất điện động vi phân. Kết luận: Hiện tượng tạo thành suất điện động nhiệt điện trong một mạch điện kín gồm hai vật dẫn khác nhau khi giữ hai mối hàn ở hai nhiệt độ khác nhau gọi là Hiện tượng nhiệt điện. 3.6. Định luật Kirchoff 16
3.6.1. Định luật Kirchoff 1: Xét một nút của mạch điện, có một số dòng điện đi tới nút và một số dòng rời khỏi nút. Trong một giây, điện tích di chuyển đến nút phải bằng điện tích rời khỏi nút. Thực vậy nếu giả thuyết này không thoả mãn thì điện tích tại nút A sẽ thay đổi (tăng hay giảm) làm điện thế điểm A thay đổi phá vỡ trạng thái cân bằng của mạch. Vì thế tổng số học các dòng điện đến một nút phải bằng tổng số các dòng đện rời khỏi nút. I1 A I2 I3 I4 Hình 2.9: Sơ đồ định luật Kirchoff 1 Đối với nút A ta có: I1 + I3 + I5 = I2 + I4 - Nếu ta quy định dòng điện hướng tới nút là dương, dòng điện rời khỏi nút là âm (hay ngược lại) ta có công thức:I1 - I2 + I3 - I4 + I5 = 0 n  I i 1 i 0 Phát biểu: Tổng đại số các dòng điện đến một nút = 0 Ví dụ: Cho mạch điện như hình vẽ xét tại nút A: theo định luật Kirchhoff 1 ta có: Ví dụ: Cho mạch điện như hình vẽ xét tại nút A: theo định luật Kirchhoff 1 ta có: 17
3.6.2. Định luật Kirchoff 2: Ta có mạch như hình vẽ. E1 A R1 B R2 I2 R1 I1 E2 D R3 E3 Hình 2.10: Sơ đồ định luật Kirchoff 2 Xét 1 vòng của mạch điện gồm 4 nhánh AB, BC, CD, DA + Nhánh AB có dòng điện I1 hướng từ A  B ngược chiều với sức điện động E1 là vật tiêu thụ điện. UAB = A - B = E1 + I1.R1 (1) + Nhánh BC có dòng điện I2 hướng từ C  B ngược chiều với sức điện động E2. UCB = C - B = E2 + I2.R2 (2) Từ đó  B - C = - E2 - I2.R2 + Nhánh CD có I3 hướng từ D  C cùng chiều E3 (sức điện động nguồn)  Ta có: UCD = C - D = E3 - I3.R3 (3) + Nhánh AD không nguồn Ta có: UAD = A - D = I4.R4 (4)  D - A = - I4.R4 Cộng (1) + (2) + (3) + (4) vế với vế ta có: 18
0 = (E1 + I1.R1) + (-E2 – I2.R2) + (E3 - I3.R3) + (-I4.R4) Chuyển các sức điện động sang một vế -E1 + E2 - E3 = I1R1 – I2R2- I3R3 – I4R4 (*) Cho mạch vòng một chiều dương như hình vẽ, ta thấy các sức điện động E1 và E2 cũng như các dòng điện I2, I3, I4 ngược chiều dương, nên ở biểu thức (*) trên chúng mang dấu âm. Các sức điện động E2 và dòng điện I1, cùng chiều dương nên trong biểu thức chúng mang dấu dương. Quy định một chiều dương cho vòng và theo chiều dương đó, các sức điện động và sụt áp cùng chiều sẽ mang dấu dương, ngược chiều sẽ mang dấu âm, ta có định luật kiêc hốp 2: n n  Ei   I i .Ri i 1 i 1 - Phát biểu định lụât: Tổng đại số các sức điện động bằng tổng đại số các sụt áp Ví Dụ: Cho mạch điện như hình (Hình 2.11) Hình 2.11. Mạch điện ví dụ Xét vòng 1 (a,b,c,a) theo định luật Kirchhoff 2 ta có: Uab + Ubc + Uca = 0 Xét vòng 2 (a,d,b,a) theo định luật Kirchhoff 2 ta có: Uad + Udb + Uba = 0 Ví dụ: Cho mạch điện như hình vẽ (Hình 2.12) Hình 2.12. Mạch điện ví dụ Dùng các định luật cơ bản tìm dòng điện qua các nhánh I1, I2 và I3 Giải: 19
Tại nút a: theo định luật Kirchhoff 1 ta có: I1 – I2 – I3 = 0 (1) Giả sử ta xét vòng kín l1 (a, b, c, a) theo định luật Kirchhoff 2 ta có: Uca + Uab + Ubc = 0 (2) I1 R1 + I2 R2 + (- E1) = 0 (2) Khảo sát vòng kín l2 (a, d, b, a) theo định luật Kirchhoff 2 ta có: Uad + U db + Uba = 0 (3) I3 R3 + E2 + (- I2R2 ) = 0 (3) Giải hệ 3 phương trình (1), (2), (3) ta tìm được dòng điện qua các nhánh I 1, I2 và I3 . 4. Các phương pháp giải mạch một chiều 4.1. Phương pháp biến đổi điện trở Biến đổi tương đương nhằm mục đích đưa mạch điện phức tạp về dạn đơn giản hơn. Khi biến đổi tương đương, dòng điện, điện áp tại các bộ phận không bị biến đổi. Dưới đây là một số phép biến đổi tương đương thường gặp: a, Các điện trở mắc nối tiếp Điện trở tương đương Rtđ của các điện trở R1, R2,… Rn mắc nối tiếp là Rtđ = R1 + R2 + … +Rn R1 R2 Rn Rtđ Hình 2.13: Mắc điện trở nối tiếp b, Các điện trở mắc song song Điện trở tương đương Rtđ của các điện trở R1, R2,… Rn song song là: 1 1 1 1    ...  Rtđ R1 R2 Rn 20