Giáo trình Mạch điện (Nghề: Điện công nghiệp và dân dụng - Trung cấp) - Trường Trung cấp Trường Sơn, Đắk Lắk

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:92

Thêm vào BST

Báo xấu

12
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Mạch điện (Nghề: Điện công nghiệp và dân dụng - Trung cấp) cung cấp cho người đọc những kiến thức như: Các khái niệm cơ bản về mạch điện; Mạch điện một chiều; Dòng điện xoay chiều hình sin; Mạch ba pha. 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 và dân dụng - Trung cấp) - Trường Trung cấp Trường Sơn, Đắk Lắk

SỞ LAO ĐỘNG THƯƠNG BINH VÀ XÃ HỘI ĐẮK LẮK TRƯỜNG TRUNG CẤP TRƯỜNG SƠN GIÁO TRÌNH MÔN HỌC: MẠCH ĐIỆN NGÀNH/NGHỀ: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP VÀ DÂN DỤNG TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP Ban hành kèm theo Quyết định số: 226 /QĐ-TCTS. ngày 15 tháng 12 năm 2022 của Hiệu trưởng Trường Trung cấp Trường Sơn Đắk Lắk, năm 2022 i
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. ii
LỜI GIỚI THIỆU Môn học “Mạch điện” là một trong những môn học thực hành được biên soạn dựa trên chương trình khung và chương trình chi tiết do trường Trung cấp Trường Sơn ban hành dành cho hệ trung cấp ngành điện công nghiệp và dân dụng. Giáo trình được biên soạn làm tài liệu học tập, giảng dạy nên giáo trình đã được xây dựng ở mức độ đơn giản và dễ hiểu, trong mỗi bài đều có các bài tập áp dụng để học sinh sinh viên thực hành, luyện tập kỹ năng nghề. Khi biên soạn, tác giả đã dựa trên kinh nghiệm giảng dậy, tham khảo đồng nghiệp và tham khảo ở nhiều giáo trình hiện đang lưu hành để phù hợp với nội dung chương trình đào tạo, phù hợp với mục tiêu đào tạo và các nội dung thực hành được biên soạn gắn với yêu cầu thực tế. Nội dung của môn học gồm có 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 cũng là tài liệu học tập, giảng dạy và tham khảo tốt cho các ngành thuộc lĩnh vực điện dân dụng, vận hành nhà máy thủy điện và các ngành gần với ngành điện công nghiệp. Trong quá trình sử dụng giáo trình, tuỳ theo yêu cầu cũng như khoa học và công nghệ phát triển có thể điều chỉnh thời gian và bổ sung cập nhất các kiến thức mới cho phù hợp. Trong giáo trình, chúng tôi có đề ra nội dung thực tập của từng bài để người học củng cố và áp dụng kiến thức lý thyết đã học phù hợp với kỹ năng. Trong quá trình biên soạn giáo trình, không tránh khỏi thiếu sót, tác giả rất mong sự đóng góp ý kiến của bạn đọc, để ngày một hoàn thiện hơn Đắk Lắk, ngày 15 tháng 12 năm 2022 Tham gia biên soạn 1. Chủ biên Nguyễn Như Thế – Học vị: Th.S- Kỹ sư Công nghệ tự động 2. Thành viên Đào Minh Thủy - Học vị: Thạc sĩ Điều khiển và tự động hóa iii
MỤC LỤC LỜI GIỚI THIỆU ..........................................................................................................III MỤC LỤC .................................................................................................................... IV GIÁO TRÌNH MÔN HỌC ..............................................................................................1 BÀI MỞ ĐẦU: KHÁI QUÁT CHUNG VỀ MẠCH ĐIỆN ............................................2 1. MỤC TIÊU: .............................................................................................................................. 2 2. NỘI DUNG: .............................................................................................................................. 2 2.1. Tổng quát về mạch điện ...........................................................................................2 2.2. Các mô hình toán trong mạch điện ...........................................................................4 CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN ......................................7 1. MỤC TIÊU ............................................................................................................................... 7 2. NỘI DUNG CHƯƠNG ............................................................................................................... 7 2.1. Mạch điện và mô hình ..............................................................................................7 2.2. Các khái niệm cơ bản trong mạch điện. .................................................................11 2.3. Các phép biến đổi tương đương. ............................................................................12 THỰC HÀNH CHƯƠNG 1 TẠI XƯỞNG ...................................................................16 CHƯƠNG 2: MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU ...................................................................18 1.MỤC TIÊU: ............................................................................................................................. 18 2.NỘI DUNG CHƯƠNG: ............................................................................................................. 18 2.1. Các định luật và biểu thức cơ bản trong mạch một chiều ......................................18 2.2. Các phương pháp giải mạch một chiều. .................................................................25 THỰC HÀNH CHƯƠNG 2 TẠI XƯỞNG ...................................................................36 Câu hỏi ôn tập và bài tập ...............................................................................................37 CHƯƠNG 3: DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU HÌNH SINH ...........................................41 1.MỤC TIÊU: ............................................................................................................................. 41 2.NỘI DUNG:............................................................................................................................. 41 2.1. Khái niệm về dòng điện xoay chiều. ......................................................................41 2.2. Giải mạch xoay chiều không phân nhánh. .............................................................49 2.3. Giải mạch xoay chiều phân nhánh..........................................................................54 2.4. Kiểm tra định kỳ .....................................................................................................60 THỰC HÀNH CHƯƠNG 3 TẠI XƯỞNG ...................................................................60 Câu hỏi ôn tập và bài tập ...............................................................................................68 CHƯƠNG 4: MẠNG BA PHA .....................................................................................69 iv
1. MỤC TIÊU: ............................................................................................................................ 69 2. NỘI DUNG CHƯƠNG: ............................................................................................................ 69 2.1. Khái niệm chung. ....................................................................................................69 2.2. Sơ đồ đấu dây trong mạng ba pha cân bằng. ..........................................................71 2.3. Công suất mạng ba pha cân bằng. ..........................................................................77 2.4. Phương pháp giải mạng ba pha cân bằng. ..............................................................79 CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP ................................................................................................... 85 TÀI LIỆU CẦN THAM KHẢO....................................................................................87 v
GIÁO TRÌNH MÔN HỌC Tên môn học: Mạch điện Mã môn học: MH08 Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của môn học: - Vị trí: Môn học mạch điện được bố trị 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 nghành Điện công nghiệp và dân dụng - Ý nghĩa và vai trò của môn học: Mục tiêu của 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; + Tính toán được các thông số kỹ thuật trong mạch điện một chiều, xoay chiều, mạch ba pha ở trạng thái xác lập. - Về kỹ năng: + Vận dụng các phương pháp phân tích, biến đổi mạch để giải các bài toán về mạch điện hợp lý + 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 cẩn thận, chính xác, ham học hỏi. 1
BÀI MỞ ĐẦU: KHÁI QUÁT CHUNG VỀ MẠCH ĐIỆN 1. Mục tiêu: - Khái quát được các hệ thống mạch điện - Phân tích được các mô hình toán trong mạch điện - Rèn luyện được phương pháp học tư duy và nghiêm túc trong công việc. 2. Nội dung: 2.1. Tổng quát về mạch điện Mạch điện là một hệ thông 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 được cấu trúc từ các phần riêng rẻ đủ nhỏ, thực hiện các chức năng xác định được gọi là các phần tử mạch điện. Hai loại phần tử chính của mạch điện là nguồn và phụ tải. Nguồn là các phần tử dùng để cung cấp năng lượng điện hoặc tín hiệu điện cho mạch, ví dụ như máy phát điện (biến đổi cơ nàng thành điện năng), ắc qui (biến đổi hóa năng sang điện nàng), cảm biến nhiệt, V.V.. Phụ tài là các thiết bị nhận năng lượng điện hay tín hiệu điện, ví dụ như động cơ điện (biến điện nàng thành cơ năng), đèn điện (biến điện năng sang quang năng), bếp điện, bàn là, ống tia điện tử, V.V.. Ngoài hai loại chính trên, trong mạch điện còn có nhiễu loại phần tử khác nhau như: phần tử dùng để nối nguồn với phụ tải (ví dụ dây nối, đường dây tải điện), phần tử làm thay đổi áp và dòng trong các phần khác của mạch (máy biến áp, máy biến đòng), phần tử làm giảm hoặc tăng cường các thành phần nào đó của tín hiệu (các bộ lọc, bộ khuếch đại), V.V.. Trên mỗi phần tử thường có một số đầu nối ra gọi là các cực dùng để nối nó với các phần tử khác. Dòng điện đi vào hoặc ra phần tử từ các cực. Phần tử có thể có hai cực, ba cực, bốn cực hay nhiều cực. Ví dụ, cuộn dây, tụ điện là phần tử hai cực Transistor là phần tử ba cực; ináy biến áp, khuếch đại thuật toán là phần tử nhiều cực. • Nếu phần tử có kích thước râ't nhỏ so với độ dài của bước sóng điện từ, thì trên các cực của phần tử có thế định nghĩa các đại lượng dòng điện, điện áp và có thể dùng hai đại lượng này đế đo cường độ chung (xét về toàn bộ) của quá trình điện từ xảy ra bên trong phần tử. Điện áp và dòng điện được định nghĩa như sau: 2
- Điện áp giữa điểm A với điểm B là công cần thiết để làm dịch chuyển một đơn vị điện tích (1 coulomb) từ A đến B. Đơn vị của điện áp là vôn (V). Điện áp được ký hiệu là u. Trên H.l.l: u - là điện áp giữa A với B: dấu + được đặt ở phía A dấu - ở phía B. Đôi khi thay vì dùng các dấu +, - UAB - điện áp giữa A với B. và ta có: UAB = - UBA Hình 1.2a và 1.2b tương đương với nhau. - Dòng điện là dòng các điện tích chuyến dịch có hướng. Cường độ dòng điện (gọi tắt là dòng điện) là lượng điện tích dịch chuyển qua một bề mặt nào đó (tiết diện ngang của dây dẫn, nếu là dòng điện chảy trong dây dẫn) trong một đơn vị thời gian. Dòng điện được ký hiệu là i và đơn vị là ampe (A). Chiều dòng điện, theo định nghĩa, là chiều chuyển động của các điện tích dương (hay là ngược chiều với chiều chuyển động các điện tích âm). Để tiện lợi, người ta chọn tùy ý một chiều và ký hiệu bằng mũi tên như trên H.1.3 và gọi là chiều dương của dòng điện. Nếu tại một thời điểm t nào đó, chiều dòng điện trùng với chiều dương thì i sẽ mang dấu dương (I > 0 ), còn nếu chiều dòng điện ngược với chiều dương thì i sẽ âm (i < 0). Các hiện tượng điện từ gồm rất nhiều vẻ, như hiện tượng chỉnh lưu, tách sóng, tạo hàm, tạo sóng, biến áp, khuếch đại, V. V.. Tuy nhiên nêu xét theo quan điểm năng lượng thì quá trình điện từ trong mạch điện có thể qui về hai hiện tượng năng lượng cơ bản là hirn tượng biến đổi năng lượng và hiện tượng tích 3
phóng năng lượng điện từ. Hiện tượng biến đối năng lượng có thể chia làm hai loại: - Hiện tượng nguồn: là hiện tượng biến đổi từ các dạng năng lượng khác như cơ năng, hóa nàng, nhiệt năng v.v. thành năng lượng điện từ. - Hiện tượng tiêu tán: là hiện tượng biến đổi năng lượng điện từ thành các dạng năng lượng khác như nhiệt, cơ, quang, hóa năng tiêu tán đi không hoàn trở lại trong mạch nữa. Hiện tượng tích phóng năng lượng điện từ là hiện tượng năng lượng điện từ được tích vào một vùng không gian có tồn tại trường điện từ hoặc đưa từ vùng đó trả lại bên ngoài. Để thuận tiện cho việc nghiên cứu, người ta coi sự tồn tại của một trường điện từ thống nhất gồm hai mặt thê hiện: trường điện và trường từ. Vì vậy hiện tượng tích phóng năng lượng điện từ cũng gồm hiện tượng tích phóng năng lượng trong trường từ và hiện tượng tích phóng năng lượng trong trường điện. Bởi vì dòng điện và trường điện từ có liên quan chặt chẽ với nhau nên trong bất kỳ thiết bị điện nào cũng đều xảy ra cả hai hiện tượng biến đổi và tích phóng năng lượng. Nhưng có thể trong một thiết bị thì hiện tượng năng lượng này xảy ra mạnh hơn hiện tượng năng lượng kia. Ví dụ, ta xét các phần tử thực là điện trở, tụ điện, cuộn dây, ắc qui. Trong tụ điện, hiện tượng năng lượng chủ yếu xảy ra là hiện tượng tích phóng năng lượng trường điện. Ngoài ra do điện môi giữa hai cô't tụ có độ dẫn điện hữu hạn nào đó nên trong tụ cũng xảy ra hiện tượng tiêu tán biến điện nàng thành nhiệt năng. Trong cuộn dây xảy ra chủ yếu là hiện tượng tích phóng năng lượng trường từ. Ngoài ra dòng điện dần cũng gây ra tổn hao nhiệt trong dây dẫn của cuộn dây nên trong cuộn dây cũng xảy ra hiện tượng tiêu tán. Trong cuộn dây cũng xảy ra hiện tượng tích phóng năng lượng trường điện nhưng thường rất yêu và có thể bỏ qua nếu tần sô làm việc (và do đó tốc độ biến thiên của trường điện từ) không lớn lắm. Trong điện trở thực, hiện tượng chủ yếu xảy ra là hiện tượng tiêu tán biến đổi năng lượng trường điện từ thành nhiệt năng. Nếu trường điện từ biến thiên không lớn lắm, có thế bỏ qua dòng điện dịch (giữa các vòng dây quấn hoặc giữa các lớp điện trở) so với dòng điện dẫn và bỏ qua sức điện động cảm ứng so với sụt áp trên điện trở, nói cách khác bỏ qua hiện tượng tích phóng năng lượng điện từ. Trong ắc qui xảy ra hiện tượng nguồn biến đổi từ hóa năng sang điện nàng; đồng thời cũng xảy ra hiện tượng tiêu tán. 2.2. Các mô hình toán trong mạch điện Mô hình mạch dùng trong lý thuyết mạch điện, được xây dựng từ các 4
phần tử mạch lý tưởng sau đây: - Phần tử điện trở: là phần tử đặc trưng cho hiện tượng tiêu tán năng lượng điện từ. Ký hiệu của phần tử điện trở như trên H.1.5a. Quan hệ giữa dòng và áp trên hai cực của phần tử điện trở ở dạng u - Ri, trong đó R là một thông số cơ bản của mạch điện đặc trưng cho hiện tượng tiêu tán năng lượng, gọi là điện trở. - Phần tử điện cảm: là phần tử đặc trưng cho hiện tượng tích phóng năng lượng trường từ, ký hiệu như trên H.l.õb. Quan hệ giữa dòng và áp trên phần tử di điện cảm thường có dạng u = L , trong đó L là một thông số cơ bản của mạch dt điện đặc trưng cho hiện tượng tích phóng năng lượng trường từ, gọi là điện cảm. - Phần tử điện dung: là phần tử đặc trưng cho hiện tượng tích phóng năng lượng trường điện, ký hiệu như H.1.5c. Quan hệ giữa dòng và áp thường du có dạng i =C , trong đó c gọi là điện dung là một thông số cơ bản của mạch dt điện đặc trưng cho hiện tượng tích phóng năng lượng trường điện. - Phần tử nguồn: là phần tử đặc trưng cho hiện tượng nguồn. Phần tử nguồn gồm hai loại: phần tử nguồn áp (H.l.5d) và phần từ nguồn dòng (H.l.5e). Phương trình trạng thái của phần tử nguồn áp có dạng u(t) = e(t), trong đó e(t) không phụ thuộc dòng i(t) chảy qua phần tử và được gọi là sức điện động. Phương trình trạng thái của phần tử nguồn dòng có dạng i(t) = j(t), trong đó j(t) không phụ thuộc áp u(t) trên hai cực ctìa phần tử. e(t) và u(t) là hai thông số cơ bản của mạch điện đặc trưng cho hiện tượng nguồn, đo khả năng phát của nguồn. R, L, c, e, j là các thông số cơ bản của mạch điện, đặc trưng cho bản chất của quá trình điện từ (tiêu tán, tích phóng năng lượng điện trường hoặc từ trường hoặc hiện tượng nguồn). Các phần tử điện trở, điện cảm, điện dung, nguồn áp, nguồn dòng là các phần tử lý tưởng cơ bản của mạch điện, chúng là các phần tử hai cực. Ngoài ra để tiện lợi và chính xác hơn khi mô hình các phần tử thực có nhiều cực như: transistor, khuếch đại thuật toán, biến áp v.v. người ta còn xây dựng thêm các phần tử lý tưởng nhiều cực như: các phần tử nguồn phụ thuộc, phần tử có ghép hỗ cảm, biến áp lý tưởng v.v. (mục 1.3.2). • Một phần tử thực của mạch điện có thể được mô hình gần đúng bởi một hay tập hợp nhiều phần tử mạch lý tưởng được ghép nô'i với nhau theo một cách nào đó để mô tả gần đúng (với độ chính xác nào đó) hoạt động của phần tử thực tế. 5
H.l.6a,b, c là mô hình của các phần tử thực điện trở, tụ điện, cuộn dây. Các phần tử lý tưởng điện cảm L, điện dung c, điện trở R theo thứ tự phản ảnh quá trình điện từ cơ bản xảy ra trong cuộn dây, tụ điện, điện trở thực. Ngoài ra, trong các điều kiện cụ thể phải lưu ý đến các quá trình phụ (ký sinh) xảy ra trong phần tử thực bằng cách bổ sung thêm vào mô hình các phần tử ký sinh tương ứng. Trong mô hình cuộn dây, ngoài phần tử điện cảm L, đặc trưng cho quá trình cơ bản trong cuộn dây là quá trình tích, phóng năng lượng trường tữ, trong nhiều trường hợp phải lưu ý đến các điện trở rL phản ảnh tổn hao năng lượng trong cuộn dây và trong lõi. Ở tần số cao còn phải kể đến ảnh hưởng của điện dung ký sinh giữa các vòng dây. Mô hình của tụ điện trong đa số trường hợp gồm hai phần tử điện dung C và điện trở rc, trong đó, phần tử điện dung là phần tử quan trọng nhất đặc trưng cho quá trình chủ yếu trong tụ điện là quá trình tích phóng năng lượng trường điện, còn điện trở rc là tính đến tổn hao trong điện môi. Nếu tần số làm việc rất cao thì cũng phải lưu ý đến điện cảm Lc của dây nối. Ở tần sô' cao, trong mô hình của điệri trở thực cũng phải lưu ý đến các tham số điện cảm Lr và điện dung Cr mà trong đa số các trường hợp có thể bỏ qua. Mỗi phần tử mạch lý tưởng tương ứng với một cách biểu diễn hình học (H.1.5). Mô hình của một phần tử thực có thể được mô tả hình học bởi một sơ đồ gồm một hoậc nhiều phần tử lý tưởng ghép nối với nhau, được gọi là sơ đồ thay thế hoặc sơ đồ tương đương của phần tử thực. Vi dụ, (H.1.6a,b,c) là sơ đồ thay thê' của điện trở, tụ điện, cuộn dây. • Bởi vì mạch điện thực gồm các phần tử thực ghép nối với nhau theo một sơ đồ nối dây cụ thể nào đó, nên từ sơ đồ thay thế của từng phần tử thực và sơ đồ nô'i dây của mạch điện có thể mô tả hình học mô hình của mạch điện thực bởi một sơ đồ gọi là sơ đồ thay thế (tương đương) của mạch điện, hay gọi tắt là sơ đồ mạch. Kết câ'u hình học của sơ đồ thay thê' phải giống như kết cấu của mạch điện thực, tuy nhiên mỗi phần tử thực đã được thay bằng sơ đồ thay thế của nó. Ví dụ, H.1.7 là sơ đồ nối dây của một mạch điện đơn giản gồm một ắc qui cung cấp điện năng cho đèn 6
sợi nung. Sơ đồ mạch của mạch điện này được cho trên H.1.8, trong đó ắc qui được mô hình bởi một phần tử nguồn áp E (đặc trưng cho hiện tượng nguồn trong ắc qui) mắc nối tiếp với một điện trở rtr (đặc trưng cho tổn hao điện năng trong ắc qui) gọi là điện trở trong của nguồn, còn đèn sợi nung chỉ có hiện tượng tiêu tán nên được đặc trưng bằng điện trở r trên sơ đồ (điện trở của dây nối được bỏ qua). CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN 1. Mục tiêu - Phân tích được 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 được các khái niệm cơ bản trong mạch điện, hiểu và vận dụng được các biểu thưc tính toán cơ bản. - Rèn luyện được tính cẩn thận, phương pháo học tư duy và nghiêm túc trong công việc. 2. Nội dung chương 2.1. Mạch điện và mô hình 2.1.1. 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 được cấu trúc từ các phần tử mạch điện. Hai loại phần tử chính của mạch điện là nguồn và phụ tải. Nguồn là các phần tử dùng để cung cấp năng lượng điện hoặc tín hiệu điện cho mạch, ví dụ như máy phát điện (biến đổi cơ nàng thành điện năng), ắc qui (biến đổi hóa năng sang điện nàng), cảm biến nhiệt, V.V.. Phụ tài là các thiết bị nhận năng lượng điện hay tín hiệu điện, ví dụ như động cơ điện (biến điện nàng thành cơ năng), đèn điện (biến điện năng sang quang năng), bếp điện, bàn là, ống tia điện tử, V.V.. Ngoài hai loại chính trên, trong mạch điện còn có nhiễu loại phần tử khác nhau như: phần tử dùng để nối nguồn với phụ tải (ví dụ dây nối, đường dây tải điện), phần tử làm thay đổi áp và dòng trong các phần khác của mạch (máy biến áp, máy biến đòng), phần tử làm giảm hoặc tăng cường các thành phần nào đó của tín hiệu (các bộ lọc, bộ khuếch đại), V.V.. Trên mỗi phần tử thường có một số đầu nối ra gọi là các cực dùng để nối 7
nó với các phần tử khác. Dòng điện đi vào hoặc ra phần tử từ các cực. Phần tử có thể có hai cực, ba cực, bốn cực hay nhiều cực. Ví dụ, cuộn dây, tụ điện là phần tử hai cực Transistor là phần tử ba cực; ináy biến áp, khuếch đại thuật toán là phần tử nhiều cực. • Nếu phần tử có kích thước râ't nhỏ so với độ dài của bước sóng điện từ, thì trên các cực của phần tử có thế định nghĩa các đại lượng dòng điện, điện áp và có thể dùng hai đại lượng này đế đo cường độ chung (xét về toàn bộ) của quá trình điện từ xảy ra bên trong phần tử. Điện áp và dòng điện được định nghĩa như sau: - Điện áp giữa điểm A với điểm B là công cần thiết để làm dịch chuyển một đơn vị điện tích (1 coulomb) từ A đến B. Đơn vị của điện áp là vôn (V). Điện áp được ký hiệu là u. Trên H.l.l: u - là điện áp giữa A với B: dấu + được đặt ở phía A dấu - ở phía B. Đôi khi thay vì dùng các dấu +, - +u UAB - điện áp giữa A với B. và ta có: UAB = - UBA Hình 1.2a và 1.2b tương đương với nhau. - Dòng điện là dòng các điện tích chuyến dịch có hướng. Cường độ dòng điện (gọi tắt là dòng điện) là lượng điện tích dịch chuyển qua một bề mặt nào đó (tiết diện ngang của dây dẫn, nếu là dòng điện chảy trong dây dẫn) trong một đơn vị thời gian. Dòng điện được ký hiệu là i và đơn vị là ampe (A). Chiều dòng điện, theo định nghĩa, là chiều chuyển động của các điện tích dương (hay là ngược chiều với chiều chuyển động các điện tích âm). Để tiện lợi, người ta chọn tùy ý một chiều và ký hiệu bằng mũi tên như trên H.1.3 và gọi là chiều Hình 1.4a và H.1.4b tương đương với nhau. 8
2.1.2. Các hiện tượng điện từ Các hiện tượng điện từ gồm rất nhiều vẻ, như hiện tượng chỉnh lưu, tách sóng, tạo hàm, tạo sóng, biến áp, khuếch đại, V. V.. Tuy nhiên nêu xét theo quan điểm năng lượng thì quá trình điện từ trong mạch điện có thể qui về hai hiện tượng năng lượng cơ bản là hirn tượng biến đổi năng lượng và hiện tượng tích phóng năng lượng điện từ. 2.1.2.1. Hiện tượng biến đổi năng lượng Hiện tượng biến đối năng lượng có thể chia làm hai loại: - Hiện tượng nguồn: là hiện tượng biến đổi từ các dạng năng lượng khác như cơ năng, hóa nàng, nhiệt năng v.v. thành năng lượng điện từ. - Hiện tượng tiêu tán: là hiện tượng biến đổi năng lượng điện từ thành các dạng năng lượng khác như nhiệt, cơ, quang, hóa năng tiêu tán đi không hoàn trở lại trong mạch nữa. 2.1.2.2. Hiện tượng tích phóng năng lượng. Hiện tượng tích phóng năng lượng điện từ là hiện tượng năng lượng điện từ được tích vào một vùng không gian có tồn tại trường điện từ hoặc đưa từ vùng đó trả lại bên ngoài. Để thuận tiện cho việc nghiên cứu, người ta coi sự tồn tại của một trường điện từ thống nhất gồm hai mặt thê hiện: trường điện và trường từ. Vì vậy hiện tượng tích phóng năng lượng điện từ cũng gồm hiện tượng tích phóng năng lượng trong trường từ và hiện tượng tích phóng năng lượng trong trường điện. Bởi vì dòng điện và trường điện từ có liên quan chặt chẽ với nhau nên trong bất kỳ thiết bị điện nào cũng đều xảy ra cả hai hiện tượng biến đổi và tích phóng năng lượng. Nhưng có thể trong một thiết bị thì hiện tượng năng lượng này xảy ra mạnh hơn hiện tượng năng lượng kia. Ví dụ, ta xét các phần tử thực là điện trở, tụ điện, cuộn dây, ắc qui. Trong tụ điện, hiện tượng năng lượng chủ yếu xảy ra là hiện tượng tích phóng năng lượng trường điện. Ngoài ra do điện môi giữa hai cốt tụ có độ dẫn điện hữu hạn nào đó nên trong tụ cũng xảy ra hiện tượng tiêu tán biến điện nàng thành nhiệt năng. Trong cuộn dây xảy ra chủ yếu là hiện tượng tích phóng năng lượng trường từ. Ngoài ra dòng điện dần cũng gây ra tổn hao nhiệt trong dây dẫn của cuộn dây nên trong cuộn dây cũng xảy ra hiện tượng tiêu tán. Trong cuộn dây cũng xảy ra hiện tượng tích phóng năng lượng trường điện nhưng thường rất yêu và có thể bỏ qua nếu tần sô làm việc (và do đó tốc độ biến thiên của trường điện từ) không lớn lắm. Trong điện trở thực, hiện tượng chủ yếu xảy ra là hiện tượng tiêu tán biến đổi năng lượng trường điện từ thành nhiệt năng. Nếu trường điện từ biến thiên không lớn lắm, có thể bỏ qua dòng điện dịch (giữa các vòng dây quấn hoặc giữa các lớp điện trở) so với dòng điện dẫn và bỏ qua sức điện động cảm ứng so với 9
sụt áp trên điện trở, nói cách khác bỏ qua hiện tượng tích phóng năng lượng điện từ. 2.1.3. Mô hình mạch điện. 2.1.3.1. Phần tử điện trở. Mô hình mạch dùng trong lý thuyết mạch điện, được xây dựng từ các phần tử mạch lý tưởng sau đây: - Phần tử điện trở: là phần tử đặc trưng cho hiện tượng tiêu tán năng lượng điện từ. Ký hiệu của phần tử điện trở như trên H.1.5a. Quan hệ giữa dòng và áp trên hai cực của phần tử điện trở ở dạng u - Ri, trong đó R là một thông số cơ bản của mạch điện đặc trưng cho hiện tượng tiêu tán năng lượng, gọi là điện trở. 2.1.3.2. Phần tử điện cảm. - Phần tử điện cảm: là phần tử đặc trưng cho hiện tượng tích phóng năng lượng trường từ, ký hiệu như trên H.l.5.b. Quan hệ giữa dòng và áp trên phần tử di điện cảm thường có dạng u = L , trong đó L là một thông số cơ bản của mạch dt điện đặc trưng cho hiện tượng tích phóng năng lượng trường từ, gọi là điện cảm. 2.1.3.3. Phần tử điện dung. Là phần từ đặc trưng cho hiện tiện tích phóng năng lượng trường điện, ký du hiệu như H.1.5c. Quan hệ giữa dòng và áp thường có dạng i = C trong đó C dt gọi là điện dung là một thông số cơ bản của mạch điện đặc trưng cho hiện tượng phóng tích năng lượng trường điện. 2.1.3.4. Phần tử nguồn. Là phần tử đặc trưng cho hiện tượng nguồn. Phần tử nguồn gồm hai loại: phần tử nguồn áp (H.1.5d) và phần từ nguồn dòng (H.1.5e). Phương trình trạng thái của phần từ nguồn có dạng u(t) = e(t), trong đó e(t) không thụ thuộc và dòng i(t) chảy qua phần tử và được gọi là sức điện động. Phương trình trạng thái của phần từ nguồn dòng có dạng i(t) = j(t), trong đó j(t) không phụ thuộc áp u(t) trên hai cực của phần tử e(t) và u(t) là hai thông số cơ bản của mạch điện đặc trưng cho hiện tượng nguồn, đo khả năng phát của nguồn. 10
2.2. Các khái niệm cơ bản trong mạch điện. 2.2.1. Dòng điện và chiều qui ước của dòng điện. Định nghĩa dòng điện là dòng chuyển dời có hướng của các hạt mang điện. Trong một mạch điện, dòng điện được tạo ra từ sự di chuyển của các hạt electron dọc theo chiều dài dây dẫn. Bên cạnh đó thì các hạt mang điện cũng có thể là ion hay chất điện ly nữa đấy. Vì chúng cũng là dòng electron di chuyển và có hướng theo dây dẫn mà đi qua các thiết bị tiêu thụ điện để phục vụ nhu cầu của con người. Dòng điện thường được các nhà khoa học quy ước là dòng chuyển dời có hướng của các điện tích dương. Khi đó trong mạch điện có dây dẫn kim loại, electron là các hạt mang điện, dòng electron có độ lớn bằng với độ lớn của dòng điện và có chiều ngược với chiều của dòng điện trong mạch Dòng điện thường được ký hiệu bằng ký hiệu I. Định luật Ohm, liên quan đến dòng điện chạy qua một dây dẫn đến điện áp V và điện trở R; đó là, V = IR. Một tuyên bố khác của luật Ohm, là I = V / R. Quy ước về chiều dòng điện là chiều từ cực dương đi qua dây dẫn và các dụng cụ điện tới cực âm của nguồn điện. Theo định nghĩa dòng điện là dòng dịch chuyển của các hạt mang điện tích, chúng ta sẽ xác định được cực dương và cực âm theo chiều của chúng. Có quy ước rằng: Hướng hiện tại là theo nơi mà một điện tích dương sẽ di chuyển, chứ không phải là một điện tích âm. Vì vậy, nếu các electron thực hiện chuyển động thực tế trong một tế bào theo một chiều nhất định, thì dòng điện chạy theo hướng ngược lại. Dòng điện chạy ngược chiều với các hạt mang điện tích âm, chẳng hạn như electron trong kim loại. Dòng điện chạy cùng chiều với chất mang điện tích dương, ví dụ, khi các ion dương hoặc proton mang điện tích. Dòng điện trong dây dẫn có thể dị chuyển theo chiều bất kỳ, khi có 1 dòng điện I trong mạch, chiều dòng điện quy ước cần được đánh dấu, thường bằng mũi tên trên sơ đồ mạch điện. Đó gọi là hướng tham chiếu của dòng điện I, nếu dòng điện di chuyển ngược hướng tham chiếu, khi đó I có giá trị âm. Có 2 loại dòng điện là dòng điện xoay chiều và dòng điện một chiều. 2.2.2. Cường độ dòng điện. Sau khi nắm được khái niệm dòng điện, chúng ta cũng cần biết một khái niệm liên quan, chính là cường độ dòng điện. Cường độ dòng điện là chỉ số cho biết độ mạnh yếu của một dòng điện, được đo bằng Ampe kế. Mỗi một nguồn điện sẽ có một cường độ dòng điện khác nhau. Đơn vị là Ampe (kí hiệu: A). Theo công thức tính cường độ dòng điện thì: I = Q/t = (q1 + q2 + q3 + …+ qn)/t Công thức tính cường độ dòng điện trung bình: 11
Itb = ΔQ/Δt Trong đó: Δt là khoảng thời gian được xét, đơn vị là s (giây). ΔQ là điện lượng chuyển qua bề mặt được xét trong khoảng thời gian Δt, đơn vị là C (coulomb). Itb là cường độ dòng điện trung bình, đơn vị là A (ampe). Với Ampe kế là một dụng cụ chuyên dụng để đo độ lớn cường độ dòng điện, chỉ số của ampe kế càng lớn thì dòng điện càng mạnh và ngược lại. 2.2.3. Mật độ dòng điện. Mật độ dòng điện là tốc độ mà điện tích đi qua một khu vực, Là cường độ dòng điện trên một đơn vị diện tích mặt cắt ngang. Hoạt động theo hướng tùy ý, nếu các điện tích chuyển động là dương, thì mật độ dòng điện có cùng dấu với vận tốc của các điện tích. Đối với các điện tích âm, dấu của mật độ dòng điện ngược với vận tốc của các điện tích. Trong các vật liệu tuyến tính như kim loại và dưới tần số thấp, mật độ dòng điện qua bề mặt dây dẫn là đồng nhất. Đối với dòng điện xoay chiều, đặc biệt là ở tần số cao hơn, hiệu ứng da làm cho dòng điện lan truyền không đều trên tiết diện dây dẫn, với mật độ cao hơn ở gần bề mặt, do đó làm tăng điện trở biểu kiến. 2.3. Các phép biến đổi tương đương. Mục tiêu: - Trình bày được phép biến đổi tương đương các nguồn điện. - Trình bày được phép biến đổi tương đương các điện trở. - Lắp ráp và đo đạc được các thông số của mạch điện một chiều. Trong thực tế đôi khi ta cần làm đơn giản một phần mạch phức tạp thành một phần mạch tương đương đơn giản hơn. Việc biến đổi mạch tương đương thường được làm để cho mạch mới có ít phần tử, ít số nút, ít số vòng và ít số nhánh hơn mạch trước đó, do đó làm giảm đi số phương trình phải giải. Mạch tương đương được định nghĩa như sau: “Hai phần mạch được gọi là tương đương nếu quan hệ giữa dòng điện và điện áp trên các cực của 2 phần mạch là như nhau”. Một phép biến đổi tương đương sẽ không làm thay đổi dòng điện và điện áp trên các nhánh ở các phần của sơ đồ không tham gia vào phép biến đổi. Sau đây là một số phép biến đổi tương đương thông dụng: 2.3.1. Nguồn áp ghép nối tiếp. Nguồn áp mắc nối tiếp sẽ tương đương với một nguồn áp duy nhất có trị số 12
bằng tổng đại số các sức điện động. Hình 1.7. Các nguồn áp mắc nối tiếp. 2.3.2. Nguồn dòng ghép song song. Nguồn dòng mắc song song sẽ tương đương với một nguồn dòng duy nhất có trị số bằng tổng đại số các nguồn dòng . Hình 1.8. Các nguồn dòng mắc song song 2.3.3. Điện trở ghép nối tiếp, song song. a) Điện trở mắc nối tiếp. Mắc nối tiếp các điện trở là mắc đầu điện trở này với cuối điện trở kia, sao cho chỉ có duy nhất một dòng điện đi qua các điện trở. Ta có: Hình 1.9. Các điện trở mắc nối tiếp. b) Điện trở mắc song song. Mắc các điện trở là mắc đầu các điện trở vối nhau, cuối các điện trở với nhau, sao cho các điện trở được đặt vào cùng một điện áp. Ta có: 13
Hình 1.10. Các điện trở mắc song song 2.3.4. Biến đổi  - Y và Y -  . Hình 1.11. Các điện trở mắc hình sao – tam giác. 2.3.5. Biến đổi nguồn tương tương Một nguồn áp ghép nối tiếp với một điện trở sẽ tương đương với một nguồn dòng ghép song song với một điện trở đó và ngược lại. 14
Hình 1.13. Mạch điện ví dụ. Hình 1.14. Biến đổi   Y 15