CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN. 1. Mạch điện và mô hình: 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 loại phần tử sau: nguồn điện, phụ tải (tải), dây dẫn. Hình 1.1 a. 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. Hình 1.2 b. 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 c. Dây dẫn: Dây dẫn làm bằng kim loại (đồng, nhôm ) dùng để truyền tải điện năng từ nguồn đến tải. 1.2 Các hiện tượng điện từ: 1. Hiện tượng biến đổi năng lượng: Gồm 2 hiện tượng ngược nhau: - Hiện tượng phát (hay còn gọi là hiện tượng nguồn): chuyển hoá các dạng năng lượng khác như cơ, hoá , nhiệt năng… thành năng lượng điện từ.Ví dụ hiện tượng nguồn như trong pin gavalnic, acqui, máy phát điện, pin mặt trời… - Hiện tượng tiêu tán năng lượng: chuyển hoá năng lượng điện từ thành các dạng năng lượng khác như cơ, quang, hoá năng… Ví dụ như trong đèn sợi đốt, lò nung, môtơ điện… 2. Hiện tượng tích phóng năng lượng: Gồm 2 hiện tượng: - Hiện tượng tích phóng năng lượng điện trường ứng với vùng kho điện là vùng năng lượng điện trường tập trung vào vùng điện trường của một không gian như các bản cực của tụ điện hoặc ngược lại đưa từ vùng đó trả lại nguồn trường điện từ. - Hiện tượng tích phóng năng lượng từ trường ứng với vùng kho từ là vùng năng lượng điện từ tích từ trường vào không gian như lân cận một cuộn dây có dòng điện hoặc ngược lại đưa trả từ vùng đó trở lại nguồn trường điện từ. 1.3 Mô hình mạch điện: 1. 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 : u R = R.i Đơn vị của điện trở là Ω (ôm). Công suất điện trở tiêu thụ: p = i 2 .R Hình 1.4 2. Phần tử điện cảm: Khi có dòng điện i chạy trong cuộn dây W vòng, từ thông Φ do dòng điện sinh ra sẽ móc qua W vòng của cuộn dây, tạo ra từ thông móc vòng ψ = W. Φ Điện cảm của cuộc dây: L = ψ/i = W. Φ /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: e L = - dψ/dt = - Ldi/dt Quan hệ giữa dòng điện và điện áp: u L = - e L = L.di/dt Công suất tức thời trên cuộn dây: p L = u L .i L = Li.di/dt Năng lượng từ trường của cuộn dây: 2 00 M 2 1 .W LiLididtp it L   Điện cảm L đặc trưng cho quá trình trao đổi và tích lũy năng lượng từ trường của cuộn dây. Hình 1.5 3. Phần tử điện dung: Khi đặt điện áp u c hai đầu tụ điện (hình 1.3.4), sẽ có điện tích q tích lũy trên bản tụ điện.: q = C.u c Nếu điện áp u C biến thiên sẽ có dòng điện dịch chuyển qua tụ điện: i = dq/dt = C.du c /dt Ta có:   idt C u C 1 Công suất tức thời của tụ điện: p c = u c .i = C.u c .du c /dt Năng lượng điện trường của tụ điện: 2 00 E 2 1 .W CuduCudtp u CC t C   Điện dung C đặc trưng cho hiện tượng tích lũy năng lượng điện trường (phóng tích điện năng) trong tụ điện. Đơn vị của điện dung là F(Fara) hoặc μF _ Hình 1.6 4. Phần tử nguồn: a. Nguồn điện áp Nguồn điện áp đặc trưng cho khả năng tạo nên và duy trì một điện áp trên hai cực của nguồn. Hình 1.7 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) b. 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 1.8 5. Phần tử thật: 2. Các khái niệm cơ bản trong mạch điện: 2.1 Dòng điện và chiều qui ước của dòng điện: 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 Hình 1.9 Chiều dòng điện qui ước là chiều chuyển động của điện tích dương trong điện trường. 2.2 Cường độ dòng điện: j(t ) . E 1 . E k . . . E tâ Khi có dòng điện chạy qua một vật dẫn thì trong khoảng thời gian nhỏ t  có một lượng điện tích (điện lượng) q  di chuyển qua tiết diện thẳng của vật dẫn đó. Điện lượng chuyển qua tiết diện thẳng trong một đơn vị thời gian được dùng để đặc trưng cho tác dụng của dòng điện một cách định lượng và được gọi là cường độ dòng điện I có độ lớn bằng : t q I    Vậy cường độ dòng điện được đo bằng thương số của điện lượng q  di chuyển qua tiết diện thẳng của vật dẫn trong khoảng thời gian nhỏ t  và khoảng thời gian đó. Nói chung, giá trị của I có thể thay đổi theo thời gian và công thức trên chỉ cho ta biết giá trị trung bình của I trong khoảng thời gian nhỏ t  Đối với dòng điện không đổi công thức trên trở thành . t q i  Trong đó q là điện lượng chuyển qua tiết diện thẳng của vật dẫn trong khoảng thời gian t. 2.3 Mật độ dòng điện: Cường độ dòng điện qua một đơn vị diện tích được gọi là mật độ dòng điện, kí hiệu là δ (denta). S I   Với: S: diện tích tiết diện dây. Đơn vị δ là A/m 2 hoặc A/cm 2 , A/mm 2 . Cường độ dòng điện dọc theo một đoạn dây dẫn là như nhau ở mọi tiết diện, nên ở chổ nào tiết diện dây nhỏ thì mật độ dòng điện sẽ lớn và ngược lại. 3 Các phép biến đổi tương đương: 3.1 Nguồn áp ghép nối tiếp: Mạch điện gồm các Sức điện động  1 E ,  2 E ,…  k E ghép nối tiếp tương đương với một nhánh có sức điện động    ktd EE Hình 1.10 3.2 Nguồn dòng ghép song song: . J tâ . J k . J 1 R 1 R 3 I 1 I 2 A B R I B A U I I R 2 U I 3 I A R 1 R 2 R 3 C D B U 1 U 2 U 3 U Những nguồn dòng  1 J ,  2 J ,…  k J bơm vào một nút tương đương với một nguồn dòng    ktd JJ Hình 1.11 3.3 Điện trở ghép nối tiếp, song song: Mạch điện gồm các điện trở nối tiếp R 1 R 2 …,R k tương đương với một điện trở R tđ = R 1 + R 2 +…+R k = ΣR k Hình 1.12 Mạch điện gồm các điện trở song song R 1 R 2 …,R k tương đương với một điện trở có công thức tính như sau:   kktd RRRRR 11 111 21 Hình 1.13 3.4 Biến đổi Δ – Υ và Υ – Δ: Khi phân tích mạch, người ta hay dùng phương pháp biến đổi Y/ Δ là phương pháp biếnv đổi các nhánh nối hình Y của mạch thành các nhánh nối hình Δ và ngược lại. Ba điện trở đấu Y là ba điện trở có 1 đầu đấu chung thành điểm trung tính O, đầu còn lại nối với các phần khác. Ký hiệu đầu dây là A, B, C. Các điện trở tương ứng là R A , R B , R C. A A R A R CA R AB   O R C R B C B R BC C B A R A   R CA R AB O R C R B C B R BC C B A Ba điện trở đấu Δ là ba điện trở trong đó mỗi điện trở sẽ đấu 2 đầu của mình với 2 điện trở còn lại tạo thành mạch vòng tam giác kín. a) Biến đổi Y thành Δ Hình 1.14 C BA BAAB R RR RRR .  A CB CBBC R RR RRR .  B AC ACCA R RR RRR .  b) Biến đổi Δ thành Y Hình 1.15 CABCAB CAAB A RRR RR R   . CABCAB BCAB B RRR RR R   . Y tâ . E . I . I Z J tâ . U . . . . E k . J tâ I . Y tâ U I . Z 1 Z k U . E 1 CABCAB CABC C RRR RR R   . 3.5 Biến đổi tương đương giữa nguồn áp và nguồn dòng: * Một nhánh gồm  E nối tiếp với tổng trở Z (nguồn sức điện động – sơ đồ Têvênin) tương đương với một sơ đồ gồm nguồn dòng  J nối song song với tổng dẫn Y (nguồn dòng điện - sơ đồ Norton) và ngược lại. Hình 1.16             JZ Y J E Y Z td td . 1             EY Z E J Z Y td td . 1 * Các nguồn áp gồm 1  E , Z 1 nối song song 2  E , Z 2 … với k E  , Z k tương đương với sơ đồ nguồn dòng td J  nối song song tổng dẫn Y td. Hình 1.17             k k ktd k ktd YEJJ Z YY 1 Từ hình 1.17 thấy có thể tìm một sơ đồ tương đương nguồn sức điện động td E  nối tiếp Z td như hình 1.18 như sau: E Z tâ tâ . U               k k k td td td td td Y YE Y J E Y Z 1 Hình 1.18 . CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN. 1. Mạch điện và mô hình: 1. 1 Mạch điện: Mạch điện là tập hợp các thiết bị điện nối với nhau bằng các dây dẫn (phần tử. Hình 1. 8 5. Phần tử thật: 2. Các khái niệm cơ bản trong mạch điện: 2 .1 Dòng điện và chiều qui ước của dòng điện: Dòng điện i về trị số bằng tốc độ biến thiên của lượng điện tích q. 3.3 Điện trở ghép nối tiếp, song song: Mạch điện gồm các điện trở nối tiếp R 1 R 2 …,R k tương đương với một điện trở R tđ = R 1 + R 2 +…+R k = ΣR k Hình 1. 12 Mạch điện