Giáo trình Kỹ thuật điện (Nghề: Kỹ thuật máy lạnh và điều hòa không khí - Trình độ: Cao đẳng) - Trường Cao đẳng nghề Cần Thơ

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:49

Thêm vào BST

Báo xấu

14
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình "Kỹ thuật điện (Nghề: Kỹ thuật máy lạnh và điều hòa không khí - Trình độ: Cao đẳng)" được biên soạn với mục tiêu giúp sinh viên phát biểu được các khái niệm, định luật, định lý cơ bản trong mạch điện một chiều, xoay chiều, mạch ba pha; vận dụng phù hợp các định lý các phép biến đổi tương đương để giải các mạch điện; giải thích được một số ứng dụng đặc trưng theo quan điểm của kỹ thuật điện.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Kỹ thuật điện (Nghề: Kỹ thuật máy lạnh và điều hòa không khí - Trình độ: Cao đẳng) - Trường Cao đẳng nghề Cần Thơ

UBND THÀNH PHỐ CẦN THƠ TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CẦN THƠ GIÁO TRÌNH MÔN HỌC: KỸ THUẬT ĐIỆN NGHỀ: KỸ THUẬT MÁY LẠNH VÀ ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG Ban hành kèm theo Quyết định số: /QĐ-CĐN ngày ….tháng.... năm 2021 của Hiệu trưởng trường Cao đẳng nghề Cần Thơ Cần Thơ, năm 2021 (Lưu hành nội bộ)
TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm. LỜI GIỚI THIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN là một môn học cơ sở quan trọng đối với sinh viên khối kỹ thuật nói chung và sinh viên ngành kỹ thuật máy lạnh và điều hòa không khí nói riêng. Để có thể tiếp tục nghiên cứu chuyên sâu về lĩnh vực điện lạnh thì sinh viên phải nắm vững những kiến thức của môn học này. Kỹ thuật điện nghiên cứu những ứng dụng của các hiện tượng điện từ nhằm biến đổi năng lượng và tín hiệu, bao gồm việc phát, truyền tải, phân phối và sử dụng điện năng. Ngoài ra môn học này còn giúp sinh viên không chuyên ngành điện bổ sung thêm các kiến thức cơ bản về mạch điện, các thiết bị điện, cấu tạo và các đặc tính làm việc của chúng để có thể vận hành được trong thực tế. Giáo trình được biên soạn trên cơ sở người đọc đã học môn toán và vật lý ở bậc phổ thông nên không đi sâu vào mặt lý luận các hiện tượng vật lý mà chủ yếu nghiên cứu các phương pháp tính toán và những ứng dụng kỹ thuật của các hiện tượng điện từ. Giáo trình kỹ thuật điện gồm bao gồm 4 chương: Chương 1: Các khái niệm cơ bản về mạch điện Chương 2: Mạch điện một chiều Chương 3. Dòng điện xoay chiều hình sin Chương 4. Mạch ba pha Giáo trình này trình bày các kiến thức cơ bản về mạch điện, phương pháp tính toán mạch điện, dòng điện xoay chiều hình sin một pha và ba pha có kèm theo các ví dụ cụ thể và các bài tập được soạn theo từng các chương để giúp người học có thể giải và ứng dụng vào các môn học có liên quan. Giáo trình kỹ thuật điện này được biên soạn với sự tham khảo các tài liệu và sự đóng góp tận tình của các đồng nghiệp trong bộ môn. Tuy nhiên giáo trình không thể tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong sự đóng góp ý kiến của các đồng nghiệp, của các sinh viên và các bạn đọc quan tâm đến giáo trình này. Cần Thơ, ngày.......tháng ...... năm 2021 Tham gia biên soạn 1. Lê Thanh Tuyền 2. Trần Thanh Tùng 1
MỤC LỤC TRANG Lời giới thiệu ............................................................................................................ 1 Chương 1: Các khái niệm cơ bản về mạch điện ....................................................... 5 1.1. Mạch điện và mô hình. ...................................................................................... 5 1.2. Các khái niệm cơ bản trong mạch điện ............................................................. 6 1.3. Các phép biến đổi tương đương......................................................................... 7 Chương 2 : Mạch điện một chiều ............................................................................. 10 2.1. Các định luật và biểu thức cơ bản trong mạch một chiều ................................. 10 2.2. Các phương pháp giải mạch một chiều ............................................................. 14 Chương 3 :Dòng điện xoay chiều hình sin ............................................................... 25 3.1. Khái niệm về dòng điện xoay chiều. ................................................................. 25 3.2. Giải mạch xoay chiều không phân nhánh. ......................................................... 28 3.3. Giải mạch xoay chiều phân nhánh. .................................................................... 33 Chương 4 : Mạch ba pha........................................................................................... 42 4.1. Khái niệm chung. ............................................................................................... 42 4.2. Sơ đồ đấu dây trong mạng ba pha cân bằng. ..................................................... 43 4.3. Công suất mạng ba pha cân bằng. ..................................................................... 44 4.4. Phương pháp giải mạng ba pha cân bằng. ......................................................... 44 Tài liệu tham khảo…………………………………………………………….. 47 2
GIÁO TRÌNH MÔN HỌC Tên môn học: KỸ THUẬT ĐIỆN Mã môn học: MH 09 Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của môn học: - Vị trí: Môn học kỹ thuật điện được bố trí học sau các môn học chung và học trước các môn học, mô đun chuyên môn nghề. - Tính chất: Là môn học kỹ thuật cơ sở, thuộc các môn học đào tạo nghề bắt buộc. - Ý nghĩa và vai trò của môn học: Kỹ thuật điện là môn học cơ sở quan trọng đối với sinh viên ngành kỹ thuật nói chung và sinh viên ngành điện lạnh nói riêng. Để có thể tiếp tục nghiên cứu chuyên sâu về lĩnh vực điện lạnh thì sinh viên phải nắm vững những kiến thức của môn học này và môn học này còn giúp sinh viên không chuyên ngành điện bổ sung thêm các kiến thức cơ bản nhất về mạch điện Mục tiêu môn học: ➢ Về kiến thức: - Phát biểu được các khái niệm, định luật, định lý cơ bản trong mạch điện một chiều, xoay chiều, mạch ba pha. ➢ Về kỹ năng: - Tính toán được các thông số kỹ thuật trong mạch điện một chiều, xoay chiều, mạch ba pha ở trạng thái xác lập. - Vận dụng được các phương pháp phân tích, biến đổi mạch để giải các bài toán về mạch điện hợp lý. - Vận dụng phù hợp các định lý các phép biến đổi tương đương để giải các mạch điện. - Giải thích được một số ứng dụng đặc trưng theo quan điểm của kỹ thuật điện. ➢ Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: - Rèn luyện tính cận thận, tỉ mỉ trong tính toán. Nội dung của môn học: 3
CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN Mã chương: MH 09 - 01 Giới thiệu: Mạch điện được ứng dụng trong thực tế rất rộng rãi. Trước khi nghiên cứu sâu hơn về mạch điện thì người học phải hiểu được các khái niệm cơ bản về mạch điện. Mục tiêu: - Phân tích đúng nhiệm vụ, vai trò của các phần tử cấu thành mạch điện như: nguồn điện, dây dẫn, phụ tải, thiết bị đo lường, đóng cắt... - Giải thích được cách xây dựng mô hình mạch điện, các phần tử chính trong mạch điện. Phân biệt được phần tử lý tưởng và phần tử thực. - Phân tích và giải thích đúng các khái niệm cơ bản trong mạch điện, hiểu và vận dụng được các biểu thức tính toán cơ bản. -Rèn luyện tính cẩn thận, tỉ mỉ trong tính toán. Nội dung: 1.1. Mạch điện và mô hình 1.1.1. Mạch điện - Mạch điện: là một hệ thống gồm các thiết bị điện, điện tử ghép lại. Trong đó xảy ra các quá trình truyền đạt, biến đổi năng lượng hay tín hiệu điện từ đo bởi các đại lượng dòng điện, điện áp. Mạch điện có 2 phần tử chính đó là nguồn điện và phụ tải. - Nguồn điện: là các thiết bị điện dùng để biến đổi các dạng năng lượng khác sang điện năng, ví dụ như pin, ắc qui (năng lượng hóa học), máy phát điện (năng lượng cơ học)… - Phụ tải: là thiết bị điện biến điện năng thành các dạng năng lượng khác. Trên sơ đồ chúng thường được biểu thị bằng một điện trở R. - Dây dẫn: là dây kim loại dùng để nối từ nguồn đến phụ tải. 1.1.2. Các hiện tượng điện từ: 1.1.2.1. Hiện tượng biến đổi năng lượng - Hiện tượng nguồn: Hiện tượng biến đổi các dạng năng lượng khác như nhiệt năng, quang năng, cơ năng, hóa năng thành năng lương điện từ gọi là hiện tượng tích lũy năng lượng nguồn, tạo ra nguồn điện. - Hiện tượng tiêu tán: Hiện tượng biến đổi năng lượng điện từ thành các dạng năng lượng khác như nhiệt năng, quang năng, cơ năng, hóa năng... gọi là hiện tượng tiêu tán. 1.1.2.2. Hiện tượng tích phóng năng lượng. Là hiện tượng tích trữ hoặc giải phóng năng lượng dưới dạng điện từ trường, năng lượng điện từ trường này được cất giữ vào trong không gian mà không chuyển hóa thành dạng năng lượng khác. Ví dụ như cuộn cảm, tụ điện... 1.1.3. Mô hình mạch điện: 1.1.3.1 Phần tử điện trở: Đặc trưng cho hiện tượng tiêu tán năng lượng, ký hiệu R Đơn vị ohm (Ω) 1.1.3.2 Phần tử điện cảm: Đặc trưng cho khả năng tạo nên từ trường của phần tử mạch điện 4
L: Điện cảm của cuộn dây, Đơn vị: Henry (H) 1mH=10-3H 1.1.3.3 Phần tử điện dung: Đặc trưng cho hiện tượng tích phóng năng lượng điện trường. Ký hiệu: C Đơn vị: Farad (F) 1µF = 10-6F 1nF = 10-9F 1pF = 10-12F 1.1.3.4 Phần tử nguồn: - Nguồn độc lập: + Nguồn áp: E: sức điện động nguồn, đơn vị volt (V) + Nguồn dòng: I: là giá trị của nguồn dòng, đơn vị Ampe (A) 1.2. Các khái niệm cơ bản trong mạch điện 1.2.1. Dòng điện và chiều qui ước của dòng điện Dòng điện là dòng các hạt mang điện chuyển dời có hướng dưới tác dụng của điện trường. Qui ước: Chiều dòng điện hướng từ cực dương về cực âm của nguồn hoặc từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp. Bản chất dòng điện trong các môi trường : - Trong kim loại: lớp ngoài cùng của nguyên tử kim loại có rất ít electron, chúng liên kết rất yếu với các hạt nhân và dễ bật ra thành các electron tự do. Dưới tác dụng của điện trường các electron tự do này sẽ chuyển động có hướng tạo thành dòng điện. - Trong dung dịch: các chất hoà tan trong nước sẽ phân ly thành các ion dương tự do và các ion âm tự do. Dưới tác dụng của điện trường các ion tự do này sẽ chuyển động có hướng tạo nên dòng điện. 5
- Trong chất khí: khi có tác nhân bên ngoài (bức xạ lửa, nhiệt…) tác động, các phần tử chất khí bị ion hoá tạo thành các ion tự do. Dưới tác dụng của điện trường chúng sẽ chuyển động tạo thành dòng điện. 1.2.2. Cường độ dòng điện Cường độ dòng điện I là đại lượng đặc trưng cho độ lớn của dòng điện. Cường độ dòng điện được tính bằng lượng điện tích chạy qua tiết diện thẳng của vật dẫn trong một đơn vị thời gian. dq I= dt Đơn vị của dòng điện là ampe (A). Điện áp là đại lượng đặc trưng cho khả năng tích lũy năng lượng của dòng điện. Trong mạch điện, tại các điểm đều có một điện thế φ nhất định. Hiệu điện thế giữa hai điểm gọi là điện áp U. Ta có: UAB = φA - φB Trong đó: φA: điện thế tại điểm A φB: điện thế tại điểm B UAB: hiệu điện thế giữa A và B Qui ước: Chiều điện áp là chiều từ điểm có điện thế cao đến điểm có điện thế thấp. Đơn vị điện áp là vôn (V). Ký hiệu: U, u(t). 1.2.3. Mật độ dòng điện : Là cường độ dòng điện qua một đơn vị diện tích. Ký hiệu j I j= S Trong đó : I: là cường độ dòng điện (A) S: là tiết diện(m2) j : là mật độ dòng điện (A/m2) Trong một đoạn dây dẫn cường độ dòng điện là như nhau tại mọi tiết diện nên ở chỗ nào tiết diện dây dẫn nhỏ mật độ dòng điện sẽ lớn. 1.3. Các phép biến đổi tương đương 1.3.1. Nguồn áp ghép nối tiếp Etđ = E1 + E2 +…+ En (1.1) 1.3.2. Nguồn dòng ghép song song Jtđ = J1 + J2 +…+ Jn (1.2) 1.3.3. Điện trở ghép nối tiếp, song song Các điện trở ghép nối tiếp R1 I R2 Rn Rnt I  U1 U2 Un U U Rn t =  Ri = R1 + R2 + ..... + Rn (1.3) Các điện trở ghép song song 6
R1 I1 R2 R// I I2 I  U In Rn U 1 1 1 1 1 = = + + .... + R// RI R1 R2 Rn (1.4) 1.3.4. Biến đổi  - Y và Y -  a a Ra Rac  Rab Rc Rb c b b c Rbc Hình 1.1 Phép biến đổi  - y và ngược lại • Khi biến đổi từ tam giác sang sao ta có: Rab.Rac Ra = Rab + Rac + Rbc Rab.Rbc Rb = (1.5) Rab + Rac + Rbc Rac.Rbc Rc = Rab + Rac + Rbc ➢ Nếu Rab = Rbc = Rca = R R ➢ Thì Ra = Rb = Rc = RY = 3 7
• Khi biến đổi từ sao sang tam giác biểu thức tính toán là: R a . Rb Rab = Ra + Rb + Rc Rb . R c Rbc = Rb + Rc + (1.6) Ra Rc . Ra Rca = Ra + Ra + Rb ➢ Nếu Ra = Rb = Rc = RY ➢ Thì Rab = Rbc = Rca = R = 3. RY 1.3.5. Biến đổi nguồn tương tương RE I RI E  Nguồn áp Nguồn dòng Hình 1.2 Để thay thế nguồn áp bằng nguồn dòng hoặc ngược lại thì: E = I RI và RE = RI (1.7) CÂU HỎI ÔN TẬP 1. Hãy nêu và mô tả các hiện tượng điện từ trong mạch điện. 2. Trình bày các khái niệm cơ bản trong mạch điện. 3. Trình bày các phương pháp ghép điện trở. 4. Trình bày các phương pháp biến đổi điện trở. Yêu cầu về đánh giá kết quả học tập chương 1 Nội dung: + Về kiến thức: Trình bày được khái niệm cơ bản và các phương pháp biến đổi điện trở + Về kỹ năng: Sử dụng thành thạo công thức biến đổi điện trở + Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Tỉ mỉ, cẩn thận, chính xác, ngăn nắp trong công việc. Phương pháp: + Về kiến thức: Được đánh giá bằng hình thức kiểm tra viết, trắc nghiệm, vấn đáp + Về kỹ năng: Ứng dụng được các công thức biến đổi vào mạch cụ thể. + Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Tỉ mỉ, cẩn thận, chính xác, ngăn nắp trong công việc. CHƯƠNG 2 : MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU Mã chương: MH 09 - 02 8
Giới thiệu: Mạch điện một chiều được ứng dụng trong thực tế không nhiều; chủ yếu trên các thiết bị điện di động hoặc có công suất nhỏ. Song nghiên cứu kỹ mạch điện này làm cơ sở tư duy cho mạch điện xoạy chiều được ứng dụng rất phổ biến trong sản xuất và đời sống. Mục tiêu: - Trình bày, giải thích và vận dụng linh hoạt các biểu thức tính toán trong mạch điện DC (dòng điện, điện áp, công suất, điện năng, nhiệt lượng...). - Tính toán được các thông số (điện trở, dòng điện, điện áp, công suất, điện năng, nhiệt lượng) của mạch DC một nguồn, nhiều nguồn từ đơn giản đến phức tạp. - Phân tích được sơ đồ và chọn phương pháp giải mạch hợp lý. - Rèn luyện tính cẩn thận, tỉ mỉ trong tính toán Nội dung: 2.1. Các định luật và biểu thức cơ bản trong mạch một chiều 2.1.1. Định luật Ohm a. Thiết lập biểu thức Xét vật dẫn AB có chiều dài l, được đặt vào điện áp U. U Sẽ tạo ra điện trường đều có cường độ là E = . l Dưới tác dụng của điện trường, các phân tử dẫn điện sẽ di chuyển. Điện trường càng mạnh thì mật độ dòng điện càng lớn. Nghĩa là mật độ dòng điện tỉ lệ với cường độ điện trường. Ta có: I U + J =  . E; Hay là = ; A S l S Suy ra: I =  U; U l l S B Đặt G =  Ta được: _ l Hình 2.1 I=G.U (2.1) Với:  là điện dẫn suất của vật liệu;  càng lớn độ dẫn điện càng tốt. G là điện dẫn của đoạn mạch. Kết luận: “Dòng điện qua mạch tỉ lệ với điện áp 2 đầu đoạn mạch và tỉ lệ với điện dẫn của đoạn mạch đó”. 1 1 l 1 Đặt R = ; Thay vào biểu thức trên ta được: R = . . Nếu gọi = ta lại có: G  S  R=  (2.2) Từ (2.1) và (2.2) ta có: I= (2.3) 9
Với : : Là điện trở suất của vật liệu [.m];  càng lớn độ dẫn điện càng yếu. R: Là điện trở của vật dẫn []. U: Là điện áp 2 đầu đoạn mạch [V]. I: Là dòng điện qua mạch [A]. Kết luận: “Dòng điện qua mạch tỉ lệ với điện áp 2 đầu đoạn mạch và tỉ lệ nghịch với điện trở của đoạn mạch đó“. b. Điện trở – Điện trở suất – Sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ • Điên trở: - Như ta biết dòng điện là dòng chuyển dời của các điện tích. Khi di chuyển trong vật dẫn các điện tích sẽ va chạm với các nguyên tử hoặc phân tử và truyền bớt năng lượng cho chúng. Điện trở của vật dẫn chính là đặc trưng cho mức độ va chạm đó. - Từ (2.2) ta thấy: ❖ Nếu S tăng  điện tích di chuyển dễ dàng ít bị va chạm, nên R tỉ lệ nghịch với S. ❖ Ngược lại, nếu l tăng  điện tích càng gặp cản trở, nên R sẽ tỉ lệ thuận với l. ❖ Mặc khác, mức độ cản trở này còn phụ thuộc vào số điện tích tự do trong vật liệu, nghĩa là điện trở còn phụ thuộc vào bản chất vật liệu. • Điện trở suất: Từ (2.2) và (2.3) ta thấy: ❖ Nếu  ; → R  I càng giảm (dẫn điện yếu). ❖ Ngược lại, nếu   ; → R   I càng tăng (dẫn điện mạnh hơn). ❖ Mặt khác từ (2.2) ta rút ra: S = R (2.4) l Nếu cho S = 1 đơn vị diện tích; l = 1 đơn vị chiều dài thì  = R. Thế nên: “Điện trở suất chính là đại lượng đặc trưng cho độ dẫn điện của vật liệu. Nó chính là điện trở của vật dẫn làm bằng vật liệu đó, có tiết diện là một đơn vị diện tích và dài1 đơn vị chiều dài “. • Sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ: “Khi nhiệt độ tăng lên, điện trở vật dẫn cũng sẽ tăng lên” Gọi R0 là điện trở của vật dẫn ở nhiệt độ t0. R1 là điện trở của vật dẫn ở nhiệt độ t1. t = t1 – t0 ; R = R1 – R0 Thực nghiệm đã chứng minh: R R1 − R0 = =  .t =  (t1 − t0 )  R1 = R0 (1 +  t) (2.5) R0 R0 : Là hệ số nhiệt điện trở; đặc trưng cho sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ. 2.1.2. Công suất và điện năng trong mạch một chiều a. Công của dòng điện Ta đã có: q A I=  q = I .t ; và U =  A = U .q . Hay là A= UIt (2.6) t q 10
Với: t: Thời gian [s]. A: Công sinh ra [J]. “Công của dòng điện là công của lực điện trường làm di chuyển các điện tích tự do trong mạch. Nó được đo bằng tích số của điện áp và dòng điện với thời gian mà dòng điện chạy qua“. b. Công suất “Là đại lượng đặc trưng cho tốc độ sinh công của dòng điện. Nó có độ lớn bằng công do dòng điện sinh ra trên 1 giây “ P=  P= U.I (2.7) Trong đó : U: Điện áp 2 đầu đoạn mạch [V]. I: Dòng điện qua mạch [A]. P: Công suất tiêu thụ của mạch [W]. Từ ( 2.7) và (2.3) ta có: 2 U U = I.R  P = I2 R; Mặt khác: I =  P= U R R Tổng quát: Công suất trong đoạn mạch một chiều có thể được tính: P = U . I = I2 R = (2. 8) c. Điện năng tiêu thụ Là lượng công suất tiêu thụ trong 1 khoảng thời gian nào đó. Nói cách khác đây chính là công do dòng điện sinh ra, nhưng khoảng thời gian t ở đây được tính bằng giờ. P: Công suất [W]. A = P . t (2.9) t: Thời gian [giờ – h]. A: Điện năng tiêu thụ [Wh]. Ví dụ 2.1: Một mạch điện có điện áp U = 220V cung cấp cho tải có điện trở R = 25 trong thời gian 3h. Tính công suất của tải, điện năng tiêu thụ và tiền điện phải trả biết giá tiền điện là 2500đ/kWh. Giải: Theo định luật Ôm trên một đoạn mạch ta có cường độ dòng điện chạy qua tải là: U 220 I= = = 8,8 A R 25 Công suất của tải là: P = U.I = 220. 8,8 = 1936W Điện năng tiêu thụ: A = P.t = 1936.3 = 5 808Wh = 5,808kWh Tiền điện phải trả là: 5,808 x 2500 = 14 520đ 2.1.3. Định luật Joule -Lenz (định luật và ứng dụng) Khi dòng điện chạy qua vật dẫn, các hạt mang điện sẽ va chạm với phân tử làm chuyển động của phân tử tăng lên. 11
Thời gian duy trì dòng điện càng dài chuyển động của phân tử càng tăng. Kết quả là vật dẫn sẽ bị nóng lên hay dòng điện đã đốt nóng vật dẫn. Bằng thực nghiệm Joule – Lenz đã tìm ra mối quan hệ giữa dòng điện và lượng nhiệt tỏa ra như sau: • Phát biểu định luật: “Nhiệt lượng do dòng điện tỏa ra trong vật dẫn tỉ lệ với bình phương dòng điện, tỉ lệ với điện trở và thời gian duy trì dòng điện”. Q = I2 . R. t (2.10) Trong đó: I: Dòng điện qua vật dẫn [A]. R: Điện trở vật dẫn []. t: Thời gian duy trì dòng điện [s]. Q: Nhiệt lượng tỏa ra [J]. • Nhiêt lượng còn được tính bằng một đơn vị khác là Cal (calo): 1J = 0,24 Cal; khi đó (2.10) trở thành: Q = 0,24I2Rt [Cal] • Ứng dụng: - Chế tạo các dụng cụ đốt nóng bằng điện: lò điện, bếp điện, bàn ủi điện, mỏ hàn điện... - Mỗi dây dẫn đều có điện trở dây (Rdây) nên trong quá trình truyền dẫn, dây dẫn sẽ bị nóng lên. Nếu chọn dây dẫn không phù hợp sẽ bị nóng quá mức gây ra sự cố trong mạng điện. 2.1.4. Định luật Faraday (hiện tượng; định luật và ứng dụng) a. Hiện tượng: Bể điện phân được mô tả như hình 2.2. Khi đặt nguồn điện một chiều vào dung dịch muối, acid hoặc bazơ, dưới tác dụng của điện trường các ion dương sẽ di chuyển về K (Katod) còn các ion âm sẽ di chuyển về A (Anod) tạo thành dòng điện, gọi là dòng điện trong chất điện phân. Hiện tượng dòng điện một chiều làm phân cực các chất điện phân gọi là hiện tượng điện phân. Hình 2.2 Dòng điện trong chất điện phân là dòng chuyển dời có hướng của các ion dương theo chiều điện trường và các ion âm ngược chiều điện trường. b. Định luật: Trong hiện tượng điện phân, nếu anod làm bằng kim loại cùng loại với ion dương của chất điện phân thì trong quá trình điện phân cực dương sẽ tan dần. Lượng kim loại thoát ra sẽ bám vào katod, lượng kim loại này được tính theo định luật Faraday như sau: Khối lương kim loại giải phóng ở điện cực tỉ lệ với đương lượng hóa học của chất đó, tỉ lệ với thời gian và dòng điện đi qua 𝐴 𝑚 = 𝐾 𝐼𝑡 (2.11) 𝑛 Trong đó: m: là khối lượng kim loại bám vào K (kg) 1 K= 7 (C.kg): là hằng số Faraday 9,65.10 A: là nguyên tử lượng của kim loại bám vào K n: là hóa trị của kim loại 12
I: là dòng điện qua bình điện phân (A) t : là thời gian điện phân (s) c. Ứng dụng : - Mạ điện : là phủ một lớp kim loại lên một kim loại khác, khi đó vật cần mạ dùng làm katod, kim loại dùng để mạ làm anod, dung dịch điện phân là muối của kim loại dùng để mạ. - Đúc điện : tương tự như mạ điện nhưng khuôn đúc được làm bằng sáp ong hoặc vật dễ nặn, trên mặt quét một lớp than chì để dẫn điện dùng làm cực âm. 2.1.5. Hiện tượng nhiệt điện (hiện tượng và ứng dụng) a. Hiện tượng: Cho 2 dây kim loại khác nhau tiếp xúc ở 2 đầu, dùng ngọn đèn hơ nóng đầu A, đầu B nhúng vào cốc nước đá người ta thấy kim của mA kế chỉ một trị số. Tăng cường ngọn lửa ở đầu A thì kim của mA kế chỉ giá trị lớn hơn (Hình 2.3). Điều đó chứng tỏ trong mạch có dòng điện chạy qua, dòng điện đó gọi là dòng nhiệt điện. Hai đầu AB tồn tại một sức điện động gọi là sức điện động nhiệt. Sức điện động nhiệt phụ thuộc vào bản chất kim loại và sự chênh lệch nhiệt độ Hình 2.3 b. Giải thích: Do nhiệt độ của vật dẫn không đồng nhất, mật độ electron tự do ở nơi có nhiệt độ cao nhiều hơn ở nơi có nhiệt độ thấp nên có sự dịch chuyển thành dòng của electron từ nơi có nhiệt độ cao về nơi có nhiệt độ thấp tạo nên sự chênh lệch điện thế giữa hai đầu vật dẫn, nếu nối thành mạch kín sẽ hình thành sức điện động nhiệt. c. Ứng dụng: Chế tạo cặp nhiệt điện để đo nhiệt độ trong các dụng cụ đốt nóng. 2.2. Các phương pháp giải mạch một chiều 2.2.1. Phương pháp biến đổi điện trở a. Đoạn mạch một chiều mắc nối tiếp. R1 I R2 Rn Rnt I  U1 U2 Un U U Hình 2.4 Rn t = = R1 + R2 + ..... + Rn (2.12) • Điện trở tương đương: • Dòng điện qua mạch I= (2.13) • Sụt áp trên các phần tử: U= = U1 + U2 + ..... + Un (2.14) Ui = I. Ri 13 Hay là U1 = I. R1; U2 = I. R2 ...
U1 , U2 ... Un gọi là sụt áp (điện áp giáng, điện áp rơi) trên các điện trở. Kết luận: Trong đoạn mạch mắc nối tiếp, ta luôn có: • “Điện trở tương đương bằng tổng các điện trở thành phần”. • “Dòng điện qua mạch không thay đổi, nó chính là tỉ số giữa điện áp 2 đầu đoạn mạch và điện trở tương đương của đoạn mạch “. • “Điện áp 2 đầu đoạn mạch bằng tổng điện áp rơi trên các phần tử “. ❖ Trường hợp mở rộng Nếu có n điện trở bằng nhau mắc nối tiếp thì các biểu thức (2.12) – (2.14) trở thành: U U Rnt = n. R; I= ; và Ui = (2.14b). n.R n b. Đoạn mạch mắc song song R1 I1 R2 R// I I2 I  U In Rn U Hình 2.5 Đoạn mạch mắc song song • Điện trở tương đương: = = + + .... + (2.15) • Dòng điện qua mạch chính: I= (2.16) • Dòng điện qua các nhánh rẽ: I= = I1 + I2 + ..... + In (2.17) Ii = Hay là I1 = ; I2 = ... I1, I2 ... In gọi là dòng điện qua các mạch nhánh. I là dòng điện qua mạch chính. Kết luận: Trong đoạn mạch mắc song song, ta luôn có: • “Nghịch đảo điện trở tương đương bằng tổng các nghịch đảo điện trở thành phần”. 14
• “Điện áp qua các phần tử không thay đổi , nó chính là điện áp 2 đầu đoạn mạch“. • “Dòng điện qua mạch chính bằng tổng dòng điện qua các mạch nhánh“. ❖ Trường hợp mở rộng: ➢ Trường hợp mạch chỉ có 2 điện trở mắc song song, điện trở tương đương được tính: = = + = hay là R// = (2.18) Trong thực tế, khi giải đoạn mạch song song. Điện trở tương đương của mạch thường được tính theo (2.18), bằng cách hình thành từng cặp điện trở song song để đơn giản mạch và tính toán dần dần. ➢ Trường hợp mạch có n điện trở bằng nhau mắc song song, thì các biểu thức (2.15) – (2.17) trở thành: R n.U I R// = ; I= ; và Ii = n R n Ví dụ 2.2: Đoạn mạch gồm R1 = 3; R2 = 5; R3 = 4. Mắc nối tiếp nhau và mắc vào nguồn điện một chiều có điện áp 24V. Tính dòng điện qua mạch và sụt áp trên từng điện trở. GIẢI • Điện trở tương tương: Rn t = R1 + R2 + R3 = 3 + 5 + 4 = 12. • Dòng điện qua mạch: I = U / Rn t = 24 / 12 = 2A. • Sụt áp trên các điện trở: ➢ Trên R1: U1 = I. R1 = 2. 3 = 6V; ➢ Trên R2: U2 = I. R2 = 2. 5 = 10V; ➢ Trên R3: U3 = I. R3 = 2. 4 = 8V; ➢ Ta thấy: U1 + U2 + U3 = 6 + 10 + 8 = 24 V = U. Ví dụ 2.3: Đoạn mạch gồm R1 = 3 nối tiếp với R2 và R3, mắc vào nguồn điện một chiều có điện áp 24V, dòng điện qua mạch là 1,5A. Xác định các điện trở R2 và R3, biết rằng sụt áp trên R2 là U2 = 9V. GIẢI • Điện trở R2: U2 U2 = I. R2  R2 = = 9 = 6. I 1,5 • Điện trở tương đương toàn mạch: U Rn t = = 24 = 16. I 1,5 • Điện trở R3: Rn t = R1 + R2 + R3  R3 = Rn t – (R1 + R2) = 16 – (3+ 6) = 7. 15
Ví dụ 2.4: Đoạn mạch gồm R1 = 6; R2 = 12; R3 = 16. Mắc song song nhau và mắc vào nguồn điện một chiều có điện áp 16V. Tính dòng điện qua mạch chính và qua từng điện trở. GIẢI: Mạch được vẽ lại như hình 2.6a; biến đổi tương đương như hình 2.6b và 2.6c R1 I1 R1 2 R// I + I I2 R2 _  R3  U I3 R3 a b c Hình 2.6 Mạch điện ở ví dụ 2.3 • Điện trở tương đương: R1.R2 6.12 R12 = = = 4. R1 + R2 6 + 12 R12.R3 4.16 R// = = = 3,2 R12 + R3 4 + 16 • Dòng điện qua mạch chính: U 16 I= = = 5A. R // 3,2 • Dòng điện qua các điện trở: U 16 8 ➢ Dòng qua R1: I1 = = = A; R1 6 3 U 16 4 ➢ Dòng qua R2: I2 = = = A; R2 12 3 U 16 ➢ Dòng qua R3: I3 = = = 1A; R3 16 8 4 15 Ta thấy I = I1 + I2 + I3 = + +1 = = 5A. 3 3 3 c. Đoạn mạch mắc hỗn hợp Là những đoạn mạch nối tiếp kết hợp với những đoạn mạch song song, khi đó các 16
biểu thức sẽ được áp dụng cho từng đoạn mạch tương ứng. Trên thực tế bài toán một chiều (đơn giản) thường là ở dạng mạch mắc hỗn hợp, ít khi gặp trường hợp chỉ thuần nối tiếp hay thuần song song. d. Phương pháp chung ➢ Bước 1: Vẽ lại mạch theo hướng từ nguồn đến tải để nhận ra bản chất của mạch (đoạn nào là nối tiếp, đoạn nào là song song). ➢ Bước 2: Đơn giản mạch tìm điện trở tương đương toàn mạch (tính toán từ tải về nguồn). U ➢ Bước 3: Tính dòng điện qua mạch chính I = . Rmach ➢ Bước 4: Tìm sụt áp trên các phần tử cần thiết. ➢ Bước 5: Tính dòng điện qua các nhánh và các thông số khác theo yêu cầu. e. Các trường hợp đặc biệt ❖ Mạch chia dòng điện R1 I1 Bài toán: Mạch điện như hình 2.7. Biết I, R1, R2; Tìm I1, I2 I R2 I2 GIẢI U I .R// R1.R2 I1 = = mà R// = . R1 R1 R1 + R2 Thay vào ta được: Hình 2.7 Mạch phân dòng R1R2 I. R1 + R2 I1 = ; Hay là: I1 = ; I2 = (2.18) R1 Kết luận: “Dòng điện qua một nhánh sẽ bằng dòng điện trong mạch chính nhân với điện trở nhánh kia và chia cho tổng điện trở của chúng“. ❖ Cầu phân áp R1 R2 Bài toán: Mạch như hình 2.8. Biết U, R1, R2; Tìm U1, U2 U1 U2 GIẢI U U Hình 2.8 Cầu phân áp U1 = I. R1 mà I = ; R1 + R2 Hay là: U1 = ; U2 = (2.19) 17
Kết luận: “Sụt áp trên phần tử nào bằng điện áp 2 đầu đoạn mạch nhân với phần tử đó và chia cho tổng điện trở toàn mạch“. 2.2.2. Phương pháp xếp chồng dòng điện. Trong trường hợp mạch có từ 2 nguồn độc lập thì phương pháp biến đổi điện trở không giải quyết được, khi đó ta có thể sử dụng phương pháp xếp chồng dòng điện. Phương pháp này dựa trên cơ sở : “Nếu trong một nhánh có nhiều nguồn tác động thì dòng điện của nhánh sẽ bằng tổng đại số các dòng điện qua nhánh đó”. ❖ Phương pháp chung: - Bước 1: Chỉ cho một nguồn tác động, các nguồn còn lại được loại bỏ bằng cách nối tắt (nguồn áp) hoặc hở mạch (nguồn dòng). Giải mạch một nguồn bằng phương pháp biến đổi điện trở tìm các dòng điện do nguồn này gây ra là I1’, I2’… (lưu ý chiều của các dòng điện). - Bước 2: Lặp lại bước 1 đối với các nguồn tiếp theo, dòng điện khi đó là I 1’’, I2’’…. Tiếp tục thực hiện cho đến hết nguồn. - Bước 3: Cộng đại số các dòng điện này ta được kết quả dòng điện qua nhánh Ii = Ii’+Ii’’+… 2.2.3. Các phương pháp ứng dụng định luật Kirchoff 2.2.3.1. Các khái niệm (nhánh, nút, vòng) ❖ Nhánh: Là một đoạn mạch gồm những phần tử mắc nối tiếp có cùng một giá trị dòng điện chạy từ đầu đến cuối. Ví dụ nhánh AF; BE; CD. ❖ Nút (đỉnh): Là điểm giao nhau của từ 3 nhánh trở lên. Ví dụ: nút B; nút E. ❖ Mạch vòng (vòng, lưới): Gồm các nhánh ghép lại tạo thành mạch kín. Ví dụ: Vòng ABEF; BCDE; ADEF. A B C I1 E1 E2 I3 R2 I2 A R1 R3 I5 I4 F E D Hình 2.9a: nhánh, mạch vòng và Hình 2.9b dòng điện tại một nút nút 2.2.3.2. Các định luật Kirchoff Định luật Kirchhoff 1 (K1) Xét một nút của mạch như hình 2.9b. Tại một thời điểm có một số dòng điện rời khỏi nút và một số dòng đi tới nút. Như vậy, trong một giây lượng điện tích rời khỏi nút phải bằng lượng điện tích đi đến nút. Nói cách khác tổng giá trị (số học) dòng điện đi đến nút phải bằng tổng giá trị dòng điện rời khỏi nút đó. Dựa vào hình vẽ ta có: I1 + I2 + I5 = I4 + I3. Nếu ta qui ước dòng điện đi đến nút là dương và dòng điện rời khỏi nút là âm (hoặc ngược lại) thì phương trình trên trở thành: I1 + I2 – I3 – I4 + I5 = 0. Tổng quát định luật Kirchhoff 1 phát biểu như sau: “Tổng đại số các dòng điện tại một nút bằng 0“ I = 0 18