Giáo trình Mạch điện (Nghề: Điện công nghiệp - Trung cấp) - Trường CĐ Công nghiệp Hải Phòng

Chia sẻ: Cuchoami2510 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:71

Thêm vào BST

Báo xấu

29
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Mạch điện với mục tiêu giúp các bạn có thể trình bày được các định luật cơ bản về mạch điện, các phương pháp giải mạch điện một chiều, xoay chiều. Xác định đúng chiều dòng điện cảm ứng, véc tơ cảm ứng điện từ và véc tơ lực điện từ trong ống dây, dây dẫn thẳng, vòng dây đặt trong từ trường nam châm vĩnh cửu. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Mạch điện (Nghề: Điện công nghiệp - Trung cấp) - Trường CĐ Công nghiệp Hải Phòng

1 UBND THÀNH PHỐ HẢI PHÒNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP HẢI PHÒNG GIÁO TRÌNH Môn học/Mô đun: Mạch điện NGHỀ:ĐIỆN CÔNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ TRUNG CẤP Hải Phòng, 2019
2 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. Tổng cục dạy nghề cảm ơn và hoan nghênh các thông tin giúp cho việc tu sửa và hoàn thiện tốt hơn tài liệu này.
3 LỜI GIỚI THIỆU Trong quá trình đào tạo cho các học sinh nghề Điện dân dụng, những khái niệm cơ bản ban đầu về các hiện tượng, các quá trình xảy ra trong các trang thiết bị mà sau này các em sẽ học là vô cùng cần thiết. Môn học Mạch điện sẽ trang bị cho các học sinh ngành điện nói riêng và khối kỹ thuật nói chung các khái niệm, định luật về điện, kiến thức về điện từ, cảm ứng điện từ. Giúp cho các em biết tính toán một số bài toán về điện, phân tích và tính toán một số mạch điện đơn giản dựa trên cơ sở của các định luật đã học. Có thể nói Mạch điện là một trong những môn học cơ sở nền tảng cho các môn học về điện sau này nên đòi hỏi các em phải nắm vững những khái niệm, định luật và các công thức tính toán trong các mạch điện, mạch từ, các mạch điện một chiều và xoay chiều trên cơ sở các định luật, định lý về mạch điện. Các em phải biết vận dụng các kiến thức đã học vào việc tính toán các mạch điện từ, cũng như việc phân tích và tính toán mạch điện. Để quá trình dạy học môn Mạch điện thuận tiện và hiệu quả hơn, giáo trình Mạch điện được biên soạn. Những kiến thức mà giáo trình mạch điện cung cấp giúp cho người học học tốt hơn các môn học và mô đun: Kỹ thuật điện tử cơ bản, trang bị điện, máy biến áp, động cơ điện và máy phát điện (nói chung) … trong chương trình đào tạo nghề Điện dân dụng. Cấu trúc cơ bản của giáo trình bao gồm 3 chương: Chương 1: Mạch điện một chiều; Chương 2: Từ trường và cảm ứng điện từ; Chương 3: Mạch điện xoay chiều. Hải Phòng, ngày tháng năm 2019 Tổ bộ môn
4 MỤC LỤC TRANG Lời giới thiệu Mục lục 1 Chương 1: Mạch điện một chiều 4 1. Khái niệm dòng điện và mạch điện 5 1.1. Dòng điện 5 1.2. Mạch điện 5 2. Các định luật cơ bản về mạch điện 10 2.1. Định luật Ôm 10 2.2. Định luật Jun-Lenxơ 10 2.3. Định luật Kiếchốp (Kirchoff) 11 3. Nguồn điện 12 3.1. Khái niệm nguồn điện 12 3.2. Nguồn điện một chiều 13 4. Phương pháp giải mạch điện phức tạp 14 4.1. Phương pháp dòng điện nhánh 14 4.2. Phương pháp dòng điện vòng 16 4.3. Phương pháp điện áp hai nút 18 4.4. Phương pháp xếp chồng 20 Chương 2: Từ trường – Cảm ứng điện từ 23 1. Từ trường 23 1.1. Khái niệm từ trường, đường cảm ứng từ. 23 1.2. Các đại lượng từ cơ bản. 24 1.3. Từ trường của một số dây dẫn mang dòng điện 26 1.4. Lực tương tác 27 1.5. Lực tác dụng giữa hai dây dẫn có dòng điện. 28 2. Mạch từ 29 2.1. Khái niệm mạch từ 29 2.2. Định luật dòng điện toàn phần 30 2.3. Tương quan B, H và đường cong từ hoá 30 3. Cảm ứng điện từ 31 3.1. Định luật cảm ứng điện từ 31 3.2. Suất điện động cảm ứng 32 3.3. Hiện tượng tự cảm 34 3.4. Hiện tượng hỗ cảm 34 3.5. Dòng điện xoáy 35 Chương 3: Mạch điện xoay chiều 37 1. Mạch điện xoay chiều một pha. 37 1.1. Định nghĩa và nguyên lý tạo ra dòng điện xoay chiều hình sin. 37 1.2. Cách biểu diễn đại lượng xoay chiều hình sin. 40
5 1.3. Mạch điện xoay chiều thuần trở. 41 1.4. Mạch điện xoay chiều thuần cảm. 41 1.5. Mạch điện xoay chiều thuần dung. 42 1.6. Mạch điện xoay chiều có điện trở, điện cảm, điện dung mắc nối tiếp. 42 1.7. Mạch điện xoay chiều có điện trở, điện cảm, điện dung mắc song song.43 2. Mạch điện xoay chiều ba pha. 47 2.1. Khái niệm dòng điện xoay chiều ba pha. 47 2.2. Các đại lượng trong mạch điện ba pha. 48 2.3. Đấu dây mạch điện xoay chiều ba pha. 49 2.4. Giải mạch điện ba pha. 52 3. Hệ số công suất. 55 3.1. Ý nghĩa hệ số công suất. 55 3.2. Biện pháp nâng cao hệ số công suất. 56
6 MÔN HỌC MẠCH ĐIỆN Mã số môn học: MH 08 Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của môn học: Môn học được bố trí sau khi học sinh học xong các môn học chung, trước các mô đun nghề. Đây là môn học lý thuyết cơ sở giúp cho học sinh có khái niệm ban đầu về chuyên ngành điện. Môn học cung cấp những kiến thức cơ bản về các bộ phận cấu thành mạch điện một chiều và xoay chiều, những phương pháp biểu diễn và giải mạch điện từ đơn giản đến phức tạp bằng các phương pháp khác nhau dựa trên những cơ sở lý thuyết khác nhau. Học tốt môn học này, học sinh sẽ có cơ sở để tiếp thu tốt hơn các môn học cơ sở và chuyên ngành khác của chương trình đào tạo chuyên ngành Điện dân dụng. Mục tiêu môn học: * Về kiến thức: - Trình bày được các định luật cơ bản về mạch điện, các phương pháp giải mạch điện một chiều, xoay chiều. - Xác định đúng chiều dòng điện cảm ứng, véc tơ cảm ứng điện từ và véc tơ lực điện từ trong ống dây, dây dẫn thẳng, vòng dây đặt trong từ trường nam châm vĩnh cửu. - Giải thích được một số hiện tượng điện từ trong các thiết bị điện dân dụng. * Về kỹ năng: - Vận dụng được 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. - Phân tích được sơ đồ mạch đơn giản, biến đổi được mạch phức tạp thành các mạch điện đơn giản. *Về thái độ: - Kiên nhẫn, tập trung, tỷ mỷ, chính xác, có tư duy sáng tạo, trách nhiệm. Nội dung môn học: Thời gian Số Kiểm tra* Tên chương mục Tổng Lý Thực hành TT (LT hoặc số thuyết Bài tập TH) I Mạch điện một chiều 17 10 6 1 - Khái niệm dòng điện và mạch điện 2 2 0 0 - Các định luật cơ bản về mạch điện 3 2 1 0 - Nguồn điện 3 2 1 0
7 - Phương pháp giải mạch điện phức 9 4 4 1 tạp II Từ trường – Cảm ứng điện từ 15 12 2 1 - Từ trường 5 4 1 0 - Mạch từ 4 4 0 0 - Cảm ứng điện từ 6 4 1 1 III Mạch điện xoay chiều 13 8 5 0 - Mạch điện xoay chiều 1 pha 8 4 4 0 - Mạch điện xoay chiều 3 pha 4 3 1 0 - Hệ số công suất 1 1 0 0 Cộng 45 30 13 2
8 CHƯƠNG 1 MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU Mã chương: MH08.01 Giới thiệu: Khái niệm, định nghĩa về dòng điện, mạch điện, nguồn điện là những khái niệm, định nghĩa cơ bản nhất trong ngành điện. Khi tìm hiểu và giải các mạch điện, chúng ta không thể bỏ qua các định luật cơ bản về mạch điện. Từ đó áp dụng các định luật cơ bản này để giải các mạch điện từ đơn giản đến phức tạp bằng các phương pháp thích hợp khác nhau, tùy theo đặc điểm của từng mạch cụ thể. Chương đầu tiên này sẽ cung cấp cho học sinh những kiến thức cơ bản về những điều đã đề cập ở trên. Mục tiêu: - Trình bày được các khái niệm về dòng điện, mạch điện, nguồn điện và các phương pháp giải mạch điện một chiều. - Giải được các mạch điện một chiều phức tạp. - Tuân thủ các bước giải mạch điện. - Tỉ mỉ, chính xác, có tư duy logic, trách nhiệm trong công việc. Nội dung chính: 1. Khái niệm dòng điện và mạch điện Mục tiêu: - Trình bày được khái niệm dòng điện và mạch điện. - Xác định được số nhánh, nút, mạch vòng của một mạch điện đã cho. 1.1. Dòng điện 1.1.1. Khái niệm về dòng điện Dòng điện là dòng chuyển dời có hướng của các điện tích trong điện trường. Tùy theo từng môi trường khác nhau mà bản chất dòng điện trong đó sẽ khác nhau. Ví dụ: Nếu trong kim loại thì dòng điện là dòng chuyển dời có hướng của các electron tự do; trong chất điện phân là dòng chuyển dời có hướng của các ion dương và ion âm; trong không khí là dòng chuyển dời có hướng của các điện tích dương và điện tích âm ... 1.1.2. Tác dụng của dòng điện Dòng điện có các tác dụng: - Tác dụng nhiệt: Khi có dòng điện chạy qua các vật dẫn thì các vật dẫn bị phát nóng. Người ta sử dụng tác dụng nhiệt của dòng điện để chế tạo các thiết bị như máy sấy, nồi cơm điện, lò nướng điện ... - Tác dụng quang: Khi có dòng điện chạy qua các vật dẫn thì các vật dẫn bị phát sáng. Người ta sử dụng tác dụng quang của dòng điện để chế tạo bóng đèn sợi nung. - Tác dụng hóa học: Khi có dòng điện chạy qua các dung dịch hóa học sẽ làm cho tính chất hóa học của chúng thay đổi. Người ta sử dụng tác dụng hóa học của dòng điện để điện phân, nạp ắc quy ... 1.1.3. Cường độ và mật độ dòng điện Người ta biểu diễn độ “mạnh”, “yếu” của dòng điện thông qua tham số cường độ dòng điện.
9 Cường độ dòng điện là trị số của dòng điện tính bằng tốc độ biến thiên của lượng điện tích q qua tiết diện ngang của vật dẫn, đơn vị tính của cường độ dòng điện là Ampe (A): dq i= A (1- 1) dt Chiều quy ước của dòng điện là chiều chuyển động của các điện tích dương trong điện trường. Trong tính toán mạch điện, người ta còn sử dụng khái niệm mật độ dòng điện. Mật độ dòng điện là trị số của dòng điện tính bằng tốc độ biến thiên của lượng điện tích q qua một đơn vị diện tích của tiết diện ngang của vật dẫn, đơn vị tính của mật độ dòng điện là A/mm2. Nếu tiết diện ngang của vật dẫn là S thì mật độ dòng điện được tính: dq σ= A/mm2 (1- 2) S.dt 1.2. Mạch điện 1.2.1. Khái niệm về mạch điện Mạch điện là tập hợp các thiết bị điện nối với nhau bằng các dây dẫn tạo thành mạch kín theo một quy luật đã được thiết kế trước, trong đó có dòng điện chạy qua. Mạch điện thường bao gồm các phần tử: nguồn điện, phụ tải, dây dẫn. Hình 1- 1 là một ví dụ về mạch điện. - Nguồn điện: Nguồn điện là thiết bị biến đổi các dạng năng lượng khác như cơ năng, nhiệt năng, hóa năng ... thành điện năng. - Tải: Tải là các thiết bị tiêu thụ điện năng và biến đổi điện năng thành các dạng năng lượng khác như cơ năng, nhiệt năng, quang năng ... - Dây dẫn: Dây dẫn làm bằng vật liệu dẫn điện tốt (đồng,nhôm...) dùng để truyền tải điện năng từ nguồn đến tải. Dây dẫn MF ĐC Hình 1.1: Mạch điện Nguồn điện Phụ tải 1.2.2. Mô hình mạch điện Để tiện lợi khi tính toán thiết kế và khảo sát các quá trình điện từ xảy ra trong mạch điện người ta sử dụng mô hình mạch điện. Mạch điện thực tế với các thiết bị điện được thay thế bằng mô hình mạch với các phần tử lý tưởng đặc trưng cho một quá trình nào đó. Mô hình mạch bao gồm: - Các phần tử tích cực: nguồn áp u(t), nguồn dòng i(t) lý tưởng; - Các phần tử thụ động: điện trở R, điện cảm L, điện dung C lý tưởng; - Dây dẫn lý tưởng. 1. Nguồn áp u(t). Nguồn áp u(t) hay máy phát điện áp, còn được gọi là nguồn sức điện động e(t) đặc trưng cho khả năng tạo nên và duy trì một điện áp không đổi trên hai
10 cực của nguồn. Đặc tính quan trọng của nguồn áp là có điện trở nội r = 0 , hiệu điện thế trên hai cực của nguồn là không đổi và không phụ thuộc vào giá trị phụ tải. Ký hiệu quy ước của nguồn áp như hình 1-2, a. Ta có giá trị của nguồn áp: u(t) = - e(t) (1-3) 2. Nguồn dòng điện i(t). Nguồn dòng điện i(t) hay máy phát dòng, đặc trưng cho khả năng tạo nên và duy trì một dòng điện không đổi trong mạch. Đặc tính quan trọng của nguồn dòng là có nội trở r = ∞ và giá trị của dòng điện trong mạch không phụ thuộc vào phụ tải. Ký hiệu quy ước của nguồn dòng chỉ ra trên hình 1- 2, b. Trên thực tế, các bộ nguồn đều có một nội trở hữu hạn nào đó. Do vậy, khi thay thế trong mô hình mạch, chúng được biểu diễn ở dạng một nguồn sức điện động e(t) mắc nối tiếp với một một điện trở r (hình 1- 2 c), hoặc ở dạng một nguồn dòng điện i (t) mắc song song với một điện trở r (hình 1- 2 d). r i(t) i(t) r e(t) u(t) e(t) d) b) c) a) Hình 1- 2 . Ký hiệu quy ước nguồn áp và nguồn dòng a, b – Nguồn áp và nguồn dòng lý tưởng; c, d – Nguồn áp và nguồn dòng thực tế 3. Điện trở R. Điện trở R đặc trưng cho vật dẫn về mặt cản trở dòng điện. Về mặt năng lượng điện trở R đặc trưng cho quá trình tiêu thụ điện năng và biến điện năng thành các dạng năng lượng khác như nhiệt năng, quang năng, cơ năng, … Quan hệ giữa dòng điện và điện áp trên điện trở là: uR = R.i (1-4) Công suất thoát ra trên điện trở: p = R.i2 (1-5) Trong hệ đơn vị SI đơn vị điện trở là ôm ( ). Ký hiệu: 4. Cuộn dây L. Là phần tử có khả năng tích – phóng năng lượng dưới dạng từ trường. Một cuộn dây có dòng điện i chạy qua sẽ sinh ra từ trường. Từ thông gửi qua n vòng của cuộn dây là Y = n.F. Điện cảm của cuộn dây được định nghĩa là: Y n. F L= = i i Trong hệ đơn vị SI đơn vị điện cảm (L) là henri (H) Năng lượng từ trường được tích lũy trên cuộn cảm:
11 1 2 W = Li di Quan hệ giữa dòng và áp trên cuộn cảm: u = L (V) dt Ký hiệu: 5. Tụ điện C. Là phần tử có khả năng tích – phóng năng lượng dưới dạng điện trường. Khi nối hai đầu của một tụ điện có điện dung C vào nguồn điện áp u, tụ điện sẽ được tích điện. Độ lớn của điện tích q: q = C u (1-6) Trong hệ đơn vị SI đơn vị điện dung (C) là fara (F). Năng lượng điện trường được tích lũy trên tụ điện: 1 2 W = CU du Quan hệ giữa dòng và áp trên tụ điện: i = C (V) dt Ký hiệu: 6. Dạng các phần tử thụ động trên thực tế: Trên thực tế không có phần tử nào là thuần điện trở R,r thuần dung C, thuần cảm L cả. Để tiện cho tính toán giải mạch điện ta đã chấp nhận sai số mô hình coi các phần tử chỉ mang tính chất đặt trưng của chúng. Khi nghiên cứu sâu, mô hình chính xác hơn ta có thể mô phỏng gần đúng các phần tử như sau: a. Phần tử điện trở: Cr Lr b. Phần tử điện cảm: CL rL c. Phần tử điện dung: LC C LC 7. Mô hình mạch điện. Mô hình mạch điện là sơ đồ thay thế tương đương các phần tử của mạch điện bằng các phần tử mô hình lý tưởng e, i, R, L, C sao cho kết cấu hình học và các quá trình năng lượng xảy ra trong mạch giống như ở mạch điện thực. Để thiết lập mô hình mạch ta phân tích các quá trình năng lượng xảy ra trong từng phần tử mạch và thay thế chúng bằng các phần tử tương đương. Khi phân tích cần chú ý rằng, tùy thuộc vào điều kiện làm việc của mạch điện, đặc biệt là dải tần công tác mà sơ đồ thay thế sẽ khác nhau. Ví dụ: Ta xét một mạch điện thực tế gồm một máy phát cung cấp điện cho phụ tải là một bóng đèn mắc song song với một cuộn dây theo sơ đồ hình 1-3, a.
12 Khi chuyển sang sơ đồ thay thế đối với dòng điện xoay chiều, máy phát điện được thay thế bằng (Ef ,Lf ,Rf). Phụ tải là bóng đèn thay thế bằng Rz, còn cuộn dây bằng L, R; dây dẫn nối giữa các phần tử được thay bằng phần tử tập trung Ld , Rd (hình 1-3, b). Tuy nhiên khi chuyển sang sơ đồ thay thế đối với dòng điện một chiều, do các phần tử kháng bằng không nên sơ đồ thay thế có dạng đơn giản hơn (hình 1-3, c). Hình 1- 3 . Mạch điện và mô hình mạch điện a – Sơ đồ thực tế. b – Sơ đồ tương đương cho mạch điện xoay chiều. c – Sơ đồ tương đương cho mạch điện một chiều. 1.2.3. Nhánh, nút và mạch vòng của mạch điện: Nhánh (n): Là một đoạn của mạch điện chỉ bao gồm các phần tử của mạch điện mắc nối tiếp với nhau và có dòng điện đi qua. Nút (d): Là nơi giao nhau của từ 3 nhánh mạch điện trở lên. Mạch vòng (c) - còn được gọi là “mắt”: Là lối đi khép kín qua các nhánh của mạch điện. Ví dụ: Cho mạch điện như trên hình 1-4: Hình 1- 4 . Mạch điện và các nhánh, nút, mạch vòng Mạch bao gồm 5 nhánh (n = 5) AB, AC, CB, CD và BD; kết nối với nhau tạo thành 4 nút (d = 4) A, B, C và D; mạch có 3 mạch vòng (ACBA), (BCDB) và (ACDBA).
13 2. Các định luật cơ bản về mạch điện Mục tiêu: - Trình bày được nội dung các định luật đã học. - Áp dụng được các định luật để giải các bài toán về mạch điện thông thường. 2.1. Định luật Ôm 2.1.1 Định luật Ôm cho đoạn mạch: Xét một đoạn mạch như trên hình 1.5: Điện áp đặt lên hai đầu đoạn mạch có giá trị U, điện trở tương đương của đoạn mạch có giá trị là R, dòng điện chạy trong đoạn mạch có giá trị là I. R Hình 1.5: Định luật Ôm cho đoạn mạch. Định luật Ôm cho đoạn mạch phát biểu như sau: Trong một đoạn mạch kín, dòng điện đi qua đoạn mạch tỷ lệ thuận với điện áp đặt trên hai đầu đoạn mạch và tỷ lệ nghịch với điện trở của đoạn mạch đó. U I= R 2.1.2 Định luật Ôm cho toàn mạch: Xét một mạch điện như trên hình 1.6: Nguồn điện của mạch có giá trị sức điện động (s.đ.đ) là E, điện trở tương đương của toàn mạch có giá trị là Rtm, dòng điện chạy trong mạch chính có giá trị là I. I E Rtm Hình 1.6: Định luật Ôm cho toàn mạch. Định luật Ôm cho toàn mạch phát biểu như sau: Trong một mạch điện kín, dòng điện đi qua mạch chính tỷ lệ thuận với s.đ.đ bộ nguồn của mạch điện và tỷ lệ nghịch với điện trở của toàn mạch. E I= Rt m Ví dụ: Cho mạch điện như hình 1.6. Biết E = 24 V, Rtm = 12 . Tính giá trị dòng điện I. Giải: Theo định luật Ôm cho toàn mạch, ta có: E 24 I= = = 2 (A) Rt m 12 Đáp số: I = 2A. 2.2. Định luật Jun - Lenxơ (Joule -Lenzo ): Đây là định luật cơ bản về mối quan hệ giữa điện và nhiệt, sử dụng để tính toán nhiệt lượng cung cấp (hoặc tỏa ra) cho các thiết bị khi có dòng điện đi qua. 2.2.1. Định luật Jun - Lenxơ:
14 Nội dung định luật: Nhiệt lượng tỏa ra ở dây dẫn khi có dòng điện chạy qua tỉ lệ thuận với bình phương cường độ dòng điện, với điện trở của dây dẫn và thời gian dòng điện chạy qua. Biểu thức của định luật Jun –Len-Xơ: Q = I2Rt Trong đó: I: Tính bằng ampe (A); R: Tính bằng ôm ( ) t: Tính bằng giây (s) thì Q đo bằng jun (J) Nếu đo nhiệt lượng Q bằng đơn vị calo thì biểu thức của định luật Jun-Len-Xơ sẽ là : Q = 0,24.I2Rt 2.2.2. Ứng dụng: Một bài toán được đặt ra là: Một ấm điện có ghi 220V-1000W được sử dụng với hiệu điện thế 220V để đun sôi 2 lít nước từ nhiệt độ ban đầu t1 = 200 C. Bỏ qua nhiệt lượng làm nóng vỏ ấm và nhiệt lượng toả ra môi trường. Tính thời gian đun sôi nước, biết nhiệt dung riêng của nước c = 4200J/kg.K. Để giải bài toán này ta áp dụng định luật bảo toàn năng lượng và định luật Jun - Lenxơ. Theo định luật bảo toàn năng lượng: Năng lượng do nguồn điện sinh ra (A) bằng với nhiệt lượng (Q) mà 2 lít = 2kg nước nhận được để làm tăng nhiệt độ từ t1 = 200C lên t2 = 1000C. Ta có: A = Q A = P.t = 1000.t Q = I2.R.t = m.c.(t2 - t1) = 2.4200.(100 - 20) m.c. t2 2.4200.80 t1 t 672 s P 1000 Như vậy thời gian để đun sôi nước trong bài toán đặt ra là 11 phút 12 giây. 2.3. Định luật Kiếc - khốp (Kirchoff): Định luật Kiếc - khốp 1 và 2 là hai định cơ bản để nghiên cứu và tính toán mạch điện. 2.3.1. Định luật Kiếc - khốp 1 (Định luật dòng điện điểm nút - KI) Nội dung định luật: Trong mạch điện, tổng đại số các dòng điện tại một nút bằng không: ∑i = 0 Trong đó quy ước các dòng điện có chiều đi tới nút sẽ mang dấu dương,các dòng điện có chiều rời khỏi nút sẽ mang dấu âm. Ví dụ: Tại nút A hình 1.7, định luật Kiếc khốp 1 được viết: i1 + i2 – i3 – i4 = 0 i4 I3 I1 I2 Hình 1.7: Định luật KI 2.3.2. Định luật Kiếc - khốp 2 (Định luật thế mạch vòng - KU).
15 Nội dung định luật: Trong một mạch vòng khép kín, theo chiều đã chọn, tổng đại số các điện áp rơi trên các phần tử R, L, C bằng tổng đại số các N nguồn s.đ.đ có trong mạch vòng đó. ∑n Uk = Σ Ej j=1 Trong đó những sức điện động và dòng điện có chiều trùng với chiều của mạch vòng sẽ mang dấu dương, ngược lại mang dấu âm (chiều điện áp rơi trên các phần tử trùng với chiều dòng điện đi qua phần tử đó). Ví dụ: Đối với vòng kín C trong hình 1.8, định luật Kiếc - khốp 2 sẽ được viết: R1 i1 i4 e2 e4 R2 R4 R3 i3 e3 i2 Hình 1.8: Định luật Kiếc khốp 2 (KU) R1 i1 + R2 i2 – R3 i3 + R4i4 = – e2 – e3 + e4 Cách phát biểu thứ 2 của định luật Kiếc – khốp 2: Trong một mạch vòng khép kín, tổng đại số các điện áp rơi trên các phần tử trong mạch vòng bằng không (trong đó chiều của các điện áp rơi trên các nguồn sức điện động ngược với chiều của s.đ.đ đó). Biểu thức của định luật Kiếc – khốp theo cách phát biểu thứ 2 của mạch vòng đã chọn trên hình 1.8 được viết: R1 i1 + R2 i2 – R3 i3 + R4i4 + e2 + e3 - e4 = 0 2.3.3. Bài tập ứng dụng: - Bài 1: Dùng định luật Ôm để tính dòng điện I trong mạch điện hình 1.1BT: Biết: U = 80V, R = 1,25 , R1 = 6 , R2 = 10 . + I Hình 1.1 BT R1 R2 R1 R3 - Bài 2: Cho mạch điện trên hình 1.2 BT. Biết: E1 = 200V, E2 = 600V R1 = 2 , R2 = 10 , R3 = 20 E1 R2 E2 Xác định số nhánh, nút, mạch vòng của mạch điện và dùng định luật Kiếc - khốp để tính dòng điện trong các nhánh? Hình 1.2
16 R1 R3 - Bài 3: Cho mạch điện trên hình 1.3 BT. Biết: E1 = 12V, E2 = 24V , E3 = 15V E3 R1 = 3 , R2 = 6 , R3 = 9 , R4 = 4 , R5 = 10 Tính dòng điện trong các nhánh? Hình 1.3 BT - Bài 4: Xác định số nhánh, nút, mạch vòng và tìm dòng điện trong các nhánh ở mạch điện hình 1.4 BT. 10Ω 40Ω I1 I2 + + - 20Ω - 0.4V 0,03A I3 1V Hình 1.4 BT 3. Nguồn điện Mục tiêu: - Trình bày được khái niệm các loại nguồn điện một chiều, xoay chiều. - Đấu ghép được nguồn thành bộ để có bộ nguồn đạt các yêu cầu kỹ thuật. 3.1. Khái niệm nguồn điện: Là thiết bị tạo ra điện năng. Về nguyên lý, nguồn điện là thiết bị biến đổi các dạng năng lượng như cơ năng, hóa năng, nhiệt năng,… thành điện năng. Ví dụ: - Máy phát điện, Hình 1.9: Máy phát điện là nguồn điện - Ắc quy,
17 Hình 1.10: Ắc - quy là nguồn điện - Pin mặt trời … Hình 1.11: Pin mặt trời là nguồn điện 3.2. Nguồn điện một chiều Là loại nguồn điện cung cấp dòng điện một chiều cho phụ tải. Nguồn điện một chiều có thể là máy phát điện một chiều, ắc – quy, pin mặt trời. Hình 1.12: Một số loại nguồn điện một chiều thông dụng 3.3. Đấu ghép nguồn thành bộ: Nguyên tắc đấu ghép nguồn thành bộ (ta sẽ dùng ký hiệu của nguồn điện trong quá trình khảo sát việc đấu ghép nguồn thành bộ): 3.3.1. Đấu ghép nối tiếp các nguồn áp thực tế: r e(t) E(t) B B Hình 1.13: Đấu ghép nối tiếp các nguồn áp Xét trường hợp có n nguồn áp (khi mắc nguồn thành bộ nên chọn các nguồn có giá trị s.đ.đ và dung lượng nguồn giống nhau) có giá trị s.đ.đ của nguồn là e(t), nội trở của nguồn là r, mắc nối tiếp với nhau như ở hình 1.13. Khi
18 đó ta sẽ được một nguồn điện tương đương có giá trị s.đ.đ là E(t), nội trở của nguồn tương đương là R. Trong đó: n n E(t) = Σ ek(t) ; R = Σ rk k=1 k=1 Từ các biểu thức trên ta thấy: Khi mắc nối tiếp các nguồn áp, s.đ.đ tương đương của bộ nguồn tăng lên, đồng thời nội trở tương đương của bộ nguồn cũng tăng lên, do vậy dung lượng (số A.h) của bộ nguồn không tăng. 3.3.2. Đấu ghép song song các nguồn áp thực tế: r e(t) E(t) B B Hình 1.14: Đấu ghép song song các nguồn áp Xét trường hợp có n nguồn áp (khi mắc nguồn thành bộ nên chọn các nguồn có giá trị s.đ.đ và dung lượng nguồn giống nhau) có giá trị s.đ.đ của nguồn là e(t), nội trở của nguồn là r, mắc song song với nhau như ở hình 1.14. Khi đó ta sẽ được một nguồn điện tương đương có giá trị s.đ.đ là E(t), nội trở của nguồn tương đương là R. Trong đó: r E(t) = e(t); R= n Từ các biểu thức trên ta thấy: Khi mắc nối tiếp các nguồn áp, s.đ.đ tương đương của bộ nguồn không thay đổi, nhưng nội trở tương đương của bộ nguồn giảm đi n lần, do vậy dung lượng (số A.h) của bộ nguồn sẽ được tăng lên. Kết luận: Khi cần tăng s.đ.đ của bộ nguồn ta thực hiện mắc nối tiếp các bộ nguồn, khi cần tăng dung lượng cho bộ nguồn ta thực hiện mắc song song các nguồn áp với nhau. Khi cần tăng cả giá trị s.đ.đ và dung lượng của bộ nguồn ta thực hiện mắc hỗn hợp các nguồn áp với nhau. 3.3.3. Bài tập ứng dụng: - Bài 1: Một ắc quy có Udm = 12 V, dung lượng 5 A.h; hãy tiến hành đấu ghép để được một bộ nguồn một chiều có Udm = 60 V, cung cấp cho tải có dòng tải định mức là 3 A. - Bài 2: Một ắc quy có Udm = 12 V, dung lượng 3 A.h; hãy tiến hành đấu ghép để được một bộ nguồn một chiều có Udm = 48 V, cung cấp cho tải có dòng tải định mức là 2 A. - Bài 3: Một ắc quy có Udm = 20 V, dung lượng 45 A.h; hãy tiến hành
19 đấu ghép để được một bộ nguồn một chiều có Udm = 60 V, cung cấp cho tải có dòng tải định mức là 25 A. - Bài 4: Một ắc quy có Udm = 20 V, dung lượng 2 A.h; hãy tiến hành đấu ghép để được một bộ nguồn một chiều có Udm = 20 V, cung cấp cho tải có dòng tải định mức là 30 A. - Bài 5: Một ắc quy có Udm = 12 V, dung lượng 3 A.h; hãy tiến hành đấu ghép để được một bộ nguồn một chiều có Udm = 12 V, cung cấp cho tải có dòng tải định mức là 20 A. - Bài 6: Một ắc quy có Udm = 12 V, dung lượng 3 A.h; hãy tiến hành đấu ghép để được một bộ nguồn một chiều có Udm = 60 V, cung cấp cho tải có dòng tải định mức là 15 A. - Bài 7: Một ắc quy có Udm = 12 V, dung lượng 3 A.h; hãy tiến hành đấu ghép để được một bộ nguồn một chiều có Udm = 48 V, cung cấp cho tải có dòng tải định mức là 25 A. - Bài 8: Một viên pin Cd-Ni có Udm = 1,2 V, dung lượng 500 mA.h; hãy tiến hành đấu ghép để được một bộ nguồn một chiều có Udm = 3,6 V, cung cấp cho tải có dòng tải định mức là 1,5 A. - Bài 9: Một viên pin có Udm = 1,5 V, dung lượng 150 mA.h; hãy tiến hành đấu ghép để được một bộ nguồn một chiều có Udm = 12 V, cung cấp cho tải có dòng tải định mức là 1 A. 4. Phương pháp giải mạch điện phức tạp Mục tiêu: - Trình bày được nội dung và đặc điểm của các phương pháp giải mạch điện. - Vận dụng để giải được các bài tập mạch điện phức tạp. 4.1. Phương pháp dòng điện nhánh 4.1.1. Phương pháp giải: Phương pháp dòng nhánh áp dụng định luật Kiếc khốp 1 và 2 để viết các phương trình với các ẩn số là dòng điện các nhánh. Các bước giải: 1 – Xác định số nhánh, nút và mạch vòng của mạch điện đã cho. 2 – Viết (d-1) phương trình định luật Kiếc khốp 1 (KI) 3 - Viết (n-d+1) phương trình định luật Kiếc khốp 2 (KU) 4 – Giải hệ n phương trình để tìm ra các dòng điện nhánh và các đại lượng khác theo yêu cầu. Ví dụ: Tìm dòng điện i(t) trong mạch hình 1-15 bằng phương pháp dòng điện nhánh. Với giá trị các điện trở cho trên hình và e(t) = 6sin (100 t) (V). i(t) R=1Ω A i5 R5=2Ω R1=2Ω II I R2=1Ω i1 i2 e(t) C D i3 III R3=2Ω R4=1Ω Hình 1.15: Giải mạch điện bằng phương i4 B pháp dòng điện nhánh.
20 Giải: - Xác định số nhánh, nút, mạch vòng: n = 6; d = 4; c = 7 - Viết d -1 phương trình định luật KI: + Cho nút A: i(t) + i1 – i5 = 0 (1) + Cho nút C: - i1 – i2 – i3 = 0 (2) + Cho nút D: i2 + i4 + i5 = 0 (3) - Viết n – d + 1 phương trình định luật KU: Ta xác định và chọn các mạch vòng I, II, III thuận chiều kim đồng hồ như trên hình 1.15. + Cho mạch vòng I: i(t).R – i1.R1 + i3.R3 = e(t) (4) + Cho mạch vòng II: i1.R1 – i2.R2 + i5.R5 = 0 (5) + Cho mạch vòng III: i2.R2 – i3.R3 – i4.R4 = 0 (6) Giải hệ 6 phương trình (1), (2), (3), (4), (5), (6) tìm ra i(t) ta được: i(t) 2,24 sin (100 t) A 4.1.2. Bài tập ứng dụng: Bài 4.1.1. Tìm dòng điện trong các nhánh ở mạch điện hình 1.6BT. I1 10 40 I2 0,4V 1V 0,03A 20 I3 Hình 1.6BT Bài 4.1.2. Cho mạch hình 1.7BT. Tính dòng và áp trên các phần tử điện trở bằng phương pháp dòng điện nhánh. 2A 4 1 38V 3 5A 20 Hình 1.7BT Bài 4.1.3. Xác định u1 và công suất tiêu tán trên điện trở 8Ω ở mạch điện hình 1.8BT. - u1 + 6 4 20V 5V 8 Hình 1.8BT Bài 4.1.4. Tính i và u1 ở mạch điện hình 1.9BT theo E. 50 + E 50 u1 - i Hình 1.9BT