Khái niệm chung về dòng điện và mạch điện
1.1.1 Khái niệm chung về điện tích điện trường a Điện tích điện trường
Tất cả vật chất đều được hình thành từ nguyên tử, mỗi nguyên tử bao gồm một hạt nhân mang điện tích dương và các electron mang điện tích âm quay xung quanh Khi electron quay quanh hạt nhân, chúng ở trong trạng thái liên kết Tuy nhiên, electron có thể thoát khỏi hạt nhân, trở thành electron tự do và di chuyển hỗn loạn giữa các phân tử và nguyên tử.
Các nguyên tử thường ở trạng thái trung hòa về điện Khi một nguyên tử mất electron, nó trở thành ion dương Ngược lại, khi nguyên tử nhận thêm electron, nó sẽ trở thành ion âm Tất cả các điện tử, ion dương và ion âm đều được gọi chung là điện tích.
Các vật thể bình thường thường có trạng thái trung hòa điện, với điện tích dương và âm phân bố đều Điều này khiến cho đặc tính điện của chúng không thể hiện ra bên ngoài Tuy nhiên, khi sử dụng các tác nhân như phương pháp ma sát để thêm hoặc loại bỏ điện tử, vật thể sẽ mất đi tính trung hòa và trở thành vật tích điện.
Điện tích là lượng điện mà vật thể nhận thêm hoặc mất bớt, ký hiệu là q hoặc Q, với đơn vị là Culông (C) Đặc điểm chính của điện tích là khả năng tác dụng lực lên các điện tích khác: hút các điện tích trái dấu và đẩy các điện tích cùng dấu Xung quanh các điện tích tồn tại một không gian gọi là điện trường, nơi lực tác dụng lên các điện tích khác Mỗi điện tích đều tạo ra một điện trường, và điện trường của điện tích không chuyển động được gọi là trường tĩnh điện.
Cường độ điện trường là đại lượng đặc trưng cho độ mạnh của điện trường ký hiệu là : Q
F là lực điện trường tác động lên điện tích điểm, một vật thể có kích thước rất nhỏ so với khoảng cách giữa nó và nguồn điện tích tạo ra điện trường.
Cường độ điện trường là đại lượng véc tơ, vì vậy phương và chiều của nó trùng với phương và chiều của lực tác dụng lên điện tích dương.
Hình 1-1 minh họa véc tơ điện trường tại điểm M, được tạo ra bởi hai bản phẳng tích điện trái dấu +Q và -Q Để biểu diễn điện trường, người ta sử dụng đường sức điện trường, là những đường cong trong không gian mà tại mỗi điểm, tiếp tuyến của chúng trùng với véc tơ cường độ điện trường tại điểm đó.
Chiều của đường sức của điện trường là chiều ra khỏi điện tích dương và hướng tới điện tích âm
Nếu điện trường ở các điểm đều bằng nhau (cả phương và chiều) thì điện trường đó là điện trường đều c Điện áp
Hình 1.1: Véc tơ cường độ điện trường
Giả sử đặt điện tích điểm q tại điểm M trong điện trường đều có cường độ là nó sẽ chịu tác dụng một lực là F tính theo công thức:
Khoảng cách giữa hai điểm M và N, ký hiệu là l, không phụ thuộc vào cách di chuyển của điện tích q từ M đến N, tức là không liên quan đến quỹ đạo của điện tích Đại lượng đo công cần thiết để di chuyển một đơn vị điện tích từ M đến N được gọi là điện áp của điện trường, ký hiệu là U.
A Điện áp là đại lượng vô hướng Trong điện trường đều ta có : q l ql q
Từ đó ta xác định được cường độ của điện trường: l
Trong đó: U là điện áp đơn vị là Vôn(V); l là chiều dài đơn vị là mét (m)
Cường độ điện trường đơn vị là Vôn/mét (V/m) Ngoài đơn vị V/m người ta còn dùng đơn vị là V/cm
Khi đặt điện tích điểm q tại điểm M, nó sẽ di chuyển đến vị trí có cường độ điện trường bằng 0, tạo ra thế năng WM tại điểm M Tương tự, tại điểm N, điện tích sẽ có thế năng WN Đại lượng thể hiện khả năng sinh công của điện trường tại mỗi điểm được gọi là điện thế, ký hiệu là V Điện thế tại mỗi điểm chính là thế năng mà trường truyền cho một đơn vị điện tích điểm đặt tại vị trí đó.
Biết công di chuyển q từ M đến N bằng độ giảm thế năng từ M đến N;
Nghĩa là điện áp giữa hai điểm của trường bằng hiệu điện thế giữa hai điểm đó Vì thế điện áp còn được gọi là hiệu điện thế
1.1.2 Vật dẫn và điện môi a Vật dẫn
Vật dẫn là các chất chứa nhiều điện tích tự do, như kim loại, dung dịch điện ly và khí ion hoá, cho phép dòng điện di chuyển khi đặt trong điện trường Kim loại dẫn điện hiệu quả nhờ vào các điện tử tự do, bởi lớp điện tử ngoài cùng có ít điện tử liên kết yếu với hạt nhân, dễ dàng thoát ra khỏi nguyên tử Ngược lại, điện môi (chất cách điện) chỉ chứa rất ít điện tích tự do và thường không dẫn điện khi đặt trong điện trường; tuy nhiên, điện trường có thể làm lệch các điện tử, tạo ra lưỡng cực điện Giữa vật dẫn và điện môi là chất bán dẫn, có đặc tính dẫn điện thay đổi theo các yếu tố như điện trường, nhiệt độ, bức xạ và tạp chất.
Dòng điện - mạch điện
Dòng điện được định nghĩa là sự di chuyển của các điện tích trong điện trường, trong đó điện tích dương di chuyển từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp, trong khi điện tích âm di chuyển ngược lại, từ nơi có điện thế thấp đến nơi có điện thế cao Sự chuyển động này tạo thành dòng điện.
Vậy : Dòng điện là dòng các điện tích chuyển dời có hướng dưới tác dụng của điện trường
Chiều dòng điện được quy ước là hướng di chuyển của các điện tích dương, tức là từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp hơn, và điều này cũng đồng nghĩa với chiều của điện trường.
Trong kim loại, dòng điện được hình thành bởi sự di chuyển có hướng của các điện tử Các điện tử chuyển động từ vùng có điện thế thấp đến vùng có điện thế cao, do đó, chiều dòng điện tử ngược lại với chiều dòng điện quy ước.
Trong dung dịch điện ly, dòng điện được hình thành bởi sự chuyển động có hướng của các ion Dòng điện này bao gồm hai thành phần: dòng ion dương di chuyển theo chiều quy ước của điện trường và dòng ion âm di chuyển ngược lại với chiều quy ước.
Các ion dương, hay còn gọi là cation, sẽ di chuyển từ a nốt (cực dương) về ka tốt (cực âm), trong khi các ion âm, được gọi là anion, sẽ di chuyển từ ka tốt về a nốt.
Trong môi trường khí ion hóa, dòng điện là sự di chuyển có hướng của các điện tử, bao gồm các ion dương di chuyển từ anode đến cathode theo chiều điện trường, trong khi các ion âm và điện tử di chuyển ngược lại Cường độ dòng điện, ký hiệu là I, là đại lượng thể hiện độ lớn của dòng điện, được đo bằng đơn vị Ampe (A).
Cường độ dòng điện là lượng điện tích chuyển qua tiết diện thẳng của dây dẫn trong một đơn vị thời gian I Q t
Hình 1.3: Quy ước chiều của dòng điện
Trong đó: Q là điện tích chuyển qua tiết diện thẳng của dây dẫn trong thời gian t: đơn vị đo là cu lông (C); t là thời gian đơn vị là giây(s) : s
Bội số của Am pe là ki lô Am-pe (kA) còn ước số của Am- pe là mi li Am- pe(mA) và mi crô Am- pe (mA)
Khi điện tích di chuyển không đồng đều theo thời gian, sẽ xuất hiện dòng điện với cường độ thay đổi (ký hiệu là i) Trong khoảng thời gian rất nhỏ dt, nếu có một lượng điện tích dQ đi qua tiết diện dây, cường độ dòng điện được xác định bằng công thức dt = dQ/di.
Ví dụ 1: Trong thời gian t = 0,01s, tụ điện nạp được 10 -3 Cu lông trên cực Tìm giá trị trung bình của dòng điện nạp cho tụ ?
Tính giá trị trung bình của dòng điện :
Ví dụ 2: Một ác quy được nạp dòng điện 5A trong thời gian 8 giờ
Tìm điện lượng đã nạp vào ác quy?
Giải: Điện lượng đã nạp vào ác quy:
1.2.2 Mạch điện và các yếu tố của mạch điện
Mạch điện là hệ thống bao gồm tất cả các thiết bị cho phép dòng điện lưu thông Các thiết bị riêng lẻ được kết nối với nhau để hình thành mạch điện, được gọi là các phần tử của mạch điện Mạch điện bao gồm ba phần tử cơ bản: nguồn điện, vật tiêu thụ điện, và các thành phần kết nối.
(còn gọi là phụ tải hay tải), dây dẫn và các phần tử phụ trợ như thiết bị đóng cắt, đo lường, bảo vệ tự động vv
Hình vẽ để biểu diễn mạch điện bằng các ký hiệu quy ước gọi là sơ đồ mạch điện hay sơ đồ (hình 1- 4) a Nguồn điện
Nguồn điện là các thiết bị chuyển đổi năng lượng từ các dạng khác thành năng lượng điện, ví dụ như pin ác quy sử dụng năng lượng hóa học và máy phát điện chuyển đổi năng lượng cơ học Trong sơ đồ nguồn điện, sức điện động (ký hiệu E) được biểu thị với chiều dòng điện đi từ cực âm đến cực dương, kèm theo một điện trở trong (nội trở) ký hiệu r0.
Dây dẫn điện có vai trò quan trọng trong việc truyền tải năng lượng điện từ nguồn đến thiết bị tiêu thụ Trong sơ đồ điện, dây dẫn được biểu thị bằng một điện trở, cho thấy sự tiêu hao năng lượng trong quá trình truyền tải Thiết bị tiêu thụ điện là nơi năng lượng này được sử dụng, đóng góp vào hoạt động của các thiết bị điện trong cuộc sống hàng ngày.
Thiết bị tiêu thụ điện chuyển đổi năng lượng điện thành các dạng năng lượng khác như ánh sáng (đèn điện), nhiệt năng (bếp điện, lò điện) và cơ năng (động cơ) Trong sơ đồ, các tải như bếp điện, lò điện và đèn điện được biểu thị bằng một điện trở, ký hiệu là R.
Các thiết bị phụ trợ trong hệ thống điện bao gồm thiết bị đóng cắt như cầu dao, máy cắt điện và áp tô mát, giúp thực hiện việc đóng cắt mạch điện Ngoài ra, thiết bị bảo vệ như cầu chì và rơ le cũng đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ mạch điện Để theo dõi và đo lường các thông số điện, các dụng cụ đo như ampe mét và vôn mét được sử dụng rộng rãi.
Dòng điện trong các môi trường
1.3.1 Dòng điện trong kim loại a Bản chất dòng điện trong kim loại
Hình 1.4: Ký hiệu quy ước của mạch điện
Kim loại ở trạng thái rắn có cấu trúc mạng tinh thể, trong đó các ion dương dao động xung quanh vị trí cân bằng tại mỗi nút mạng Giữa các ion, điện tử tự do di chuyển một cách hỗn loạn do nhiệt độ.
Khi có điện trường tác động lên hai đầu của vật dẫn kim loại, các điện tử tự do sẽ bị ảnh hưởng bởi lực điện trường và di chuyển theo một hướng nhất định, ngược chiều với điện trường, từ đó tạo ra dòng điện trong kim loại.
Bản chất dòng điện trong kim loại là sự chuyển dời có hướng của các điện tử tự do dưới tác động của điện trường Dòng điện trong kim loại có nhiều ứng dụng quan trọng trong đời sống, từ việc cung cấp năng lượng cho thiết bị điện đến việc truyền tải thông tin qua mạng lưới điện.
Hiện tượng dẫn điện của kim loại là yếu tố quan trọng trong việc sản xuất dây dẫn điện và chế tạo pin nhiệt điện, cùng nhiều ứng dụng khác trong lĩnh vực kỹ thuật điện Chúng ta sẽ khám phá ứng dụng này trong việc chế tạo pin nhiệt điện.
Khi hai dây dẫn kim loại khác nhau được hàn lại với nhau và giữ cho hai mối hàn ở nhiệt độ khác nhau, một dòng điện được gọi là dòng nhiệt điện sẽ xuất hiện trong mạch Sự xuất hiện của dòng điện này chứng tỏ rằng có một sức điện động trong mạch, được gọi là sức nhiệt điện động Thiết bị được cấu tạo theo nguyên lý này được gọi là cặp nhiệt điện hay pin nhiệt điện.
Cặp nhiệt điện là thiết bị phổ biến được sử dụng để tạo ra điện và đo nhiệt độ Do sức điện động của cặp nhiệt điện kim loại thường rất nhỏ, nên người ta thường ghép nối tiếp nhiều cặp nhiệt điện để tăng cường sức điện động Hiện nay, cặp nhiệt điện bán dẫn đang được ưa chuộng vì có sức điện động lớn hơn nhiều so với cặp nhiệt điện kim loại.
Hiệu điện thế tiếp xúc tại mối hàn của cặp nhiệt điện phụ thuộc vào nhiệt độ của mối hàn đó, do đó việc đo hiệu điện thế này cho phép xác định nhiệt độ Hiệu điện thế tiếp xúc được đo bằng milivôn mét, và trên bảng chia độ milivôn mét thường đã ghi sẵn giá trị tương ứng.
Hình 1.5: nút mạng có ion dương dao động quanh vị trí cân bằng
14 trị của nhiệt độ tương ứng Cặp nhiệt điện cho phép đo nhiệt độ trong những khoảng rất rộng, với độ chính xác cao
1.3.2 - Dòng điện trong chất điện phân a Bản chất dòng điện trong chất điện phân
Nhúng hai điện cực bằng than chì vào dung dịch đồng sunfát (CuSO4) và cho dòng điện một chiều đi qua Sau vài phút, một lớp đồng mỏng sẽ hình thành trên cực âm.
Như vậy khi dòng điện đi qua dung dịch đồng sunfát đã giải phóng ra đồng ở cực âm ta bảo đó là hiện tượng điện phân
Theo thuyết điện ly trong dung dịch ta có:
Khi chưa có tác dụng của điện trường các ion này chuyển động hỗn loạn vận tốc của chuyển động phụ thuộc vào nhiệt độ
Khi có tác dụng của điện trường các ion chịu tác dụng của lực điện trường chuyển dời theo một hướng xác định tạo nên dòng điện
* Kết luận: Bản chất của dòng điện trong chất điện phân là dòng chuyển dời có hướng của các ion dưới tác dụng của điện trường b Ứng dụng
Luyện kim là quá trình tinh chế kim loại dựa trên hiện tượng điện phân Ví dụ, để thu được đồng có độ sạch cao, người ta sử dụng phương pháp điện phân sau khi nấu luyện, trong đó đồng nguyên chất sẽ bám vào cực âm, trong khi các tạp chất sẽ lắng xuống đáy.
Mạ điện là một phương pháp điện phân nhằm phủ lên bề mặt kim loại một lớp kim loại khác có khả năng chống ăn mòn hiệu quả Trong quá trình này, vật cần mạ được sử dụng làm cực âm, trong khi kim loại được dùng để mạ làm cực dương Chất điện phân trong quá trình này là dung dịch chứa muối của kim loại.
Hình 1.6: Dòng điện trong chất điện phân
15 dùng để mạ Hiện nay việc mạ vàng, mạ bạc và nhất là mạ kền bằng cách này rất phổ biến
Đúc điện là một phương pháp chính xác, tương tự như mạ điện, trong đó khuôn đúc hoạt động như cực âm và kim loại cần đúc là cực dương, với dung dịch điện phân là muối của kim loại đó Khi áp dụng điện áp vào hai cực, kim loại sẽ kết thành lớp trên khuôn, độ dày của lớp này phụ thuộc vào thời gian điện phân Sau khi quá trình hoàn tất, lớp kim loại được tách ra khỏi khuôn để tạo thành sản phẩm cuối cùng Phương pháp đúc điện thường được sử dụng để chế tạo các khuôn đĩa hát và bản in.
1.3.3 Dòng điện trong chất khí a Bản chất dòng điện trong chất khí
Thí nghiệm cho thấy khi đặt hai tấm kim loại song song trong không khí và kết nối với nguồn điện một chiều, mạch không có dòng điện, chứng tỏ rằng không khí ở điều kiện bình thường không dẫn điện.
Khi ta đốt nóng hoặc dùng các loại bức xạ khác (tia tử ngoại tia
Rơnghen ) tác động vào môi trường khí trong mạch có dòng điện Như vậy khi nhiệt độ tăng lên không khí đã dẫn điện
Trong điều kiện bình thường, chất khí chủ yếu được cấu thành từ các nguyên tử hoặc phân tử trung hòa điện, do đó chất khí không dẫn điện và được coi là điện môi.
Khi nhiệt độ tăng, vận tốc chuyển động của các phân tử khí cũng tăng, dẫn đến sự phân tách thành các ion dương và êlectrôn tự do Các êlectrôn này có thể di chuyển tự do hoặc kết hợp với các nguyên tử trung hòa khác để tạo thành ion âm Dưới tác dụng của điện trường bên ngoài, ion dương di chuyển theo chiều điện trường, trong khi ion âm và êlectrôn di chuyển ngược lại, tạo ra dòng điện trong chất khí.
Hình 1.7: Thí nghiệm dòng điện trong chất khí
Bản chất của dòng điện trong chất khí là dòng chuyển dời có hướng của các ion và êlectrôn dưới tác dụng của điện trường b Ứng dụng
* Sự phóng điện phát sáng
Khi ion dương và electron va chạm, chúng có thể kết hợp để tạo thành một phân tử trung hòa, hiện tượng này được gọi là sự kết hợp ion.
Sự ion hoá tiêu thụ năng lượng
Định luật ôm
Định luật Ôm mô tả mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp trong một đoạn mạch Cụ thể, định luật này chỉ ra rằng dòng điện chạy qua đoạn mạch tỷ lệ thuận với điện áp đặt vào hai đầu của nó.
Giả sử điện áp U đặt vào hai đầu đoạn mạch (vật dẫn) dài l, nó sẽ tạo ra điện trường đều có cường độ là: l
Dưới tác dụng của điện trường, các phân tử điện dẫn tạo thành dòng điện, với mật độ dòng điện tỷ lệ thuận với cường độ điện trường Mật độ dòng điện được xác định bởi công thức = , trong đó là mật độ dòng điện và là điện dẫn suất, phụ thuộc vào tính chất dẫn điện của vật liệu Vật liệu có điện dẫn suất cao sẽ dẫn điện tốt hơn.
Ở đây g được gọi là điện dẫn suất của đoạn mạch: l g s
Dòng điện qua một đoạn mạch tỷ lệ thuận với điện áp giữa hai đầu và điện dẫn của đoạn mạch đó, đây chính là định luật Ôm Đối với đoạn mạch, nghịch đảo của điện dẫn suất được gọi là điện trở, được ký hiệu là R.
1 1 ở đây (rô) = 1 gọi là điện trở suất của vật liệu Từ đó ta có thể viết:
Định luật Ohm xác định rằng dòng điện chạy qua một mạch điện tỷ lệ thuận với điện áp ở hai đầu mạch và tỷ lệ nghịch với điện trở của mạch Ngoài ra, điện trở còn phụ thuộc vào nhiệt độ, ảnh hưởng đến khả năng dẫn điện của vật liệu.
* Đơn vị của điện trở và điện dẫn
Từ công thức của định luật Ôm ta có:
Nếu cho U = 1V ; I = 1A thì R = 1 Đơn vị điện trở trong hệ SI gọi là ôm ký hiệu (ô mê ga)
Điện trở 1 Ôm là giá trị cần thiết để duy trì dòng điện 1A khi áp dụng điện áp 1V Đơn vị điện dẫn, được ký hiệu là si men (s), là nghịch đảo của đơn vị điện trở.
Si men là điện dẫn của một đoạn mạch khi đặt vào điện áp 1V nó có dòng điện 1A đi qua
Bội và ước số của là k ; Mê ga ôm (M ); mi li ôm (m ); mi crô ôm ()
Ví dụ: Khi đặt vào mạch một điện áp U = 12Vdòng điện đi qua đoạn mạch là 2A Tính điện trở và điện dẫn của đoạn mạch :
Giải: Điện trở của đoạn mạch là:
R U Điện dẫn của đoạn mạch là:
* Bản chất của điện trở
Dòng điện là sự chuyển động có hướng của các điện tích trong vật dẫn Khi các điện tích này di chuyển, chúng va chạm với các phân tử và nguyên tử, dẫn đến việc truyền bớt động năng cho chúng Mức độ va chạm này chính là biểu hiện của điện trở trong vật dẫn.
Tiết diện dây dẫn lớn giúp điện tích di chuyển dễ dàng, dẫn đến điện trở giảm Ngược lại, chiều dài dây dẫn tăng làm điện tích gặp nhiều cản trở hơn, do đó điện trở tăng theo chiều dài vật dẫn.
Mật độ điện tích tự do cao trong vật dẫn giúp tăng khả năng dẫn điện, đồng nghĩa với việc điện trở suất (ρ) sẽ giảm Do đó, điện trở của vật dẫn còn phụ thuộc vào loại vật liệu được sử dụng.
Điện trở (R) của một vật dẫn được xác định bởi mối quan hệ giữa chiều dài (l), tiết diện và loại vật liệu Cụ thể, điện trở tỷ lệ thuận với chiều dài và tỷ lệ nghịch với tiết diện Từ đó, ta có thể rút ra điện trở suất của vật liệu.
Điện trở suất của vật liệu được xác định bằng điện trở của một vật dẫn có tiết diện 1 đơn vị diện tích và chiều dài 1 đơn vị dài, với s = 1 và l = 1.
Nếu s đo bằng m 2 , l đo bằng m, R đo bằng ôm thì đơn vị của điện trở suất là:
Trong thực tế s thường đo bằng mm 2 đơn vị của là: mm 2 / m 10 -6 m
Ví dụ : Tính điện trở của 1km dây đồng có tiết diện là: 2,5 mm 2 ; = 0,0172 mm 2 / m l
* Sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ
Khi nhiệt độ kim loại tăng, chuyển động nhiệt của các phân tử vật chất cũng tăng, dẫn đến việc các điện tử trong kim loại va chạm nhiều hơn, làm tăng điện trở của vật liệu Đối với kim loại nguyên chất, điện trở sẽ tăng khi nhiệt độ tăng Tuy nhiên, các hợp kim như manganin và constantan có hệ số nhiệt điện trở rất nhỏ, do đó điện trở của chúng ít thay đổi theo nhiệt độ, thường được sử dụng để chế tạo các điện trở mẫu và điện trở có trị số biến thiên Ngược lại, đối với dung dịch điện phân và than, điện trở sẽ giảm khi nhiệt độ tăng.
Mắc nối tiếp các điện trở là phương pháp kết nối mà chỉ có một dòng điện duy nhất chạy qua tất cả các điện trở, tạo thành một mạch không phân nhánh Theo định luật Ôm, ta có thể áp dụng cho từng điện trở trong mạch để tính toán điện áp và dòng điện.
U1= I R1; U2 = I R2 ; U3 = I R3 Điện áp giáng trên mỗi điện trở mắc nối tiếp tỷ lệ với trị số điện trở:
U1: U2: U3 = R1: R2: R3 Điện áp trên mỗi đoạn mạch là hiệu của điện thế điểm đầu và điểm cuối:
U1= A - B ; U2= B - C ; U3 = C - D Điện áp chung đặt vào các điện trở:
Hình 1.8: Điện trở mắc nối tiếp
Điện áp chung được đặt vào các điện trở theo chiều từ điểm có điện thế cao hơn đến điểm có điện thế thấp hơn, tức là cùng chiều với dòng điện gây ra sụt áp Khi chiều dòng điện chưa xác định, ta có thể giả định một chiều và coi điện áp theo chiều đã chọn Để đơn giản hóa việc tính toán và phân tích mạch, các điện trở nối tiếp thường được thay thế bằng một điện trở tương đương, tức là điện trở này không làm thay đổi dòng điện trong mạch Gọi R là điện trở tương đương, như đã mô tả trong hình 1-9.
Trường hợp tổng quát điện trở tương đương của toàn mạch gồm n điện trở mắc ối tiếp bằng tổng các điện trở đó:
Nếu n điện trở có trị số như nhau điện trở tương đương sẽ là:
RTM= nR Công suất tiêu thụ trên các điện trở
Nghĩa là : Công suất tiêu thụ trên từng điện trở tỷ lệ với trị số điện trở đó
Công suất cung cấp chung cho nhánh :
Cần ít nhất là bao nhiêu bóng đèn 24V- 12 W mắc nối tiếp để đặt vào điện áp U= 220V Tính điện trở tương đương và dòng điện qua mạch
Bóng đèn 24V không thể kết nối trực tiếp với điện áp 220V, do đó cần mắc nối tiếp nhiều bóng đèn để đảm bảo mỗi bóng nhận điện áp không vượt quá 24V, đây là điện áp định mức của bóng Việc sử dụng các bóng đèn giống nhau sẽ giúp đảm bảo tính đồng nhất trong hệ thống.
22 nên khi mắc nối tiếp, điện áp đặt vào bóng là như nhau Vậy số bóng cần mắc nối tiếp là: n ≥ 9 , 6
220 n = 10 bóng Điện trở của mỗi bóng:
U Điện trở của toàn mạch là:
R = n Rd = 10 48 = 480 Dòng điện trong mạch là :
* Mắc song song các điện trở
Mắc song song các điện trở là phương pháp kết nối mà tất cả các điện trở đều chịu cùng một điện áp Cách mắc này tạo thành các nhánh, trong đó mỗi điện trở đóng vai trò như một nhánh riêng biệt.
Công suất và năng lượng điện
Nguồn điện F có sức điện động E điện trở trong r0 với một tải điện trở R (hình1.13)
Dưới tác động của lực trường từ nguồn điện, các điện tích di chuyển qua nguồn và mạch ngoài, hình thành dòng điện I Công của lực trường ngoài tương đương với công của nguồn điện khi di chuyển một điện tích q qua nguồn.
Hình 1.12: Mắc song song nguồn điện
Thay vào trên ta có : An= E.I.t
Theo định luật bảo toàn và biến hóa năng lượng, công của nguồn sẽ chuyển hóa thành các dạng năng lượng khác tại các phần trở trong mạch, đặc biệt là ở tải R và điện trở trong r0 của nguồn.
Gọi điện áp trên tải là U, năng lượng do điện tích q thực hiện khi qua tải sẽ là:
Còn một phần năng lượng sẽ tiêu tan bên trong nguồn dưới dạng nhiệt :
Hiệu giữa s.đ.đ nguồn với điện áp trên hai cực của nó gọi là điện áp giáng (sụt áp) bên trong nguồn Ký hiệu U 0
Từ đó ta có phương trình cân bằng s.đ.đ trong mạch:
Vậy s.đ.đ của nguồn điện bằng tổng điện áp trên hai cực nguồn với sụt áp bên trong nguồn
Sụt áp bên trong nguồn, theo định luật Ôm sẽ tỷ lệ với dòng điện qua nguồn:
U0 = I r0 (r0 là điện trở trong của nguồn)
Khi nguồn hở mạch I = 0 U0 = 0 Ut = En Với s.đ.đ nguồn bằng điện áp trên hai cực nguồn khi hở mạch Vì thế có thể đo s.đ.đ bằng
V- mét mắc vào hai cực nguồn đang hở mạch (không tải)
Tỷ số giữa công A và thời gian thực hiện t gọi là công suất P:
Công suất được định nghĩa là tốc độ thực hiện công trong một khoảng thời gian nhất định Bởi vì công phản ánh sự biến đổi năng lượng, công suất chính là tốc độ mà năng lượng được biến đổi theo thời gian.
Nếu công thực hiện không đều theo thời gian thì tốc độ thực hiện công(tức công suất) xác định như sau : Xét trong thời gian vô cùng bé
Từ định nghĩa trên ta có:
- Công suất nguồn (còn gọi là công suất phát):
- Công suất tổn hao trong nguồn :
Ta có phương trình cân bằng công suất trong mạch:
Trong hệ đơn vị S I : E & U đơn vị đo là Vôn(V);
I đơn vị đo là Ampe t đơn vị đo là giây (s)
A đơn vị đo là Jun (J)
P đơn vị đo là Oát (W) 1W = V A s
Oát là đơn vị đo công suất, tương đương với 1J được thực hiện trong 1 giây Trong mạch điện, Oát thể hiện công suất của dòng điện 1 Ampe khi đi qua một đoạn mạch có điện áp 1 Vôn.
Bội số của Oát là héc tô Oát (1hW), ki lô Oát (kW) Mê ga Oát (MW) ước số là mi li Oát (mW)
Trong thực tế, đơn vị đo lường công của dòng điện (điện năng) bao gồm Oát giờ (Wh), héc tô Oát giờ (hWh), ki lô Oát giờ (kWh) và Mê ga Oát giờ (MWh).
MWh )Oát- giờ là là công của dòng điện có công suất là 1W thực hiện trong 1 giờ:
Để tính dòng điện qua bóng đèn có công suất 75W và điện áp 220V, ta sử dụng công thức I = P/V, trong đó I là dòng điện, P là công suất và V là điện áp Kết quả cho thấy dòng điện là 0,34A Nếu sử dụng đèn trong 6 giờ mỗi ngày trong 30 ngày, tổng số giờ sử dụng sẽ là 180 giờ Với giá điện 600 đồng/kWh, chi phí điện cho bóng đèn này trong một tháng sẽ là 108.000 đồng.
- Dòng điện qua bóng đèn là:
- Điện năng bóng đèn tiêu thụ trong 1 tháng là :
- Tiền điện phải trả trong 1 tháng là : 13,5 600 đ = 8.100đ
Biến đổi điện năng thành nhiệt năng
1.6.1 Định luật Jun - Len Xơ
Dòng điện là sự chuyển động có hướng của các điện tích, khi chúng di chuyển trong vật dẫn, các điện tích va chạm với phân tử của vật dẫn, làm mất đi một phần động năng và khiến các phân tử tăng cường mức chuyển động nhiệt Hệ quả là vật dẫn bị đốt nóng, thể hiện tác dụng phát nhiệt của dòng điện.
Gọi điện trở vật dẫn là R Khi đặt vào điện áp U dòng điện được xác định theo định luật ôm :
Công suất tiếp nhận trên vật dẫn là:
Công này được truyền cho vật dẫn được chuyển thành nhiệt Biết đương lượng công của nhiệt là:
1J = 0,24 calo; nên ta có: Q = 0,24 A = 0,24 I 2 R.t (calo)
Nhiệt lượng do dòng điện toả ra trong vật dẫn tỷ lệ với bình phương dòng điện, với điện trở vật dẫn và thời gian duy trì dòng điện
Tác dụng nhiệt của dòng điện được ứng dụng rộng rãi trong việc chế tạo các thiết bị đốt nóng như đèn sợi tóc, bếp điện, mỏ hàn và bàn là Mỗi dây dẫn đều có điện trở, dẫn đến việc tiêu tán điện năng dưới dạng nhiệt, gọi là năng lượng tổn hao, điều này làm giảm hiệu suất của thiết bị Hơn nữa, nhiệt lượng tỏa ra có thể làm nóng vật dẫn, gây hư hỏng cách điện, thậm chí dẫn đến cháy nổ.
1.6.2 Phụ tải cho phép của dây dẫn
Dòng điện đi qua dây dẫn sinh nhiệt, khiến dây dẫn nóng lên Khi nhiệt độ của dây dẫn tăng, nhiệt sẽ truyền ra môi trường xung quanh Mức độ truyền nhiệt tăng theo nhiệt độ dây, cho đến khi dây dẫn đạt nhiệt độ ổn định Tại nhiệt độ này, nhiệt lượng do dòng điện tỏa ra sẽ bằng với lượng nhiệt mà dây dẫn truyền ra môi trường trong một đơn vị thời gian Nhiệt độ ổn định này phụ thuộc vào cường độ dòng điện qua dây và điều kiện tỏa nhiệt của dây.
Mỗi loại dây dẫn có một nhiệt độ giới hạn gọi là nhiệt độ cho phép, phụ thuộc vào cấu trúc dây, chất liệu cách điện và kích thước dây Dòng điện ổn định qua dây dẫn, được gọi là dòng điện cho phép (Icp hay Iđm), phải không vượt quá mức này để tránh tình trạng quá tải Khi dòng điện vượt quá giới hạn cho phép, nhiệt độ dây có thể tăng cao, dẫn đến nguy cơ hỏng hóc Để bảo vệ dây khỏi hư hại, thời gian duy trì dòng điện quá tải cần phải ngắn, và mức độ quá tải càng lớn thì thời gian an toàn càng nhỏ.
Bảng 1- 1: Trị số dòng điện cho phép của dây đồng bọc cách điện
Dòng điện cho phép lớn nhất(A)
Dòng điện cho phép lớn nhất(A)
Dòng điện cho phép lớn nhất(A)
Trong mạch điện với điện áp U = 220V, khi mắc 20 bóng đèn có công suất 60W mỗi bóng, cần xác định tiết diện dây đồng bọc cách điện phù hợp để dẫn dòng điện cho các bóng đèn này.
P = 60 20 = 1200W Dòng điện qua mạch là :
Tra bảng ta chọn dây có tiết diện là 0,5 mm 2
1.6.3 Bảo vệ quá tải cho dây dẫn
Dòng điện qua dây dẫn có thể vượt quá mức cho phép, đặc biệt khi hai cực AB của mạch điện bị nối tắt, dẫn đến hiện tượng ngắn mạch Dòng điện ngắn mạch có thể lớn gấp nhiều lần so với dòng cho phép, gây ra hiệu ứng phát nhiệt và lực, làm hỏng dây dẫn và thiết bị Để bảo vệ dây dẫn và thiết bị khỏi quá tải, người ta sử dụng các thiết bị bảo vệ như cầu chì và rơ le Cầu chì có bộ phận chính là dây chảy, được nối tiếp với mạch và làm từ kim loại dễ nóng chảy như chì, hợp kim chì, thiếc hay nhôm Khi dòng điện vượt quá giới hạn cho phép, dây chảy sẽ bị đốt nóng và chảy đứt để ngắt mạch, đảm bảo an toàn cho hệ thống điện Tiết diện dây được chọn dựa trên các điều kiện tính toán cụ thể.
Dòng điện là sự chuyển động có hướng của các điện tích dưới tác động của điện trường Trong kim loại, các điện tích này chủ yếu là điện tử tự do, trong khi ở chất khí, chúng bao gồm cả ion và điện tử tự do, và trong chất điện phân, chủ yếu là các ion Theo quy ước, chiều của dòng điện được xác định theo hướng chuyển động của các điện tích dương.
Cường độ dòng điện là đại lượng đặc trưng cho độ lớn của dòng điện:
Q khi dòng điện đi vào dây dẫn gặp phải sự cản trở đó là điện trở của dây dẫn Ta có: R =
S l Trong một đoạn mạch dòng điện tỷ lệ với điện áp ở hai đầu đoạn mạch và tỷ lệ nghịch với điện trở của toàn mạch:
Trong mạch điện, khi ghép các điện trở nối tiếp, dòng điện qua mỗi điện trở là không đổi Để giảm điện áp đặt vào phụ tải so với điện áp nguồn, ta sử dụng cách mắc nối tiếp Ngược lại, nếu muốn điện áp trên mỗi phụ tải bằng điện áp nguồn, ta áp dụng cách mắc song song Đặc biệt, trong mạch nối tiếp, điện áp trên mỗi điện trở tỷ lệ thuận với giá trị của điện trở đó.
Trong mạch điện mắc song song, dòng điện tỷ lệ nghịch với độ lớn của các điện trở Nguồn điện cũng có điện trở, vì vậy khi tính toán dòng điện trong mạch có nguồn điện với điện trở đáng kể, ta sử dụng công thức: I.
Khi điện áp của một nguồn nhỏ hơn yêu cầu cung cấp cho các phụ tải, cần mắc nối tiếp các nguồn điện lại với nhau Đối với các phụ tải cần dòng điện lớn, có thể mắc song song các nguồn điện Điện năng tiêu thụ trên một đoạn mạch được tính bằng công thức A = Q.U, trong khi công suất của đoạn mạch được xác định bằng P = U.I Khi điện năng chuyển hóa hoàn toàn thành nhiệt năng, ta có những kết quả đáng chú ý về hiệu suất năng lượng.
CHƯƠNG I: MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU 6
Chương 1 cung cấp cái nhìn tổng quan về dòng điện và mạch điện, bắt đầu với khái niệm chung về dòng điện và mạch điện, sau đó đi sâu vào mối quan hệ giữa chúng Nội dung tiếp theo khám phá dòng điện trong các môi trường khác nhau và ứng dụng của định luật Ôm trong việc phân tích mạch điện Ngoài ra, chương còn đề cập đến công suất và năng lượng điện, cũng như quá trình biến đổi điện năng thành nhiệt năng Cuối cùng, chương 1 được tóm tắt và kèm theo bài tập để củng cố kiến thức.
Chương 2 trình bày về điện từ và cảm ứng điện từ, với các khái niệm cơ bản và ứng dụng của chúng Trong Chương 3, chúng ta sẽ tìm hiểu về dòng điện xoay chiều hình sin một pha, bao gồm các đại lượng đặc trưng, mạch điện thuần trở, thuần cảm, thuần dung, và mạch điện R, L, C mắc nối tiếp Chương 4 giới thiệu khái niệm về mạch điện xoay chiều ba pha, cách mắc nguồn điện và phụ tải theo hình sao cũng như hình tam giác, cùng với công suất trong mạch ba pha.
Mạch điện với điện áp U = 220V cung cấp cho tải có điện trở R = 25Ω trong 3 giờ Để tính công suất của tải, ta sử dụng công thức P = U²/R, từ đó suy ra P = 220²/25 = 1936W Tiếp theo, điện năng tiêu thụ trong 3 giờ là E = P × t = 1936W × 3h = 5808Wh = 5.808kWh Cuối cùng, với giá tiền điện là 2500đ/kWh, số tiền điện phải trả là 5.808kWh × 2500đ/kWh = 14520đ.
Mạch điện gồm ba điện trở R1 = 30 ; R2 = 20 ; R3 = 50 ; mắc nối tiếp và mắc vào lưới điện có điện áp U = 220(V)
Tính: a) Dòng điện trong mạch ; điện áp đặt vào mỗi điện trở b) Công suất mỗi điện trở tiêu thụ và công suất của toàn mạch
Mạch điện gồm ba điện trở R1 = 80 ; R2 = 60 ; R3 = 100 ; mắc song song và mắc vào lưới điện có điện áp U = 220(V)
Dòng điện trong toàn mạch được xác định bởi dòng điện qua từng điện trở và điện trở tổng của mạch Đồng thời, công suất tiêu thụ của mỗi điện trở cũng như công suất tổng của toàn mạch cần được tính toán để hiểu rõ hiệu suất hoạt động của hệ thống điện.
Mạch điện gồm có nguồn điện E = 36 (V); r0 = 0,3 ; cung cấp cho phụ tải điện trở R1 = 25 qua một đường dây làm bằng đồng, tiết diện s
= 16 mm 2 ; dài l = 600 m Cho cu = 0,0175 mm 2 /m
Trong quá trình tính toán điện trở của đường dây và dòng điện trong mạch, cần chú ý đến điện áp trên hai cực của nguồn và tải, cũng như sụt áp trong nguồn và trên đường dây Bên cạnh đó, việc xác định công suất của nguồn, công suất của tải và tổn thất công suất trên đường dây cũng rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả hoạt động của hệ thống điện.
Cho mạch điện như hình vẽ: (Hình
Tính dòng điện qua mỗi điện trở khi K đóng và mở
ĐIỆN TỪ VÀ CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ 35 2.1 Điện từ
DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU HÌNH SIN MỘT PHA 55 3.1 Khái niệm
Các đại lượng đặc trưng cho dòng điện xoay chiều hình sin
Một mạch điện với điện áp U = 220V cung cấp cho tải có điện trở R = 25Ω trong 3 giờ Để tính công suất của tải, ta sử dụng công thức P = U^2/R, từ đó công suất là 1936W Điện năng tiêu thụ trong 3 giờ là E = P * t = 1936W * 3h = 6,976kWh Với giá tiền điện 2500đ/kWh, tổng tiền điện phải trả là 6,976kWh * 2500đ/kWh = 17,440,000đ.
Mạch điện gồm ba điện trở R1 = 30 ; R2 = 20 ; R3 = 50 ; mắc nối tiếp và mắc vào lưới điện có điện áp U = 220(V)
Tính: a) Dòng điện trong mạch ; điện áp đặt vào mỗi điện trở b) Công suất mỗi điện trở tiêu thụ và công suất của toàn mạch
Mạch điện gồm ba điện trở R1 = 80 ; R2 = 60 ; R3 = 100 ; mắc song song và mắc vào lưới điện có điện áp U = 220(V)
Trong mạch điện, cần tính toán dòng điện trong toàn mạch cũng như dòng điện qua từng điện trở Bên cạnh đó, việc xác định điện trở của toàn mạch cũng rất quan trọng Hơn nữa, công suất tiêu thụ của mỗi điện trở và công suất tổng của toàn mạch cũng cần được tính toán để đánh giá hiệu suất hoạt động của hệ thống điện.
Mạch điện xoay chiều thuần trở - thuần cảm - thuần dung
Mạch điện có điện áp 220V cung cấp cho tải có điện trở 25Ω trong 3 giờ Để tính công suất của tải, ta sử dụng công thức P = U²/R, từ đó công suất là 1936W Điện năng tiêu thụ trong 3 giờ là 6.96 kWh, và với giá tiền điện là 2500đ/kWh, tổng tiền điện phải trả là 17,400đ.
Mạch điện gồm ba điện trở R1 = 30 ; R2 = 20 ; R3 = 50 ; mắc nối tiếp và mắc vào lưới điện có điện áp U = 220(V)
Tính: a) Dòng điện trong mạch ; điện áp đặt vào mỗi điện trở b) Công suất mỗi điện trở tiêu thụ và công suất của toàn mạch
Mạch điện gồm ba điện trở R1 = 80 ; R2 = 60 ; R3 = 100 ; mắc song song và mắc vào lưới điện có điện áp U = 220(V)
Dòng điện trong toàn mạch và qua từng điện trở được xác định để tính toán điện trở tổng của mạch Đồng thời, công suất tiêu thụ của mỗi điện trở cũng như công suất tổng của toàn mạch cần được tính toán để đánh giá hiệu suất hoạt động.
Mạch điện gồm có nguồn điện E = 36 (V); r0 = 0,3 ; cung cấp cho phụ tải điện trở R1 = 25 qua một đường dây làm bằng đồng, tiết diện s
= 16 mm 2 ; dài l = 600 m Cho cu = 0,0175 mm 2 /m
Trong bài viết này, chúng ta sẽ tính toán các yếu tố quan trọng trong mạch điện, bao gồm điện trở của đường dây và dòng điện trong mạch Đồng thời, chúng ta cũng sẽ xác định điện áp trên hai cực của nguồn và tải, cũng như sụt áp trong nguồn và trên đường dây Cuối cùng, việc tính công suất của nguồn, công suất của tải và tổn thất công suất trên đường dây và bên trong nguồn sẽ được thực hiện để đảm bảo hiệu quả hoạt động của hệ thống điện.
Cho mạch điện như hình vẽ: (Hình
Tính dòng điện qua mỗi điện trở khi K đóng và mở
CHƯƠNG 2: ĐIỆN TỪ VÀ CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ
Mã chương: MH10 – 02 Giới thiệu:
Dòng điện tạo ra từ trường, do đó, việc nghiên cứu các đại lượng đặc trưng và tính chất cơ bản của từ trường là rất quan trọng Điều này giúp chúng ta hiểu rõ hơn về các ứng dụng thực tế của từ trường trong lĩnh vực nghề nghiệp của mình.
Học xong chương này người học có khả năng:
Từ trường là một khái niệm cơ bản trong vật lý, đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng thực tiễn Hiểu rõ bản chất của từ trường giúp ta nhận diện và khai thác hiệu quả các thiết bị điện, từ động cơ điện đến máy phát điện Việc nắm vững kiến thức về từ trường không chỉ giúp cải thiện hiệu suất của các thiết bị mà còn mở ra cơ hội phát triển công nghệ mới trong tương lai.
- Giải thích được các khái niệm cơ bản về từ trường, các đại lượng từ cơ bản và lực điện từ trong các trường hợp khác nhau
- Rèn luyện khả năng tư duy trừu tượng về từ trường của dòng điện với ứng dụng của nó
2.1.1 Đại cương về từ trường a Khái niệm về từ trường
Mỗi nam châm đều có hai cực từ: cực bắc (N) và cực nam (S), với các cực cùng tên đẩy nhau và khác tên hút nhau Khi đặt nhiều kim nam châm xung quanh một thanh nam châm, ta nhận thấy trục của các kim nam châm có phương hướng khác nhau Tuy nhiên, khi di chuyển thanh nam châm, tất cả các kim nam châm sẽ đồng hướng theo phương Bắc - Nam địa lý.
Như vậy xung quanh nam châm đă có môi trường vật chất đặc biệt gọi là từ trường và được đặc trưng bằng những biểu hiện sau:
- Lực tác dụng lên kim nam châm nhỏ đặt trong từ trường làm cho kim nam châm quay và theo một hướng nhất định
- Lực tác dụng lên dây dẫn có dòng điện đặt trong từ trường hoặc điện tích đang chuyển động trong từ trường
- Sức điện động cảm ứng vào một vòng dây hoặc thanh dẫn chuyển động trong từ trường b Đường sức của từ trường
Từ trường được biểu diễn qua các đường sức từ, là những đường cong mà tại mỗi điểm, tiếp tuyến của chúng trùng với phương của từ trường Chiều của đường sức tại từng điểm cũng tương ứng với chiều của từ trường tại điểm đó, đặc biệt là trong trường hợp của nam châm vĩnh cửu.
Từ trường của thanh nam châm vĩnh cửu có hình dạng đặc trưng, với chiều đường sức đi ra từ cực bắc và đi vào cực nam Khi hai cực nam châm đặt gần nhau, các đường sức từ sẽ song song và cách đều nhau, tạo thành một từ trường đều.
2.1.2 Từ trường của dòng điện a Thí nghiệm (hình 2 - 2) Đặt một dây dẫn song song với một kim nam châm, kim nam châm có thể quay tự do trên một mũi nhọn Cho dòng điện chạy qua dây dẫn kim nam châm quay lệch đi một góc Bỏ dòng điện đi kim nam châm quay về vị trí ban đầu Đổi chiều dòng điện chiều quay kim nam châm ngược với chiều quay ban đầu
Hình 2.1: Từ trường của nam châm vĩnh cửu
Hình 2.2: Thí nghiệm từ trường của dòng điện
Dòng điện chạy qua dây dẫn tạo ra một lực tác động lên kim nam châm trong không gian xung quanh, và không gian này được gọi là từ trường của dòng điện.
Dòng điện đi qua dây dẫn đã tạo ra xung quanh dây dẫn một từ trường
2.1.3 Từ trường của một số dây dẫn mang dòng điện a Từ trường của dây dẫn thẳng mang dòng điện Đường sức từ của dòng điện trong dây dẫn thẳng (hình 2.3) là những vòng tròn đồng tâm nằm trong mặt phẳng vuông góc với dây dẫn, tâm vòng tròn nằm ở trục dây dẫn Chiều của đường sức được xác định theo quy tắc vặn nút chai
Để xác định chiều đường sức từ trong vòng dây tròn mang dòng điện, ta áp dụng quy tắc vặn nút chai: chiều tiến của cái vặn nút chai theo chiều dòng điện tương ứng với chiều quay của từ trường Đường sức từ của dòng điện trong vòng dây là những đường cong khép kín, nằm trong mặt phẳng pháp tuyến đi qua tâm vòng dây, với đường sức đi qua tâm là một đường thẳng trùng với trục của vòng dây.
Hình 2.3: Từ trường của dòng điện trong dây dẫn thẳng
Hình 2.4: Từ trường của vòng dây và ống dây mang dòng điện
Quy tắc xác định chiều của dòng điện trong ống dây hình trụ là quay cái vặn nút chai theo chiều dòng điện, từ đó xác định chiều tiến của cái vặn nút chai tương ứng với chiều của đường sức từ trong vòng dây.
Khi chiều dài ống dây lớn hơn đáng kể so với đường kính của nó, các đường sức từ bên trong ống sẽ trở thành những đường thẳng song song với nhau và với trục của ống Hướng của các đường sức này được xác định theo quy tắc vặn nút chai, tương tự như trong trường hợp của vòng dây.
2.1.4 Các đại lượng từ cơ bản a Cường độ từ cảm (cảm ứng từ)
Từ trường xuất hiện trong môi trường vật chất, nơi mà vật chất được cấu tạo từ các nguyên tử và phân tử Sự chuyển động liên tục của các điện tử trong phân tử tạo ra dòng điện phân tử, từ đó hình thành lưỡng cực từ Trong trạng thái bình thường, các lưỡng cực từ sắp xếp một cách hỗn độn, dẫn đến việc từ trường tổng hợp trở thành bằng không.
Mạch điện xoay chiều r,l,c mắc nối tiếp
3.4.1 Quan hệ dòng điện, điện áp
Giả sử khi đặt vào hai đầu nhánh điện áp u, dòng điện trong nhánh có công thức:
I = Imsint Dòng điện này sẽ gây ra những điện áp UR, UL, UC trên các phần tử
Thành phần UR trên điện trở R, gọi là thành phần tác dụng của điện áp, đồng pha với dòng điện và có trị số:
UR = IR Thành phần UL trên điện cảm L, vượt pha trước dòng điện một góc
Giả sử khi đặt vào hai đầu nhánh điện áp u, dòng điện trong nhánh có công thức:
I = Imsint Dòng điện này sẽ gây ra những điện áp UR, UL, UC trên các phần tử
Thành phần UR trên điện trở R, gọi là thành phần tác dụng của điện áp, đồng pha với dòng điện và có trị số:
UR = IR Thành phần UL trên điện cảm L, vượt pha trước dòng điện một góc
UL = IXL Thành phần UC trên điện dung C, chậm pha sau dòng điện một góc
Trong hệ thống điện, điện áp (U) và dòng điện (I) đều thay đổi theo hình sin với tần số giống nhau, cho phép chúng được thể hiện trên cùng một đồ thị véc tơ.
Ta có đồ thị véc tơ của mạch được vẽ trên hình (3.7b) Điện áp nguồn U bằng:
Từ đồ thị véc tơ ta tính được trị số hiệu dụng của điện áp:
Hình 3.7: Đồ thị véc tơ và tam giác tổng trở a) i u
Z = R 2 ( X L X C ) 2 có thứ nguyên là , gọi là tổng trở của nhánh R - L - C nối tiếp Đặt X = XL - XC
X được gọi là điện kháng của nhánh
Tam giác tổng trở là một hình dạng vuông, trong đó cạnh huyền đại diện cho tổng trở Z, còn hai cạnh góc vuông là điện trở R và điện kháng X Hình ảnh này giúp dễ dàng ghi nhớ mối quan hệ giữa các thông số R, X, Z, cũng như tính toán góc lệch pha bằng công thức tgφ = XL / C.
Khi XL - XC = 0, góc = 0, dòng điện trùng pha với điện áp, lúc này có hiện tượng cộng hưởng điện áp, dòng điện trong nhánh I = U R đạt trị số lớn nhất
Nếu XL - XC > 0, góc > 0, mạch có tính chất điện cảm, dòng điện chậm sau điện áp một góc
Nếu XL - XC < 0, góc < 0, mạch có tính chất điện dung, dòng điện vượt trước điện áp một góc
Công thức của điện áp là: u = Umsin (t ) (V)
Từ công thức U = IZ suy ra:
Z Đó là công thức định luật Ôm cho nhánh R, L, C nối tiếp
Trong một mạch xoay chiều, trị số hiệu dụng của dòng điện tỷ lệ thuận với trị số hiệu dụng của điện áp và tỷ lệ nghịch với tổng trở của mạch.
Thông thường, nhánh điện không đầy đủ cả ba thành phần R, L, C, có thể thiếu một hoặc hai thành phần Trong trường hợp này, các lý luận vẫn áp dụng nếu loại bỏ các thành phần điện áp, trở kháng và công suất tương ứng với thành phần bị thiếu Đặc biệt, nhánh điện trở - điện cảm có thể được xem xét trong bối cảnh này.
Là trường hợp không có tụ điện C
Coi UC = 0; XC = 0; QC = 0 ta có:
Góc lệch pha > 0, tức điện áp vượt pha trước dòng điện
Tam giác trở kháng vẽ trên hình 3.8a b Nhánh điện trở - điện dung
Là trường hợp không có cuộn cảm L
Ta có: UX = UC ; X = XC ; Q = QC
Góc lệch pha < 0, tức điện áp chậm pha sau dòng điện
Hình 3.8: Tam giác trở kháng
Tam giác trở kháng vẽ trên hình 3.8b c Nhánh thuần phản kháng
Khi điện trở R rất nhỏ, có thể được bỏ qua, nhánh mạch chỉ còn lại thành phần X = XL - XC Nếu XL lớn hơn XC, nhánh này sẽ có tính chất tương tự như nhánh thuần điện cảm.
Là trường hợp vắng cả L và C Khi đó, XL = XC = 0, X = 0, ta có nhánh thuần điện trở
Mạch điện gồm một điện trở R = 7,5Ω nối tiếp với một tụ điện C = 320 mF, được cấp điện áp xoay chiều U = 125V với tần số f = 50Hz Để tính toán dòng điện và các thành phần của tam giác điện áp, cần xác định điện trở, điện dung và điện áp Cuối cùng, vẽ đồ thị vectơ để minh họa mối quan hệ giữa các đại lượng trong mạch.
Các thành phần của tam giác điện áp: (hình 3.9)
Hình 3.9: Đồ thị véc tơ
(dòng điện vượt pha trước điện áp)
Mạch điện bao gồm một điện trở R = 12Ω nối tiếp với cuộn dây có hệ số tự cảm L = 160mH và tụ điện C = 127mF Để tính toán dòng điện cũng như các thành phần điện áp và công suất của mạch, cần vẽ đồ thị véc tơ.
Trở kháng phản kháng của nhánh:
Các thành phần điện áp:
Góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện: tg 2 , 08 60 0 20 '
(dòng điện chậm pha sau điện áp)
75 Đồ thị véc vẽ trên hình 3.10
Cộng hưởng điện áp
3.5.1 Hiện tượng và tính chất a Hiện tượng
Trong mạch xoay chiều, hai thành phần điện áp UL và UC có pha ngược nhau, dẫn đến trị số tức thời của chúng luôn trái dấu và bù trừ lẫn nhau Khi trị số hiệu dụng của chúng bằng nhau, chúng sẽ khử lẫn nhau, khiến điện áp nguồn chỉ còn lại thành phần trên điện trở U = UR Hiện tượng này được gọi là cộng hưởng điện áp trong mạch.
Hình 3.10: Đồ thị véc tơ
Hình 3.11: Cộng hưởng điện áp
Khi có cộng hưởng UL= - UC do đó, trị số hiệu dụng:
UL= - UC, suy ra XL = XC
Tổng trở của toàn nhánh:
Khi mạch đạt điều kiện cộng hưởng, tổng trở sẽ tương đương với điện trở và dòng điện sẽ đồng pha với điện áp Hình 3.11 minh họa đồ thị vectơ, đồ thị thời gian và tam giác trở kháng của mạch trong trạng thái này.
Dòng điện trong mạch cộng hưởng:
Trong các mạch điện có cùng điện trở và điện áp nguồn, khi điện cảm L và điện dung C có trị số biến đổi, mạch sẽ đạt được hiện tượng cộng hưởng Tại điểm cộng hưởng, dòng điện sẽ đạt giá trị lớn nhất và tổng trở sẽ nhỏ nhất.
Khi điện trở R giảm so với điện kháng XL và XC, điện áp UL trên cuộn cảm và điện áp UC trên tụ điện sẽ tăng lên đáng kể so với điện áp nguồn.
Thực vậy, đặt q là tỉ số : q U
U L C và gọi là hệ số phẩm chất của mạch cộng hưởng, ta có: q R
Hệ số phẩm chất q càng lớn thì điện áp cục bộ giáng trên điện cảm hay tụ điện càng lớn so với điện áp nguồn
Công suất tức thời trên điện cảm và điện dung cũng đối pha nhau (hình 3.11):
Ở mọi thời điểm, công suất QL và QC có trị số bằng nhau nhưng ngược dấu Trong phần tư chu kỳ thứ nhất và thứ ba của dòng điện, QL lớn hơn 0.
Trong mạch cộng hưởng, khi QC < 0, cuộn dây tích lũy năng lượng trong khi tụ điện phóng điện Ở các phần tư chu kỳ thứ hai và thứ tư, QL < 0 và QC > 0, tụ điện tích lũy năng lượng còn cuộn dây phóng điện Điều này cho thấy có sự trao đổi năng lượng hoàn toàn giữa từ trường và điện trường, trong khi năng lượng từ nguồn chỉ cung cấp cho điện trở R Do đó, công suất phản kháng trong mạch bằng không, vì không có sự trao đổi năng lượng giữa nguồn và các trường.
3.5.2 Điều kiện cộng hưởng a Điều kiện cộng hưởng
Khi hiện tượng cộng hưởng xảy ra, ta có: XL = XC do đó wL = o
1 wo gọi là tần số góc riêng của mạch
LC gọi là tần số riêng của mạch
Vậy điều kiện cộng hưởng là tần số riêng của mạch bằng tần số của nguồn điện w = wo ; f = fo b Ý nghĩa của hiện tượng cộng hưởng
Tạo điện áp lớn trên cuộn dây hoặc tụ điện khi điện áp nguồn thấp thường được áp dụng trong các thí nghiệm, mạch lọc tần số và trong quá trình nắn điện thông tin.
Hiện tượng cộng hưởng xảy ra không ứng với chế độ làm việc bình thường, nguy hiểm cho thiết bị và người vận hành.
Ý nghĩa - cách nâng cao hệ số công suất
3.6.1 Ý nghĩa của hệ số công suất cos
Các loại máy điện và khí cụ điện được đặc trưng bởi ba thông số định mức chính:
1) Dòng điện định mức Iđm là dòng điện làm việc lâu dài cho phép về việc phát nhiệt;
2) Điện áp định mức Uđm là trị số điện áp dùng để tính toán kết cấu máy điện hay khí cụ điện;
3) Công suất biểu kiến định mức Sđm bằng tích của dòng điện và điện áp định mức: Sđm = Uđm.Iđm
Khi thiết bị hoạt động với hệ số công suất cosϕ = 1, công suất biểu kiến được sử dụng hoàn toàn, do đó công suất tác dụng sẽ bằng công suất biểu kiến.
P = Uđm.Iđm cos = Uđm.Iđm = Sđm
Máy phát điện hoạt động với dòng điện và áp suất định mức, trong đó công suất tác dụng tỷ lệ với hệ số công suất cos Khi cos thấp, công suất tác dụng giảm, dẫn đến việc không tận dụng hết khả năng phát công suất của máy phát điện.
Phụ tải điện yêu cầu một công suất tác dụng P ổn định với điện áp U không thay đổi Khi hệ số công suất cosφ thay đổi, dòng điện I sẽ thay đổi theo Cụ thể, nếu Io là giá trị dòng điện khi cosφ = 1, thì khi cosφ < 1, dòng điện I có thể được tính toán dựa trên yêu cầu P và điện áp U giữ nguyên.
Suy ra: I = cos cos cos o o o I
Dòng điện tải tiêu thụ có mối quan hệ tỉ lệ nghịch với cos; khi cos giảm, dòng điện tải tiêu thụ sẽ tăng lên Sự gia tăng dòng điện dẫn đến tổn thất điện áp và năng lượng trên đường dây Gọi R là điện trở của nguồn điện và dây dẫn, tổn thất công suất sẽ được tính toán dựa trên các yếu tố này.
Tổn thất công suất, ký hiệu là ΔPo, tương ứng với hệ số công suất cosφo = 1, cho thấy rằng công suất tổn thất tỷ lệ nghịch với bình phương của cosφ Khi cosφ giảm, tổn thất điện năng sẽ tăng lên đáng kể.
Nếu cosφ thấp, tổn thất điện áp sẽ tăng, dẫn đến việc cần tăng tiết diện dây để đảm bảo điện áp không giảm quá nhiều Điều này sẽ làm tăng chi phí đầu tư cho việc xây dựng mạng điện.
3.6.2 Biện pháp nâng cao hệ số công suất
Việc nâng cao hệ số công suất (cosφ) có ý nghĩa quan trọng về cả kinh tế và kỹ thuật trong sản xuất, truyền tải, cung cấp và sử dụng điện Các nghiên cứu luôn hướng tới việc cải thiện cosφ đạt giá trị gần như đơn vị, từ 0,95 đến 1.
Từ tam giác công suất, ta có: cos 2 2
Để nâng cao hệ số công suất, cần phải giảm thiểu công suất phản kháng Q Các hộ tiêu thụ điện thường có xu hướng tiêu thụ nhiều công suất phản kháng vì nhiều lý do khác nhau Do đó, việc cải thiện cosφ cuối cùng chỉ có thể được thực hiện theo hai hướng.
1) Hướng thứ nhất là giảm công suất phản kháng của tải (biện pháp chủ động) Công suất phản kháng chủ yếu được dùng để luyện từ máy biến áp, động cơ điện, các cuộn dây lõi thép …
Để giảm thiểu công suất phản kháng, cần áp dụng các biện pháp chủ động từ khâu chế tạo thiết bị, lựa chọn công suất phù hợp và thực hiện chế độ vận hành hiệu quả.
2) Hướng thứ hai là sản xuất công suất phản kháng tại nơi tiêu thụ và gần nơi tiêu thụ, gọi là phương pháp bù (biện pháp thụ động) Phương pháp bù đơn giản nhất là dùng tụ điện C mắc song song với phụ tải Z (hình 3.12a), gọi là bù tĩnh
Hình 3.12: Phương pháp bù cos
Khi chưa mắc tụ, dòng điện tải It chậm sau điện áp U một góc Sau khi mắc tụ C, dòng điện điện dung IC vượt trước U một góc 90 độ Dòng điện qua đường dây I là tổng của hai vectơ It và Ic, dẫn đến góc lệch của I so với U là < t, cho thấy cos > cos t Bằng cách chọn tụ C phù hợp, chúng ta có thể điều chỉnh cos đến giá trị mong muốn, tối đa là cos = 1.
Ngoài tụ điện, người ta còn thực hiện bù bằng động cơ điện đồng bộ và máy bù đồng bộ gọi là bù quay
Dòng điện xoay chiều hình sin là loại dòng điện có trị số và chiều thay đổi theo quy luật hình sin, được mô tả bằng công thức e = E m sin(ωt + φ) (V).
Như vậy muốn xác định lượng hình sin ta cần biết:
* Tốc độ góc hoặc tần số hoặc chu kỳ
Trong mạch điện thuần trở, điện áp và dòng điện đồng pha với nhau khi X_L và X_C bằng 0 Trong mạch thuần cảm, điện áp vượt pha trước dòng điện một góc 90 độ, trong khi đó, trong mạch thuần dung, điện áp lại bị lùi pha so với dòng điện cũng một góc 90 độ.
Góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp trong mạch nối tiếp gồm điện trở, điện cảm và điện dung được gọi là góc Định luật Ôm được áp dụng để tính toán các thông số trong loại mạch này.
Nếu X L > X C > 0 : mạch điện có tính chất điện cảm
Nếu X L < X C < 0 : mạch điện có tính chất điện dung
