Giáo trình mô đun Mạch điện (Nghề Điện Công nghiệp - Trình độ trung cấp) – CĐ Kỹ thuật Công nghệ BR–VT

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:53

Thêm vào BST

Báo xấu

30
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung giáo trình mô đun Mạch điện gồm 4 bài, tập trung ở các nội dung: Các khái niệm cơ bản về mạch điện, mạch điện một chiều, mạch điện xoay chiều một pha, mạch điện xoay chiều ba pha. Mời các bạn cùng tham khảo để biết thêm nội dung chi tiết.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình mô đun Mạch điện (Nghề Điện Công nghiệp - Trình độ trung cấp) – CĐ Kỹ thuật Công nghệ BR–VT

BM/QT10/P.ĐTSV/04/04 Ban hành lần: 3 UBND TỈNH BÀ RỊA – VŨNG TÀU TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ BÀ RỊA VŨNG TÀU GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN: MẠCH ĐIỆN NGHỀ: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP (Ban hành kèm theo Quyết định số: 297/QĐ-CĐKTCN ngày 24 tháng 08 năm 2020 của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Kỹ thuật Công nghệ BR – VT) BÀ RỊA-VŨNG TÀU, NĂM 2020
TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Nhằm đáp ứng nhu cầu học tập và nghiên cứu cho giảng viên và sinh viên nghề Điện công nghiệp trong trường Cao đẳng Kỹ thuật Công nghệ Bà Rịa – Vũng Tàu. Chúng tôi đã thực hiện biên soạn tài liệu Mạch Điện này. Tài liệu được biên soạn thuộc loại giáo trình phục vụ giảng dạy và học tập, lưu hành nội bộ trong nhà trường 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 nghiên cấm.
LỜI GIỚI THIỆU Giáo trình Mạch Điện dùng cho hệ Trung cấp nghề Điện công nghiệp của trường Cao Đẳng Kỹ Thuật Công Nghệ Bà Rịa – Vũng Tàu. Đây là giáo trình nội bộ dùng trong trường với mục đích làm tài liệu giảng dạy cho giáo viên và tài liệu học tập cho học sinh, sinh viên. Nội dung của giáo trình được xây dựng trên cơ sở kế thừa những tài liệu đang được giảng dạy tại trường Cao Đẳng Kỹ Thuật Công Nghệ Bà Rịa – Vũng Tàu, kết hợp với những nội dung mới nhằm đáp ứng yêu cầu nâng cao chất lượng. Giáo trình gồm 4 bài, tập trung ở các nội dung: Các khái niệm cơ bản về mạch điện. Mạch điện một chiều. Mạch điện xoay chiều một pha. Mạch điện xoay chiều ba pha. Trong quá trình biên soạn giáo trình này, chúng tôi đã nhận được sự động viên của quý Thầy/Cô trong Ban Giám Hiệu nhà trường cũng như những ý kiến của đồng nghiệp trong Khoa. Mặc dù đã rất cố gắng, nhưng không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến từ các Thầy/Cô và các bạn học sinh- sinh viên để giáo trình được hoàn thiện hơn. Bà Rịa – Vũng Tàu, ngày tháng năm 2020 Tham gia biên soạn Chủ biên: Trần Thị Thu 1
MỤC LỤC TRANG BÀI 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN .............................................5 1. Khái niệm về mạch điện ............................................................................................ 5 1.1 Mạch điện .................................................................................................................5 1.2.Kết cấu hình học của mạch điện ............................................................................6 1.3.Các khái niệm cơ bản trong mạch điện .................................................................6 2.Các phép biến đổi trong mạch điện ........................................................................11 2.1.Điện trở mắc nối tiếp, song song ..........................................................................11 2.2. Biến đổi tam giác – sao, sao – tam giác ............................................................... 11 BÀI 2: MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU ..........................................................................15 1.Các định luật và biểu thức cơ bản trong mạch một chiều. ...................................15 1.1.Định luật Ohm .......................................................................................................15 1.2. Công suất và điện năng trong mạch một chiều..................................................17 2. Các phương pháp giải mạch điện một chiều .........................................................18 2.1. Giải mạch điện bằng phương pháp biến đổi điện trở .......................................18 2.2. Giải mạch điện bằng phương pháp xếp chồng dòng điện.................................19 2.3. Giải mạch điện một chiều vận dụng định luật Kirhooff ...................................21 2.3.1. Các định luật Kirhooff ......................................................................................21 2.3.1.1. Giải mạch điện một chiều sử dụng định luật kirhooff ................................ 23 2.3.1.2. Giải mạch bằng phương pháp dòng điện nhánh .........................................23 2.3.1.3. Giải mạch điện bằng phương pháp dòng điện vòng....................................25 BÀI 3: MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU MỘT PHA. ...................................................28 1.Khái niệm về dòng điện xoay chiều.........................................................................28 1.1.Dòng điện xoay chiều và dòng xoay chiều hình sin ............................................28 1.2. Các đại lượng đặc trưng ......................................................................................29 2.Giải mạch xoay chiều một pha không phân nhánh ...............................................30 2.1. Mạch điện xoay chiều thuần điện trở .................................................................30 2.2. Mạch điện xoay chiều thuần dung ......................................................................31 2.3. Mạch điện xoay chiều thuần cảm ........................................................................34 2.4. Giải mạch xoay chiều R-L-C mắc nối tiếp .........................................................36 2.4.1. Quan hệ dòng điện và điện áp ..........................................................................36 2.4.2. Công suất ............................................................................................................38 BÀI 4: MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU BA PHA ........................................................42 1.Khái niệm chung .......................................................................................................42 2.Sơ đồ đấu dây trong mạch ba pha cân bằng .......................................................... 43 2.1. Các định nghĩa ......................................................................................................43 2
2.2. Đấu dây hình sao ..................................................................................................43 2.3. Đấu dây hình tam giác .........................................................................................45 3. Công suất mạch điện ba pha cân bằng ..................................................................46 3.1. Công suất tác dụng ............................................................................................... 46 3.2 Công suất phản kháng........................................................................................... 47 3.3 Công suất biểu kiến ............................................................................................... 47 3.4. Điện năng ...............................................................................................................47 4.Giải mạch điện ba pha cân bằng .............................................................................48 4.1. Giải mạch điện ba pha có tải nối hình sao đối xứng .........................................48 4.2.Giải mạch điện ba pha có tải đấu tam giác đối xứng .........................................49 3
GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN Tên mô đun: MẠCH ĐIỆN Mã mô đun: MĐ10 Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của môn học/mô đun: - Vị trí: Là mô đun cơ sở nghề Điện công nghiệp, mô đun này được bố trí học trước các mô đun chuyên ngành và học song song với các mô đun cơ sở. - Tính chất: Đây là mô đun cơ sở bắt buộc đối với học sinh – sinh viên của nghề Điện công nghiệp hệ Trung cấp. - Ý nghĩa và vai trò của mô đun: Là mô đun cơ sở quan trọng để làm cơ sở học các môn chuyên ngành. Mục tiêu của mô đun: - Về kiến thức: + Trình bày được các khái niệm cơ bản về mạch điện một chiều, phân tích được các phép biến đổi trong mạch điện. + Trình bày được các định luật Ohm, định luật Kirhooff 1, Kirhooff 2. + Trình bày được các phương pháp giải mạch điện một chiều bằng phương pháp biến đổi điện trở, phương pháp xếp chồng dòng điện, phương pháp dòng điện nhánh, phương pháp dòng điện vòng. + Trình bày được khái niệm, các đại lượng đặc trưng của dòng điện xoay chiều một pha. + Trình bày được khái niệm chung về mạng điện xoay chiều ba pha và phân tích được các dạng sơ đồ đấu dây trong mạch ba pha cân bằng. - Về kỹ năng: + Giải được các dạng bài toán cơ bản mạch điện một chiều bằng các phương pháp biến đổi điện trở, phương pháp xếp chồng dòng điện, phương pháp dòng điện nhánh, phương pháp dòng điện vòng. + Giải được các dạng bài toán cơ bản của mạch xoay chiều một pha không phân nhánh như mạch xoay chiều thuần trở, mạch xoay chiều thuần dung, mạch xoay chiều thuần cảm và trong mạch R-L-C mắc nối tiếp. - Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: Người học có khả năng làm việc độc lập hoặc làm nhóm, có tinh thần hợp tác, giúp đỡ lẫn nhau trong học tập và rèn luyện, có ý thức tự giác, tính kỷ luật cao, tinh thần trách nhiệm trong công việc. Người học tự đánh giá được kết quả công việc mình làm theo yêu cầu công việc của giáo viên đưa ra 4
NỘI DUNG CỦA MÔ ĐUN BÀI 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN Giới thiệu: Các khái niệm và các phép biến đổi tương đương được sử dụng trong việc giải các các bài toán về mạch điện. Bài học này trang bị cho người học kiến thức về các khái niệm mạch điện, cách giải bài toán vận dụng các phép biến đổi tương đương như điện trở mắc nối tiếp, song song, biến đổi sao- tam giác ...sẽ giúp giải quyết các bài toán dễ dàng. Mục tiêu: Sau khi học xong bài này người học có khả năng: -Trình bày được khái niệm mạch điện. -Giải thích được các phép biến đổi trong mạch điện, vận dụng các biểu thức để giải các bài toán cơ bản. -Rèn luyện tính nghiêm túc, cẩn thận, chính xác và khả năng làm việc nhóm trong công việc. Người học tự đánh giá được kết quả công việc mình làm theo yêu cầu công việc mà giáo viên đưa ra. NỘI DUNG 1. Khái niệm về mạch điện 1.1 Mạch điện Mạch điện là tập hợp các thiết bị điện nối với nhau bằng các dây dẫn (phần tử dẫn) tạo thành những vòng kín trong đó dòng điện có thể chạy qua. Mạch điện thường gồm các phần tử sau: nguồn điện, phụ tải (tải), dây dẫn. Rd + E _ I Rt ro Hình 1.1: Cấu trúc cơ bản của mạch điện Nguồn điện: Nguồn điện là thiết bị phát 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. 5
Hình 1.2: các dạng nguồn điện 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 v…v. Hình 1.3: Một số ví dụ về tải Dây dẫn: Dây dẫn làm bằng kim loại (đồng, nhôm) dùng để truyền tải điện năng từ nguồn đến tải. Ngoài ra, mạch điện cũng bao gồm các thiết bị đóng cắt như cầu dao, aptomat..các thiết bị bảo vệ (cầu chì, áp tô mát...), các thiết bị đo lường (ampe kế, vôn kế..) 1.2.Kết cấu hình học của mạch điện - Nhánh: Nhánh là một đoạn mạch gồm các phần tử ghép nối tiếp nhau, trong đó có cùng một dòng điện chạy từ đầu này đến đầu kia. - Nút: Nút là điểm gặp nhau của từ ba nhánh trở lên. -Vòng: Vòng là lối đi khép kín qua các nhánh. -Mắt lưới: Vòng mà bên trong không có vòng nào khác. 1.3.Các khái niệm cơ bản trong mạch điện 1.3.1.Dòng điện 1.3.1.1.Định nghĩa Dòng điện i về trị số bằng tốc độ biến thiên của lượng điện tích q qua tiết diện ngang một vật dẫn: i = dq/dt Chiều dòng điện quy ước là chiều chuyển động của điện tích dương trong điện trường. Nghĩa là ở mạch ngoài, dòng điện đi từ nơi điện thế cao đến nơi điện thế thấp. 1.3.1.2.Cường độ dòng điện 6
Đại lượng đặc trưng cho độ lớn của dòng điện gọi là cường độ dòng điện. - Kí hiệu: I. Cường độ dòng điện là lượng điện tích dịch chuyển qua tiết diện thẳng của dây dẫn trong một đơn vị thời gian. q I t Trong đó: q: là điện tích qua tiết diện thẳng (C) t: là thời gian (s) - Đơn vị: A(Ampe) Các ước số và bội số của A là: A, mA, KA, MA 1 A = 10-6A 1mA = 10-3A 1KA = 103A 1MA = 106A Nếu lượng điện tích di chuyển qua vật dẫn không đều theo thời gian sẽ tạo ra dòng điện có cường độ thay đổi (dòng điện biến đổi). q I t - Nếu lượng điện tích di chuyển qua vật dẫn theo một hướng nhất định, với tốc độ không đổi sẽ tạo ra dòng điện một chiều (dòng điện một chiều). Dòng điện một chiều là dòng điện có chiều và trị số không đổi theo thời gian. 1.3.1.3.Mật độ dòng điện Mật độ dòng điện là trị số của dòng điện trên một đơn vị diện tích. Ký hiệu: J Đơn vị: A/ mm2 1.3.2.Điện áp Hiệu điện thế (hiệu thế) giữa hai điểm gọi là điện áp. Điện áp giữa hai điểm A và B: UAB = UA – UB Chiều điện áp quy ước là chiều từ điểm có điện thế cao đến điểm có điện thế thấp. 1.3.3.Công suất Trong mạch điện, một nhánh, một phần tử có thể nhận năng lượng hoặc phát năng lượng. p = u.i > 0 nhánh nhận năng lượng p = u.i < 0 nhánh phát nănglượng Đơn vị đo của công suất là W (Oát) hoặc KW 1.3.4.Các thông số cơ bản của mạch điện 1.3.4.1.Nguồn điện áp 7
Nguồn điện áp đặc trưng cho khả năng tạo nên và duy trì một điện áp trên hai cực của nguồn + U _ E + _ r 0 r0 Hình 1.4: Ký hiệu nguồn điện áp Nguồn điện áp còn được biểu diễn bằng một sức điện động e(t). Chiều e (t) từ điểm điện thế thấp đến điểm điện thế cao. Chiều điện áp theo quy ước từ điểm có điện thế cao đến điểm điện thế thấp: u(t) = - e(t)  Cách ghép nguồn một chiều:  Đấu nối tiếp các nguồn điện thành bộ: - Thực hiện khi cần tăng điện áp cung cấp cho tải. - Giả sử có n nguồn giống nhau (E, r0),ghép nối tiếp sẽ được bộ nguồn (hình 1. 5 a) Ebộ = n.E và r0bộ = n. r0 +E- + - + - + - ... + - E + - + U - A B + - U Hình 1.5 a: Đấu nối tiếp nguồn A B Hình 1.5 b: Đấu song song nguồn  Đấu song song các nguồn điện thành bộ: - Thực hiện khi cần tăng dòng điện cung cấp cho tải. Giả sử có n nguồn giống nhau (E, r0), ghép song song sẽ được bộ nguồn (Hình 1.5b) Ebộ = E và r0bộ = r0 n 8
 Đấu hỗn hợp các nguồn điện thành bộ: - Đấu hỗn hợp là cách đấu kết hợp cả nối tiếp và song song E2 E1 + - - +En + U _ Hình 1.6: Đấu hỗn hợp các nguồn điện 1.3.4.2. Nguồn dòng điện Nguồn dòng điện J (t) đặc trưng cho khả năng của nguồn điện tạo nên và duy trì một dòng điện cung cấp cho mạch ngoài Hình 1.7: Ký hiệu nguồn dòng điện 1.3.4.3. Phần tử điện trở - Điện trở R đặc trưng cho quá trình tiêu thụ điện năng và biến đổi điện năng sang dạng năng lượng khác như nhiệt năng, quang năng, cơ năng v…v. Quan hệ giữa dòng điện và điện áp trên điện trở: UR =R.I Đơn vị của điện trở là Ω (ohm) Các ước số và bội số của  là: m, , M, K. 1 = 10-6M 1 = 10-3K 1 = 103m 1 = 106 Công suất điện trở tiêu thụ: P = RI2 - Đối với dây dẫn: l R  . S Trong đó: -  là điện trở suất của vật dẫn (mm2/m = 10-6m) - l là chiều dài (m) - S là tiết diện (mm2) 9
Vậy: Điện trở của vật dẫn tỷ lệ thuận với chiều dài, tỷ lệ nghịch với tiết diện và phụ thuộc vào vật liệu làm nên vật dẫn đó. * Nghịch đảo của điện trở gọi là điện dẫn: g 1 1 S S g  .  . R  l l Trong đó: -  là điện dẫn suất (Sm/mm2),  = 1/ Điện dẫn suất phụ thuộc vào bản chất dẫn điện của từng vật liệu, điện dẫn suất càng lớn thì vật đẫn điện càng tốt. Đơn vị: S (Simen) (1S = 1/) 1.3.4.5. Phần tử điện cảm Khi có dòng điện i chạy trong cuộn dây W vòng sẽ sinh ra từ thông móc vòng với cuộn dây ψ = Wφ Điện cảm của cuộc dây: L = ψ /i = Wφ/i Đơn vị điện cảm là Henry (H). Nếu dòng điện i biến thiên thì từ thông cũng biến thiên và theo định luật cảm ứng điện từ trong cuộn dây xuất hiện sức điện động tự cảm: eL = - dψ /dt = - L di/dt Quan hệ giữa dòng điện và điện áp: uL = - eL = L di/dt Công suất tức thời trên cuộn dây: pL= uL.i = Li di/dt Điện cảm L đặc trưng cho quá trình trao đổi và tích lũy năng lượng từ trường của cuộn dây. 1.3.4.6. Phần tử điện dung Khi đặt điện áp uc hai đầu tụ điện sẽ có điện tích q tích lũy trên bản tụ điện.: q = C .uc Nếu điện áp uc biến thiên sẽ có dòng điện dịch chuyển qua tụ điện: i= dq/dt = C .duc /dt. Đơn vị: F(Fara) các bội số khác: F, nF, pF 1F = 106F 1F = 109nF 1F = 1012pF Điện dung C đặc trưng cho hiện tượng tích lũy năng lượng điện trường (phóng tích điện năng) trong tụ điện. 10
2.Các phép biến đổi trong mạch điện 2.1.Điện trở mắc nối tiếp, song song 2.1.1.Điện trở mắc nối tiếp - Là cách ghép sao cho chỉ có một dòng điện duy nhất chạy qua các phần tử (Hình 1.8 a). - Dòng điện: I = I1 = I 2 = … = I n - Điện áp: U = U1 + U 2 + … + U n - Điện trở: R = R1 + R 2 + … + R n R1 I R2 .. I R1 R2 Rn + U - Rn Hình 1.8 a: Đấu nối tiếp các điện trở Hình 1.8 b: Đấu song song các điện trở 2.1.2.Đấu song song điện trở (ghép phân nhánh) -Là cách ghép sao cho tất cả các phần tử đều đặt vào cùng một điện áp (Hình 1.8 b). - Điện trở: 1 1 1 1 = + +⋯ 𝑅 𝑅1 𝑅2 𝑅𝑛 - Điện áp: U = U1 = U 2 = … = U n - Dòng điện: I = I1 + I 2 + … + I n 2.2. Biến đổi tam giác – sao, sao – tam giác 2.2.1. Biến đổi  - Y và Y -  -Đấu sao (): Là cách đấu 3 điện trở có một đầu đấu chung, 3 đầu còn lại đấu với 3 điểm khác của mạch (Hình 1.9.a). 11
A A RA RCA RAB C B RC RB RBC C B a b Hình 1.9.a: Tải đấu kiểu sao Hình 1 - 14 Hình 1.9.b: Tải đấu kiểu tam giác -Đấu tam giác (): Là cách đấu 3 điện trở thành một tam giác kín, mỗi cạnh tam giác là một điện trở, mỗi đỉnh tam giác là một nút của mạch điện được nối tới các nhánh khác của mạch điện (Hình 1.9.b). Trong nhiều trường hợp việc thay đổi 3 điện trở đấu hình tam giác thành 3 điện trở đấu hình sao tương đương hoặc ngược lại sẽ làm cho việc phân tích mạch điện được dễ dàng hơn. -Điều kiện để biến đổi là không làm thay đổi dòng điện, điện áp của các phần mạch điện còn lại. -Biến đổi sao – tam giác ( - ). Công thức biến đổi từ hình sao sang hình tam giác: R A .R B R AB  R A  R B  RC R B . RC R BC  R B  RC  RA RC . R A RCA  RC  R A  RB -Biến đổi tam giác – sao (  - Y). Công thức biến đổi từ hình tam giác sang hình sao: R AB .R CA RA  R AB  R BC  R CA R BC .R AB RB  R AB  R BC  R CA R CA .R BC RC  R AB  R BC  R CA 12
 Trường hợp các điện trở bằng nhau: RY = RB = RC = RA; R = RBC = RCA = RAB - Đối với mạch chuyển đổi từ sao sang tam giác ta có: R = 3 RY - Đối với mạch chuyển đổi từ tam giác sang sao ta có R R  3 Ví dụ: Cho mạch điện như hình vẽ: Hình 1.10 Biết E = 4,4 V, R1 = 20, R2 = 60, R3 = 120, R4 = 8, R5 = 44 Xác định dòng điện trong nhánh chinh I = ? B R4 R1 R3 C A R5 R2 D E I Hình 1.10: Mạch điện ví dụ Giải: - Thay một tam giác nào đó giả sử tam giác ABD gồm 3 điện trở R1, R2, R3 thành 3 điện trở đấu sao là: RA, RB, RD ta có: - Điện trở tương đương của đọan CO là: RCO = (R4 nt RB) // (R5 nt RD) R4  R B . R5  R D  8  1244  36  RCO    16  R 4  R5  R B  R D 8  44  12  36  6  R1.R2 20.60 RA   R1  R2  R3 20  60  120 R1 .R3  12 20.120 RB   R1  R2  R3 20  60  120 R2 .R3 60.120 RC    36    R1  R2  R3 20  60  120 -Dòng điện chạy trong mạch chính là: 13
 0,2  E 4,4 I  RCO  R A 16  6 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP Bài 1: Trình bày khái niệm mạch điện? Giải thích các phép biến đổi trong mạch điện? Bài 1: Đoạn mạch gồm điện trở R1=100 Ω mắc nối tiếp với điện trở R2=300 Ω. Tính điện trở tương đương? Bài 2: Cho đoạn mạch gồm điện trở R1 = 100 Ω mắc nối tiếp với điện trở R2 = 200 Ω. Hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch là 12V. Tính hiệu điện thế giữa hai đầu điện trở R2? Bài 3: Hai điện trở R1=100 và R2=47 đấu song song. Biết dòng điện trong mạch chính I=100mA. Tính dòng điện qua điện trở R1, R2? Bài 4: Để có điện trở tương đương 150 , người ta đấu song song hai điện trở R1=330 và R2. Tính R2? 14
BÀI 2: MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU Giới thiệu: Các định luật và các phương pháp giải mạch điện một chiều rất quan trọng trong việc giải các bài toán về mạch điện, nó được ứng dụng nhiều ở lĩnh vực điện, điện tử. Bài học này trang bị cho người học kiến thức về các định luật và các phương pháp giải mạch điện một chiều như phương pháp biến đổi điện trở, phương pháp xếp chồng dòng điện, phương pháp dòng điện nhánh, phương pháp dòng điện vòng cho người học. Mục tiêu: Sau khi học xong bài này người học có khả năng: -Trình bày được các định luật và biểu thức cơ bản trong mạch điện một chiều. -Trình bày được các phương pháp giải mạch điện một chiều, vận dụng giải được các dạng bài toán cơ bản của mạch điện một chiều bằng phương pháp biến đổi điện trở, phương pháp xếp chồng dòng điện. -Trình bày được các định luật Kirhooff để giải mạch điện một chiều, vận dụng giải được các dạng bài toán cơ bản trong mạch điện một chiều bằng phương pháp dòng điện nhánh, phương pháp dòng điện vòng. -Rèn luyện tính nghiêm túc, cẩn thận, chính xác và khả năng làm việc nhóm trong công việc. Người học tự đánh giá được kết quả công việc mình làm theo yêu cầu công việc mà giáo viên đưa ra. NỘI DUNG 1.Các định luật và biểu thức cơ bản trong mạch một chiều. 1.1.Định luật Ohm 1.1.1.Định luật Ohm cho một đoạn mạch Nếu đặt vào hai đầu đoạn mạch AB một hiệu điện thế U, có dòng điện chạy qua đoạn mạch (Hình 2.1). A I B A U Hình 2.1: Đoạn mạch AB Nội dung định luật: Cường độ dòng điện chạy qua đoạn mạch tỷ lệ thuận với hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch và tỷ lệ nghịch với điện trở của đoạn mạch đó. Trong đó: U I R U: Điện áp giữa hai đầu đoạn mạch (V) R: Điện trở của đoạn mạch (Ω) I: Cường độ dòng điện trong mạch (A) 1.1.2.Định luật Ohm cho toàn mạch Xét mạch điện như hình vẽ (Hình 2.2). 15
Gồm một nguồn điện có sức điện động E và nội trở r0 cung cấp cho tải R qua một đường dây có điện trở là Rd Rd + E _ I Rt ro Hình 2.2: Mạch điện kín Khi mạch điện kín sẽ có dòng điện I chạy trong mạch và gây sụt áp trên các phần tử của mạch. Áp dụng định luật ohm cho từng đoạn mạch, ta có: - Điện áp đặt vào phụ tải: U = I.Rt - Điện áp đặt vào đường dây: Ud = I.Rd - Điện áp đặt vào nội trở: U0 = I.r0 Sức điện động nguồn bằng tổng các điện áp trên các đoạn mạch E = U + Ud + U0 = I.Rt + I.Rd + I.r0 = I.(Rt + Rd + r0) E  I  R Gọi R = (Rt + Rd + r0) là tổng trở của toàn mạch, ta có: E = I.R Nội dung định luật: Cường độ dòng điện chạy trong mạch kín tỷ lệ thuận với sức điện động của nguồn và tỷ lệ nghịch với tổng trở toàn mạch điện. Ví dụ: Cho mạch điện như Hình 2.3, có: Rd + E _ I Rt ro Hình 2.3: Mạch điện ví dụ E = 231V; r0 = 0,1; Rd = 1; Rt = 22. Xác định dòng điện qua tải, điện áp trên tải? Điện áp đầu đường dây? Giải Ta có tổng trở của toàn mạch là: R = Rt + Rd + r0 = 22 + 1 + 0,1 = 23.1 ()  10  E 231 I   R 23,1 Áp dụng định luật Ohm cho toàn mạch ta có dòng điện chạy qua tải là: 16
Điện áp trên tải là: U = I.R = 10.22 = 220 (V) Điện áp đặt vào điện trở đường dây là: Ud = I.Rd = 10.1 = 10 (V) Điện áp đầu đường dây là: Uđđd = U + Ud = 220 + 10 = 230 (V) 1.2. Công suất và điện năng trong mạch một chiều 1.2.1 Công của dòng điện Khi đặt một hiệu điện thế U vào hai đầu đoạn mạch AB, trong mạch có dòng điện I chạy qua (Hình 2.4). R A B I U Hình 2.4: Đoạn mạch AB Công làm dịch chuyển lượng điện tích q từ A đến B được tính bằng công thức sau: A = q.U = U.I.t Trong đó: - q: là lượng điện tích dịch chuyển (C) - I: là cường độ dòng điện chạy trong đoạn mạch (A) - U: là hiệu điện thế giữa đầu đoạn mạch (V) - t: là thời gian dòng điện chạy trong đoạn mạch(s) Vậy: Công của dòng điện sinh ra trong đoạn mạch bằng tích của hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch với cường độ dòng điện và thời gian dòng điện chạy qua đoạn mạch. Đơn vị: J (Jun) hoặc Cal(Calo) 1J = 0,24 Cal 1.2.2.Công suất của dòng điện Công suất của dòng điện là đại lượng đặc trưng cho tốc độ sinh công của dòng điện, có độ lớn bằng công của dòng điện sinh ra trong một giây. Ký hiệu: P Trong đó: A P  U .I t - U: là hiệu điện thế (V) - I: là cường độ dòng điện (A) Đơn vị: W (Oát) Bội số của W là: KW, MW. 1KW = 103 W 1MW = 106W Trong mạch điện, một nhánh, một phần tử có thể nhận năng lượng hoặc phát năng lượng. 17
p = u.i > 0 nhánh nhận năng lượng p = u.i < 0 nhánh phát nănglượng Đơn vị đo của công suất là W (Oát) hoặc KW 1.2.3. Định luật Jun – Lenxơ Khi có dòng điện chạy qua vật dẫn, các điện tích sẽ va chạm với các nguyên tử, phân tử và truyền bớt động năng cho chúng, làm tăng mức chuyển động nhiệt của các nguyên tử, phân tử. Kết quả vật dẫn bị dòng điện đốt nóng đó là tác dụng phát nhiệt của dòng điện. -Nhiệt lượng tỏa ra trên vật dẫn khi có dòng điện chạy qua : Q = I2.R.t (J) = 0.24 I2.R.t (Cal) Biểu thức này do nhà bác học Jun người Anh và nhà bác học Lenxơ người Pháp xác lập. Nội dung định luật: Nhiệt lượng tỏa ra từ một vật dẫn khi có dòng điện chạy qua tỷ lệ thuận với bình phương cường độ dòng điện, với điện trở vật dẫn và thời gian dòng điện chạy qua. -Tác dụng nhiệt của dòng điện được ứng dụng để chế tạo các dụng cụ đốt nóng bằng dòng điện như: Đèn sợi đốt, bàn ủi, bếp điện, mỏ hàn, nồi cơm điện v.v … Mặt khác nó cũng có thể làm cháy hỏng cách điện, làm giảm tuổi thọ của máy điện và thiết bị điện. 2. Các phương pháp giải mạch điện một chiều 2.1. Giải mạch điện bằng phương pháp biến đổi điện trở Phương pháp biến đổi điện trở chủ yếu dùng để giải mạch điện có một nguồn. Dùng các phép biến đổi tương đương, đưa mạch điện phân nhánh về mạch điện không phân nhánh và do đó có thể tính dòng, áp bằng định luật Ohm. Ngoài ra còn dùng phối hợp với các phương pháp khác để đơn giản hóa sơ đồ làm cho việc giải mạch điện dễ dàng hơn. 2.1.1. Lý thuyết liên quan Bước 1: -Vận dụng các phép biến đổi tương đương để đưa mạch điện phức tạp: gồm các điện trở mắc nối tiếp, song song, đấu sao, đấu tam giác về mạch điện không phân nhánh. -Nếu các điện trở mắc song song thì xác định điện trở tương đương bằng 1 1 1 1 1 =      Rm R1 R2 R3 Rn -Nếu các điện trở nối tiếp Rm = Rl + R2+ R3+ … + Rn -Nếu đấu sao, tam giác thì tùy vào mạch để vận dụng công thức biến đổi sao - tam giác hoặc tam giác – sao để giúp cho mạch điện đơn giản hơn. Bước 2: Áp dụng định luật Ohm cho mạch không phân nhánh tìm ra dòng điện qua nguồn, cũng là dòng điện mạch chính. 18