Đang tải... (xem toàn văn)
Bài giảng về môn lý thuyết mạch, 1 tài liệu khá hay. Các bạn tải về đọc rồi làm bài tập. Để học tốt, cần thường xuyên làm bài tập.......................................................................................................................
Bài giảng môn mạch điện CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN 1.Mạch điện và mô hình mạch điện 1.1.Định nghĩa mạch điện: gồm tập hợp các thiết bị điện, điện tử trong đó có sự biến đổi năng lượng điện sang các dạng năng lượng khác. Cấu tạo mạch điện gồm nguồn điện, phụ tải, dây dẫn ngoài ra còn có các phần tử phụ trợ khác Nguồn điện: dùng để cung cấp năng lượng điện hoặc tín hiệu điện cho mạch. Nguồn được biến đổi từ các dạng năng lượng khác sang điện năng, ví dụ máy phát điện (biến đổi cơ năng thành điện năng), ắc quy (biến đổi hóa năng sang điện năng). Phụ tải: là thiết bị nhận năng lượng điện hay tín hiệu điện. Phụ tải biến đổi năng lượng điện sang các dạng năng lượng khác, ví dụ như động cơ điện (biến đổi điện năng thành cơ năng), đèn điện (biến đổi điện năng sang quang năng), bàn là, bếp điện (biến đổi điện năng sang nhiệt năng) v.v. Dây dẫn: làm nhiệm vụ truyền tải năng lượng điện từ nguồn đến nơi tiêu thụ. Trang 1 4Ω I p Máy phát điện Ắcquy Tải Nguồn I - + E Hình 1.1 Bài giảng môn mạch điện Ngoài ra còn có các phần tử khác như: phần tử làm thay đổi áp và dòng trong các phần khác của mạch (như máy biến áp, máy biến dòng), phần tử làm giảm hoặc tăng cường các thành phần nào đó của tín hiệu (các bộ lọc, bộ khuếch đại), v.v 1.2.Cấu trúc của mạch điện: Nhánh: gồm nhiều phần tử ghép nối tiếp trong đó có cùng một dòng điện. Nút: là điểm nối của ba nhánh trở lên. Vòng: là tập hợp nhiều nhánh tạo thành vòng kín, nó có tính chất là nếu bỏ đi một nhánh thì không tạo thành vòng kín nữa. Mắc lưới : là vòng mà bên trong nó không còn vòng nào khác. 1.3. Các hiện tượng điện từ Gồm hai hiện tượng là hiện tượng biến đổi năng lượng và hiện tượng tích phóng năng lượng điện từ. Hiện tượng biến đổi năng lượng gồm hiện tượng nguồn và hiện tượng tiêu tán. Hiện tượng nguồn: là hiện tượng biến đổi từ các dạng năng lượng khác như cơ năng, hóa năng, nhiệt năng … 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 gồm hiện tượng tích phóng năng lượng trong trường điện và trong trường từ. 1.4.mô hình mạch điện Được dùng trong lý thuyết mạch được xây dựng từ các phần tử lý tưởng sau đây: Phần tử điện trở: là phần tử đặc trưng cho hiện tượng tiêu tán năng lượng điện từ, quan hệ giữa dòng và áp trên hai cực của phần tử điện trở là: u = R.i. ( hình 1.4 ) Trang 2 hình 1.4 R i→ E F D C B A C D A A B C D Hình 1.2 Hình 1.3 Bài giảng môn mạch điện Phần tử điện cảm: là phần tử đặc trưng cho hiện tượng tích phóng năng lượng trường từ, quan hệ giữa dòng và áp trên hai cực phần tử điện cảm: u= dt di L. ( hình 1.5 ) Phần tử điện dung: là phần tử đặc trưng cho hiện tượng tích phóng năng lượng trường điện, quan hệ giữa dòng và áp trên hai cực tụ điện: i= dt du C. thông số cơ bản của mạch điện, đặc trưng cho quá trình tích phóng năng lượng trường điện. ( hình 1.6 ) Phần tử nguồn: là phần tử đặc trưng cho hiện tượng nguồn. phần tử nguồn gồm phần tử nguồn áp và phần tử nguồn dòng. ( hình 4 ) và ( hình 5 ) Phần tử thực: phần tử thực của mạch điện có thể được mô hình gần đúng bởi một hay nhiều phần tử lý tưởng được ghép với nhau theo một cách nào đó để mô tả gần đúng hoạt động của phần tử thực tế. 2. Các khái niệm cơ bản trong mạch điện. 2.1. Dòng điện và quy ước chiều dòng điện: Dòng điện là dòng chuyển dời hướng của các điện tích. Cường độ dòng điện ( gọi tắt là dòng điện) là lượng điện tích 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 ký hiệu là: I ( Ampe) Quy ước chiều dòng điện từ cực dương sang cực âm của nguồn (i>0), ngược lại (i<0). Trang 3 hình 1.5 i L C i hình 1.6 e i hình 1.8 j hình 1.7 i 2A A BA B i -2A Hình 1.9 Bài giảng môn mạch điện 2.2.Điện áp Điện áp giữa hai điểm A và B là công cần thiết để làm dịch chuyển một đơn vị điện tích (1 culong) từ A đến B. Điện áp ký hiệu là: U (vôn) Ví dụ: U AB : điện áp giữa A và B U BA : điện áp giữa B và A ta có : U AB = -U BA 2.3.Công suất Xét mạch điện chịu tác động ở 2 đầu một điện áp u, qua nó sẽ có dòng điện i. Công suất tức thời được đưa vào mạch điện (được hấp thụ bởi mạch điện) là: p(t) = u.i Đơn vị công suất là watt (w) p(t) là một đại lượng đại số nên có thể âm hoặc dương tại thời điểm t nào đó Nếu p > 0 thì tại thời điểm t đó phần tử thực sự hấp thụ năng lượng với công suất là p, còn nếu p < 0 thì tại thời điểm t đó phần tử thực sự phát ra năng lượng (tức năng lượng được đưa từ phần tử mạch ra ngoài) với công suất là | p |. 3. Các phép biến đổi tương đương. Trong thực tế đôi khi cần làm đơn giản một phần mạch thành một mạch tương đương đơn giản hơn. Việc biến đổi mạch tương đương thường được làm để cho mạch có ít phần tử, ít số nút, ít số vòng và nhánh hơn mạch trước đó làm giảm đi số phương trình phải giải. Mạch tương đương được định nghĩa như sau: Hai mạch được gọi là tương đương nếu quan hệ giữa dòng điện và điện áp trên các cực của hai phần tử 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 : 3.1.Nguồn sức điện động ghép nối tiếp Trang 4 - + B A - + A B U 5V + - B A -5V Hình 1.10 Bài giảng môn mạch điện Sẽ tương đương với một nguồn sức điện động duy nhất có trị số bằng tổng trị số các sức điện động đó. Ví dụ : e 1 = 3(v), e 2 = 5 (v), e 3 = 2(v) → e tđ = 3+5-2 = 6 (v). Nguồn điện áp đặc trưng cho khả năng tạo nên và duy trì một điện áp trên hai cực của nguồn. ký hiệu: U(t) Nguồn áp còn biểu diễn bằng sđđ e(t). e(t): chiều đi từ điểm có điện thế thấp đến điểm có điện thế cao. u(t): chiều đi từ điểm có điện thế cao đến điểm có điện thế thấp. 3.2.Nguồn dòng điện ghép song song Nguồn dòng điện mắc song song sẽ tương với một nguồn dòng duy nhất có giá trị bằng tổng đại số các nguồn dòng đó. J tđ = ∑ = ± n k k j 1 Ví dụ : j 1 = 2 (A), j 2 = 3 (A), j 3 =1 (A) → j = 2-3-1 = -2 (A) 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. 3.3 Điện trở ghép nối tiếp và song song Điện trở ghép nối tiếp sẽ tương đương với một phần tử điện trở duy nhất có trị số bằng tổng các điện trở các phần tử đó. R tđ =ΣR K Trang 5 b e 1 e 2 e 3 a e tđ =e 1 +e 2 -e 3 b a e tđ = u(t)e j 3 j 2 j 1 j td = j 1 -j 2 -j 3 i i R n R 3 R 2 R 1 R tđ Hình 1.11 Hình 1.12 Hình 1.13 Hình 1.14 Bài giảng môn mạch điện Ví dụ : R 1 = 3 (Ω), R 2 = 2 (Ω), R 3 = 5 (Ω) → R tđ = 3+2+5 = 10 (Ω) Điện trở ghép song song sẽ tương đương với một phần tử điện trở duy nhất có điện dẫn bằng tổng điện dẫn các phần tử đó. ( với g = R 1 : gọi là điện dẫn ) G tđ = ∑ = n K K G 1 ntd RRRR 1111 21 +⋅⋅⋅++= Ví dụ : R 1 = 2 (Ω), R 2 = 2 (Ω), R 3 = 5 (Ω) → ntd RRRR 1111 21 +⋅⋅⋅++= = 30 31 5 1 3 1 2 1 =++ ( Ω ) 3.4. Biến đổi Δ-Y, Y-Δ 3.4.1.biến đổi Y-Δ: R 12 =R 1 +R 2 + 3 21 . R RR (1) R 23 =R 2 +R 3 + 1 3.2 R RR (2) R 31 =R 3 +R 1 + 2 13 . R RR (3) 3.4.2.biến đổi Δ-Y: R 1 = 312312 1231 . RRR RR ++ (1) R 2 = 312312 1223 . RRR RR ++ (2) R 3 = 312312 3123 . RRR RR ++ (3) Trang 6 R dt i R n R 1 R 2 R 3 i i 1 i 2 i 3 R 1 R 3 R 2 i 3 i 2 i 1 R 31 R 23 R 12 Hình 1.15 Hình 1.16 Bài giảng môn mạch điện Các quan hệ trên được chứng minh như sau: vì hai mạch tương đương nên các quan hệ sau đây thì bằng nhau đối với hai mạch. R tđ12 = 0 3 1 12 =i i u ; R tđ23 = 0 1 2 23 =i i u ; R tđ31 = 0 2 3 31 =i i u Đối với mạch (Y) ta có: R tđ12 =R 1 +R 2 ; R tđ23 =R 2 +R 3 ; R tđ31 =R 1 +R 3 Đối với mạch (∆) ta có: R tđ12 =R 12 //(R 23 +R 31 ); R tđ23 =R 23 //(R 31 +R 12 ); R tđ31 =R 31 //(R 23 +R 12 ) Do đó ta có các phương trình sau: R 1 +R 2 = 312312 312312 )( RRR RRR ++ + (1) R 2 +R 3 = 312312 123123 )( RRR RRR ++ + (2) R 3 +R 1 = 312312 231212 )( RRR RRR ++ + (3) Giải hệ phương trình(1),(2),(3) ta tìm được các phép biến đổi trên. 3.5. Biến đổi tương đương giữa nguồn áp và nguồn dòng. Nguồn áp mắc nối tiếp với một điện trở sẽ tương đương với một nguồn dòng mắc song song với điện trở đó và ngược lại. Ở mạch (hình 1) ta có quan hệ giữa u và i như sau: u = e-r.i (1) Ở mạch (hình 2) ta có: j = i+i 1 (với i 1 =u/r) → u = r.j-r.i (2) So sánh (1)và(2) ta thấy hai mạch sẽ tương đương nếu: e = r.j hoặc j = e/r Trang 7 hình2 hình1 i 1 r j i r e i Hình 1.17 Bài giảng môn mạch điện Câu hỏi : 1. Mạch điện gồm những phần nào? Nêu công dụng của chúng. 2. Định nghĩa nút ? vòng ? mắc lưới? Điều kiện nào trong mạch điện có nút. 3. Đặc trưng của phần tử điện trở là gì ? Phần tử điện dung ? Phần tử điện cảm ? 4. Định nghĩa dòng điện ? Định nghĩa điện áp ? 5. Tính hiệu điện thế (điện áp) U AB trong các trường hợp sau : a. Điện thế tại điểm A(U A =5 (V) ), điện thế tại điểm B(U B = 3 (V) ). b. Điện thế tại điểm A(U A =2 (V) ), điện thế tại điểm B(U B = -3 (V) ). c. Điện thế tại điểm A(U A = -1 (V) ), điện thế tại điểm B(U B = -4 (V) ). 6. Công suất p(t) đặc trưng những hiện tượng nào của thiết bị. 7. Tại sao phải thực hiện phép biến đổi tương đương ? Phép biến đổi tương đương có làm thay đổi dòng và áp trong mạch điện không. 8. Vẽ lại mạch điện và tính điện trở tương đương trong các trường hợp sau: a. (R 1 nt R 2 )//R 3 . Biết R 1 = 2 (Ω), R 2 = 1 (Ω), R 3 = 4 (Ω) b. (R 1 nt R 2 )//(R 3 nt R 4 ) nt R 5 . Biết R 1 = 2 (Ω), R 2 = 2 (Ω), R 3 = 1 (Ω), R 4 = 1, R 5 = 3 (Ω). c. (R 1 nt R 2 )//(R 3 nt R 4 nt R 5 )//R 6 . Biết R 1 = 2 (Ω), R 2 = 4 (Ω), R 3 = R 4 = R 5 = 2 (Ω), R 6 = 6 (Ω). d. (R 1 // R 2 )nt(R 3 // R 4 // R 5 )ntR 6 . Biết R 1 = 2 (Ω), R 2 = 4 (Ω), R 3 = R 4 = R 5 = 2 (Ω), R 6 = 6 (Ω). 9. Cho mạch điện như hình vẽ: Tính điện trở R AB Tài Liệu Tham Khảo : - Giáo trình mạch điện tác giả : Phạm Thị Cư “ NXBGD-1996” - Giáo trình điện kỹ thuật tác giả : Lê Văn Đào “ NXBKHKT-1997” - Giáo trình mạch điện tác giả : Lê Văn Bảng “ NXBGD-2008” Trang 8 1Ω 1Ω 2Ω 2Ω 2Ω 2Ω B A d c b a Bài giảng môn mạch điện CHƯƠNG 2: MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.Các định luật cơ bản trong mạch điện một chiều 1.1. Định nghĩa dòng điện một chiều: Dòng điện một chiều là dòng điện có chiều và độ lớn không đổi theo thời gian. 1.2.Định luật omh: Cường độ dòng điện trong một đoạn mạch tỷ lệ thuận với hiệu điện thế ở hai đầu đoạn mạch tỷ lệ nghịch với điện trở của đoạn mạch. I = R U (A) 1.2.Định luật Joule- Lenxơ: Nhiệt lượng tỏa ra trong một vật dẫn tỷ lệ thuận với điện trở của vật dẫn với bình phương cường độ dòng điện và với thời gian dòng điện đi qua. Q = R.I 2 .t ( J ) 1.3.Định luật Faraday: Khối lượng m của chất được giải phóng ra ở điện cực tỷ lệ với đương lượng hóa học A/n của chất đó và với điện lượng q đi qua dung dịch điện phân. m = K. n A .q = tI n A F 1 A: nguyên tử lượng n : hóa trị 1/k = F =9,65.10 7 C/kg ( số Faraday ) I : cường độ dòng điện qua bình điện phân t : thời gian dòng điện chạy qua 1.4.Định luật kiêchop: Định luật kiêchop 1 và 2 là hai định luật cơ bản để nguyên cứu và tính toán mạch điện. Trang 9 Hình 2.2 I(t) t i 0 B A U A B R Hình 2.1 Bài giảng môn mạch điện a. Định luật kiêchop 1: nói lên mối quan hệ giữa các dòng điện tại một nút. Tổng đại số các dòng điện tại một nút thì bằng không. 0 1 =± ∑ = K n K i Với mạch hình bên: i 1 - i 2 - i 3 = 0 hoặc - i 1 + i 2 + i 3 = 0 Trong đó nếu ta quy ước các dòng điện đi tới nút mang dấu dương thì các dòng điện rời khỏi nút mang dấu âm và ngược lại. b.Định luật kiêchop 2: chỉ rõ các mối liên hệ giữa điện áp trong một vòng kín. Đi theo một vòng kín với chiều tùy ý, tổng đại số điện áp rơi trên các nhánh bằng không. 0 1 =± ∑ = K n K U Định luật kiêchop 2 phát biểu lại như sau: Đi theo một vòng kín với chiều tùy ý, tổng đại số các điện áp rơi trên các nhánh bằng tổng đại số các sđđ có trong vòng, trong đó các sđđ và dòng điện nào có chiều trùng với chiều đi của vòng sẽ mang dấu dương ngược lại mang dấu âm. 2. Các phương pháp giải mạch điện một chiều. 2.1.Phương pháp biến đổi điện trở: (phương pháp này chủ yếu sử dụng định luật omh) Các điện trở mắc nối tiếp: trong đoạn mạch mắc nối tiếp dòng điện qua các phần tử là như nhau. (I 1 =I 2 =I 3 =…=I n ) I = Rtđ U RnRRR U = ++++ 321 Trong đó: R tđ =R 1 +R 2 +R 3 +…+R n Ví dụ : R 1 = 1 (Ω), R 2 = 3 (Ω), R 3 = 4 (Ω), U AB = 10 (V). Trang 10 i 3 i 2 i 1 vòng 1: I 1 .R 1 +I 3 .R 3 =e 1 (1) vòng 2: I 2 .R 2 +I 3 .R 3 =e 2 (2) R n R 3 R 2 R 1 R + - - + e 2 e 1 I 3 I 2 I 1 R 3 R 2 R 1 I II Hình 2.3 Hình 2.4 Hình 2.5 [...].. .Bài giảng môn mạch điện Tính RAB, IAB Các điện trở mắc song song: trong đoạn mạch mắc song song điện áp ở hai đầu mỗi mạch nhánh bằng nhau và bằng điện áp hai đầu đoạn mạch i U1=U2=U3=…=Un i R1 R2 R 3 1 1 1 1 1 = + + + + Rtđ R1 R 2 R3 Rn U I = Rtđ Rdt Rn Hình 2.6 Ví dụ : R1= 1 (Ω), R2= 3 (Ω), R3= 4 (Ω), UAB= 10 (V) Tính RAB, IAB 2.2.Phương pháp xếp chồng dòng điện Phương pháp : Bước 1 : Căn cứ mạch. .. trở phụ R Tìm điện trở phụ đó Tài Liệu Tham Khảo : - Giáo trình mạch điện tác giả : Phạm Thị Cư “ NXBGD-1996” - Giáo trình điện kỹ thuật tác giả : Lê Văn Đào “ NXBKHKT-1997” - Giáo trình mạch điện tác giả : Lê Văn Bảng “ NXBGD-2008” - Giáo trình mạch điện “Trường ĐHSPKT-TPHCM” lưu hành nội bộ Trang 29 Bài giảng môn mạch điện CHƯƠNG 3: MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU Trong đời sống và trong kỹ thuật dòng điện... đoạn mạch bằng tích của hđt giữa hai đầu đoạn mạch với cường độ dòng điện và thời gian dòng điện đi qua A = q.U=U.I.t (jun) 3.2.Công suất của dòng điện Công suất của dòng điện là đại lượng đặc trưng cho tốc độ sinh công của dòng điện Nó có độ lớn bằng công của dòng điện sinh ra trong một giây Trang 23 Bài giảng môn mạch điện P= A = U I (W) t P = RI2 (W) Công suất của dòng điện trong một đoạn mạch bằng... trong một đoạn mạch bằng tích hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch với cường độ dòng điện trong đoạn mạch 3.3.Đo công và công suất Muốn đo công và công suất trên một đoạn mạch ta dùng ampe kế đo cường độ dòng điện qua đoạn mạch và vôn kế đo hiêu điện thế hai đầu đoạn mạch → P=U.I Để đo công của dòng điện tức điện năng tiêu thụ trên đoạn mạch ta dùng công tơ điện A= P.t = Kw.h Câu hỏi: 1 Định nghĩa... các mạch vừa phân tích Bước 3 : Tính dòng điện trên các nhánh như sau: Dòng điện qua nhánh ban đầu bằng tổng đại số các dòng điện cùng đi qua nhánh ấy trên các mạch điện mới và áp dụng quy tắc sau, nếu dòng điện nào cùng chiều với dòng điện trên mạch chính sẽ mang dấu dương (+), ngược lại mang dấu âm (-) Với mạch điện hình trên ta có: I1=I/1- I1// I 2= I2/- I2/ I 3= I3/+ I3// Trang 11 Bài giảng. .. của vectơ tổng hợp bằng tổng các trị số cực đại của các vectơ thành phần Trang 32 Bài giảng môn mạch điện Em=Em1+Em2 Phép trừ cũng như phép cộng chỉ việc đêm cộng lượng bị trừ bằng trị số lượng âm, nghĩa là: E m = E m1 − E m 2 = E m1 + (− E m 2 ) 2.Giải mạch điện xoay chiều 2.1 .Mạch xoay chiều thuần trở Xét đoạn mạch: UAB=Um.sin ω.t (v) Trong khoảng thời gian Δt vô cùng nhỏ coi dòng i= R i... R7 Hình 2.20 Tính: RAB, I, IR3, UR6 (hình 2.20) 1Ω R4 e1 - R2 I3 + - I2 + e3 B Hình 2.24 e - 2 Trang 24 Bài giảng môn mạch điện Hình 2.23 3.Cho mạch điện như hình 2.24 Với R1=1(Ω), R2=3(Ω), R3=6(Ω),E1= 10(V), E2=4(Ω), E3=6(Ω) R1 I1 Tính: I1, I2, I3 PR1, PR2, PR3,bằng phương pháp xếp chồng 4 Cho mạch điện như hình 2.25 R1=3(Ω), R2=4(Ω), + Tính: I1, I2, I3 bằng phương pháp xếp chồng e1 I3 I2 R2 R3=8(Ω),... = = = 12 20 4 4 240 16 240 240 5 Trang 19 Bài giảng môn mạch điện ∆x = 2 3 = 2⋅ 9 1 18 3 18 + 15 33 − 3.( − ) = = + = = 20 4 20 4 20 20 2 ∆y = 3 = 7 9 21 18 210 − 108 102 17 ⋅ 3 − 2 − = = = = 12 20 12 20 120 120 20 33 17 ∆ y 20 17 ∆ x 20 33 33 = = 5 = = = VA = (V), VB = (V) 1 1 ∆ 20 4 ∆ 4 5 5 Ví dụ 2: Cho mạch điện như hình 2.17 Tính điện thế tại các nút ở mạch điện trên Bằng phương pháp nút Giải 2A... 3 I3= U AB 110 = = 5 (A) R3 22 Thử lại: I1+I2+I3=0 ⇔ 2 + 3 – 5 = 0 Ví dụ : Cho mạch điện như hình 2.19 E1= 5 (v), E2= 4 (v), E3= 7 (v), R1= 2 (Ω), R2= 3 (Ω), R3= 4 (Ω) Tính dòng điện qua các nhánh bằng phương pháp điện áp hai nút ở mạch điện trên A + e1 - R1 + I2 I3 I1 R3 R2 + - B UAB + e3 e - 2 - Trang 22 Bài giảng môn mạch điện Hình 2.19 Chọn chiều dương điện áp và chiều dòng điện đi trong các nhánh... i=Im.sinωt=4,4 2 sin100Πt(A) 2.2 .Mạch điện xoay chiều thuần cảm iL(t) L Nếu qua phần tử điện cảm có dòng điện uL(t) iL(t) = ILm.sin ωt Trên nó sẽ xuất hiện điện áp: uL(t)=L Hình 3.8 di L (t ) , = L.i L (t ) dt π → uL(t) = L.ILm ω cos ωt =ULm.cos ωt = U Lm sin(ωt + ) uL(t) 2 Đặt ULm = L.Im ω = I m Z L ( Z L = ω.L) IL(t) Hình 3.9 Trang 33 Bài giảng môn mạch điện Trong mạch điện xoay chiều thuần cảm