GIÁO TRÌNH MÔN HỌC ĐIỆN KĨ THUẬT

GIÁO TRÌNH MÔN HỌC ĐIỆN KĨ THUẬT TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN ............................................................................................1 LỜI GIỚI THIỆU............................................................................................................2 MỤC LỤC......................................................................................................................3 CHƯƠNG 1: TĨNH IỆN ............................................................................................6 1. Khái niệm về điện trường............................................................................................6 2. iện thế Hiệu điện thế ..............................................................................................8 3. Tác dụng c a điện trường lên v t dẫn và điện môi.....................................................9 CHƯƠNG 2: MẠCH IỆN MỘT CHIỀU ................................................................11 1. Khái niệm về mạch điện một chiều...........................................................................11 2. Mô hình mạch điện....................................................................................................12 3. Các định lu t và các biểu th c c ản trong mạch điện một chiều...........................13 4. Các phư ng pháp giải mạch một chiều.....................................................................18 CHƯƠNG 3: TỪ TRƯỜNG VÀ CẢM ỨNG IỆN TỪ .........................................26 1. ại cư ng về từ trường...........................................................................................26 2. Từ trường c a dòng điện.........................................................................................27 3. Các đại lượng đặc trưng c a từ trường..................................................................27 4. L c từ .......................................................................................................................28 5. Hiện tượng cảm ng điện từ...................................................................................30 6. Hiện tượng t cảm và h cảm ................................................................................33 CHƯƠNG 4: DÒNG IỆN XOAY CHIỀU HÌNH SIN ..........................................38 1. Khái niệm về dòng điện xoay chiều..........................................................................38 2. Giải mạch điện xoay chiều không phân nhánh .........................................................40 3. Mạch xoay chiều 3 pha .............................................................................................51 4. Giải mạch xoay chiều phân nhánh ............................................................................56 CHƯƠNG 5 : MẠCH IỆN PHI TUYẾN................................................................69 1. Mạch điện phi tuyến..................................................................................................69 2. Mạch c dòng điện không sin ...................................................................................73 3. Mạch lọc điện............................................................................................................74 TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................80 1 hái i về đi trườ g 1 1 i n tích iện tích là một đại lượng v hướng, đặc trưng cho tính chất c a một v t hay một hạt về mặt tư ng tác điện và gắn liền với hạt hay v t đ . ịnh luật Coulomb: Hình 1.1 l c tư ng tác gi a 2 điện tích điểm q1; q2 đặt cách nhau một khoảng r trong m i trường có hằng s điện m i ε là 12 21 F F; có: iểm đặt: Tr n 2 điện tích. Phư ng: ường n i 2 điện tích. Chiều: + Hướng ra xa nhau nếu q1.q2 > 0 (q1; q2 cùng dấu) + Hướng vào nhau nếu q1.q2 < 0 (q1; q2 trái dấu) ộ lớn: 2 1 2 . . . r q q F k   Trong đ : k là hệ s k = 9.109 2 2 N m. C       n vị: q : Coulomb (C) r : mét (m) F : Newton (N) Ý ghĩ ịnh lu t Coulomb là một định lu t c ản c a tĩnh điện học, nó giúp ta hiểu rõ thêm khái niệm điện tích. Nếu các hạt c ản hoặc các v t thế tư ng tác với nhau theo định luạt Coulomb thì ta biết rằng chúng c mang điện tích ịnh luật bảo to đi n tích: Trong 1 hệ cô l p về điện (hệ kh ng trao đổi điện tích với các hệ khác) thì tổng đại s các điện tích trong hệ là 1 hằng s 1.2. Khái ni m về đi trường + Khái niệm: Là m i trường tồn tại ung quanh điện tích và tác dụng l c lên điện tích khác đặt trong nó. + Cường độ điện trường: Là đại lượng đặc trưng cho điện trường về khả n ng tác dụng l c. F q E q F E        . n vị: E(Vm) q > 0 : F  cùng phư ng, cùng chiều với E  . q < 0 : F  cùng phư ng, ngược chiều với E  . O N TỬ TR ỜN O N N Ề N T 7 + Đường sức điện trường: Là đường được vẽ trong điện trường sao cho hướng c a tiếp tư ến tại bất kỳ điểm nào tr n đường c ng trùng với hướng c a véc t cường độ điện trường tại điểm đ . Tính chất của đường sức: Qua m i điểm trong điện trường ta chỉ có thể vẽ được 1 và chỉ 1 đường s c điện trường. Các đường s c điện là các đường cong không kín,nó xuất phát từ các điện tích dư ng,t n cùng ở các điện tích âm. Các đường s c điện không bao giờ cắt nhau. N i nào c cường độ điện trường lớn h n th các đường s c ở đ vẽ mau và ngược lại Hình 1.1: Đường sức điện trường + i trườ g đều: C véc t cường độ điện trường tại mọi điểm đều bằng nhau. Các đường s c c a điện trường đều là các đường th ng song song cách đều nhau + Véctơ cường độ điện trường E do 1 điện tích điểm Q gây ra tại một điểm M cách Q một đoạn r có: iểm đặt: Tại M. Phư ng: ường n i M và Q Chiều: Hướng ra xa Q nếu Q > 0 Hướng vào Q nếu Q 0 gây ra tại D có: phư ng AD, hướng ra a điểm A độ lớn: 2 9 1 9.10 . a q E  E2  do q < 0 gây ra tại D có: phư ng BD, hướng từ D về B ộ lớn: 2 9 2 9.10 . a q E  ABC GocABD E E        0 2 1 60 là tam giác đều 2 ED E1 E       O N TỬ TR ỜN O N N Ề N T 8 ED  có : Phư ng song song AB Chiều từ trái sang phải ộ lớn là ED   2.10 ( ) 3.10 2.10 9.10 . 9.10 . 7 2 2 6 9 2 9 1 V m a q ED  E      2 i thế i u đi thế 2.1. Công của lự đi trường Công củ đi trường: Khi điện trường tác dụng l n các điện tích, có thể làm cho các điện tích di chuyển trong điện trường, khi đ l c th c hiện một công gọi là công c a l c điện trường. Xét 1 điện tích điểm q > 0 thì q gây ra l c F trong điện trường ặt vào trong điện trường 1 điện tích thử q0 > 0 Di chuyển điện tích q0 từ điểm M đến N thì l c tĩnh điện F  sẽ th c hiện một công (Hình 1.4): Công c a l c điện trường:           M N MN r r q q A k . 1 1 . 0  Hình 1.2. Di chuyển điện tích q0 từ điểm M đến N Như v : “C ng c a l c điện làm di chuyển điện tích điểm q0 trong điện trường c a điện tích q đi theo 1 đường cong bất kỳ, không phụ thuộc vào dạng đường cong dịch chuyển, mà chỉ phụ thuộc vào vị trí điểm đ u và điểm cu i c a đường dịch chuyển”. Thế ă g ủ đi tí h tro g đi trường: Khi A = 0, theo c học trường có tính chất trên gọi là trườ

TĨNH IỆN

MẠCH IỆN MỘT CHIỀU

Mô hình mạch điện

3 Các định lu t và biểu th c c ản trong mạch điện một chiều

4 Các phư ng pháp giải mạch điện 3 3

TỪ TRƯỜNG VÀ CẢM ỨNG IỆN TỪ

Các đại lượng đặc trưng c a từ trường

DÒNG IỆN XOAY CHIỀU HÌNH SIN

Giải mạch điện xoay chiều không phân nhánh

3 hươ g 3 Từ trường và cảm ứng đi n từ

1 ại cư ng về từ trường 0.5

3 Các đại lượng đặc trưng c a từ trường

5 Hiện tượng cảm ng điện từ 1 0.5

6 Hiện tượng t cảm và h cảm 1 0.5

4 hươ g 4 Dò g đi n xoay chiều hình sin

1.Khái niệm về dòng điện xoay chiều 0.5

2.Giải mạch xoay chiều không phân nhánh

MẠCH IỆN PHI TUYẾN

Mạch điện phi tuyến

2 Mạch điện c dòng điện không sin 1 1

Hiện tượng nhiễm điện, dẫn điện và tương tác điện từ trường rất phổ biến trong thực tế và có nhiều ứng dụng trong đời sống Để hiểu rõ hơn về các hiện tượng này, cần nghiên cứu về tĩnh điện, điện tích, công của điện trường, cũng như tác dụng của điện trường lên vật dẫn và điện môi.

- Tr nh à được các khái niệm c ản về điện trường, điện tích, điện thế, hiệu điện thế

- Tr nh à được s ảnh hưởng c a điện trường lên v t dẫn và điện môi

- Rèn luyện tính tư du , tinh th n trách nhiệm trong công việc

Diện tích là một đại lượng vector, thể hiện tính chất của một vật hoặc hạt trong tương tác điện Nó liên quan chặt chẽ đến hạt hoặc vật thể và được định nghĩa theo định luật Coulomb.

Hình 1.1 l c tư ng tác gi a 2 điện tích điểm q 1 ; q 2 đặt cách nhau một khoảng r trong m i trường có hằng s điện m i ε là F 12 ;F 21 có:

- iểm đặt: Tr n 2 điện tích

- Phư ng: ường n i 2 điện tích

- Chiều: + Hướng ra xa nhau nếu q1.q 2 > 0 (q 1 ; q 2 cùng dấu)

+ Hướng vào nhau nếu q 1 q 2 < 0 (q 1 ; q 2 trái dấu)

Định luật Coulomb, được biểu thị bằng đơn vị Newton (N), là một quy luật cơ bản trong tĩnh điện học, giúp chúng ta hiểu rõ hơn về khái niệm điện tích Theo định luật này, khi các hạt mang điện hoặc vật thể tương tác với nhau, chúng sẽ tuân theo quy luật bảo toàn điện tích Cụ thể, trong một hệ cô lập về điện, tức là hệ không trao đổi điện tích với các hệ khác, tổng đại số các điện tích trong hệ sẽ luôn là một hằng số.

1.2 Khái ni m về đi trường

+ Khái niệm: Là m i trường tồn tại ung quanh điện tích và tác dụng l c lên điện tích khác đặt trong nó

+ Cường độ điện trường : Là đại lượng đặc trưng cho điện trường về khả n ng tác dụng l c

    n vị: E(V/m) q > 0 : F cùng phư ng, cùng chiều với E

q < 0 : F cùng phư ng, ngược chiều với E 

Đường sức điện trường là các đường vẽ trong điện trường, trong đó hướng tiếp tuyến tại bất kỳ điểm nào trên đường trùng với hướng của véc tơ cường độ điện trường tại điểm đó.

Tính chất của đường sức:

- Qua m i điểm trong điện trường ta chỉ có thể vẽ được 1 và chỉ 1 đường s c điện trường

- Các đường s c điện là các đường cong không kín,nó xuất phát từ các điện tích dư ng,t n cùng ở các điện tích âm

- Các đường s c điện không bao giờ cắt nhau

- N i nào c cường độ điện trường lớn h n th các đường s c ở đ vẽ mau và ngược lại

Hình 1.1: Đường sức điện trường

- C véc t cường độ điện trường tại mọi điểm đều bằng nhau

- Các đường s c c a điện trường đều là các đường th ng song song cách đều nhau

+ Véctơ cường độ điện trường E do 1 điện tích điểm Q gây ra tại một điểm M cách

- Chiều: Hướng ra xa Q nếu Q > 0

+ Nguyên lí chồng chất điện trường:

    Xét trường hợp tại điểm đang ét chỉ c 2 cường độ điện trường thành ph n:

E1 do q > 0 gây ra tại D có: - phư ng AD, hướng ra a điểm A

E2 do q < 0 gây ra tại D có: - phư ng BD, hướng từ D về B

E D có : - Phư ng song song AB

- Chiều từ trái sang phải

2.1 Công của lự đi trường

Khi điện trường tác động lên các điện tích, nó có thể khiến các điện tích di chuyển, tạo ra công gọi là công của điện trường Xét một điện tích điểm q > 0, điện tích này sẽ tạo ra lực F trong điện trường khi đặt vào trong điện trường một điện tích thử q0 > 0.

Di chuyển điện tích q0 từ điểm M đến N thì l c tĩnh điện F

 sẽ th c hiện một công (Hình 1.4):

Hình 1.2 Di chuyển điện tích q 0 từ điểm M đến N

Công của lực điện khi di chuyển một điện tích điểm q0 trong điện trường do điện tích q tạo ra chỉ phụ thuộc vào vị trí ban đầu và vị trí cuối cùng của điện tích, không phụ thuộc vào hình dạng của đường đi.

* Thế ă g ủ đi tí h tro g đi trường:

Khi A = 0, theo c học trường có tính chất trên gọi là trường thế

Trường tĩnh điện là trường thế nên công c a l c trường bằng cường độ giảm thế n ng c a điện tích q 0 khi dịch chuyển từ điểm M đến điểm N c a trưòng

 Trong đ : C là một hằng s tuỳ ý

Giả sử c 1 điện tích q di chuyển từ một điểm M cho trước đến một điểm ở vô cùng Từ biểu th c:

Chia hai vế c a biểu th c cho q0

Vế phải c a biểu th c không phụ thuộc vào q0 mà chỉ phụ thuộc vào điện tích q gây ra tại điện trường và phụ thuộc vào vị trí đặt điện tích q0

A M đặc trưng cho điện trường ta đang ét n n gọi là điện thế c a điện trường tại M M

V : “ iện thế tại 1 điểm nào đ trong điện trường có giá trị bằng công c a l c tĩnh điện khi dịch chuyển 1 đ n vị điện tích dư ng từ điểm đ ra a v cùng”

Hiệu s (M - N) được gọi là hiệu điện thế gi a 2 điểm M và N q 0

Nếu lấy q 0 = +1 đ n vị điện tích thì  M  N  A MN

V : ại lượng đo ằng công di chuyển một đ n vị điện tích từ M đến N gọi là điện áp c a điện trường

Ký hiệu: U iện áp gi a hai điểm c a trường bằng hiệu điện thế gi a hai điểm đ V thế, điện áp còn được gọi là hiệu điện thế

3 Tá dụ g ủ đi trườ g l vật dẫ v đi i

3.1 Vật dẫ tro g đi trường

Khi v t dẫn đặt trong điện trường mà kh ng c dòng điện chạy trong v t thì ta gọi là v t dẫn cân bằng điện (vdc đ)

B n trong vdc đ cường độ điện trường bằng không

Mặt ngoài của vật dẫn điện (vdc) có cường độ điện trường vuông góc với bề mặt và điện thế tại mọi điểm trên bề mặt là đồng nhất Điện tích chỉ phân bố ở mặt ngoài của vật dẫn, và sự phân bố này không đều, tập trung chủ yếu ở các chỗ lồi nhọn.

Khi đặt một chất điện môi trong điện trường, nguyên tử của chất này bị kéo dãn và phân chia thành hai đầu mang điện tích trái dấu, dẫn đến hiện tượng phân cực Kết quả là trong chất điện môi sẽ hình thành một điện trường phụ có chiều ngược lại với điện trường bên ngoài.

+ Một s định lu t về điện trường

+ Công th c tính l c tĩnh điện và công th c tính cường độ điện trường

+ iện thế và hiệu điện thế, điều kiện tồn tại và du tr dòng điện

+ Một s v t dẫn và điện m i trong điện trường

+ Giải bài t p c ản về l c tĩnh điện, cường độ điện trường, điện thế và hiệu điện thế

- Về n ng l c t ch và trách nhiệm: Tỉ mỉ, cẩn th n, chính xác

- Kiến th c: ược đánh giá ằng hình th c kiểm tra viết, trắc nghiệm

- Kỹ n ng: ánh giá kỹ n ng tính toán các ài t p

- Về n ng l c t ch và trách nhiệm: ánh giá phong cách học t p

Bài tập 1 yêu cầu xác định cường độ điện trường tại điểm C, nằm giữa hai điện tích điểm +q và -q, được đặt tại hai điểm A và B cách nhau một khoảng a trong chân không Tại C, cường độ điện trường sẽ là tổng hợp của các điện trường do từng điện tích tạo ra, với điện trường từ điện tích +q hướng ra ngoài và điện trường từ điện tích -q hướng vào trong Do C là trung điểm của đoạn AB, cường độ điện trường tại điểm này sẽ được tính toán dựa trên khoảng cách từ C đến A và B.

) Xác định cường độ điện trường tại điểm D Với D là điểm nằm tr n đường trung tr c c a AB, và cách A một khoảng a

Hướng dẫn giải: a) Tại C, ta có:

E1 gây ra bởi điện tích +q tại điểm C:

C phư ng A, hướng ra a điểm A

E2 gây ra bởi điện tích –q tại điểm C:

C phư ng AC, hướng từ C về B

Như v y, E1 và E 2 c cùng độ lớn và cùng hướng (1.4) ta có E C E 1 E 2

Bài tập 2: Tính l c tư ng tác gi a hai điện tích điểm c điện tích bằng nhau, q = 10

6C, đặt cách nhau một đoạn d = 1cm, ở trong d u (=2) và ở trong nước (=6)

L c tư ng tác gi a hai điện tích điểm: 9 1 2 2

Mạch điện một chiều là thành phần quan trọng trong lĩnh vực điện và điện tử, với đặc điểm dòng điện ổn định Nghiên cứu và phân tích mạch điện một chiều đóng vai trò cơ sở để chuyển đổi và giải quyết các mạch điện biến đổi khác thành dạng mạch điện một chiều và các phương pháp biến đổi tương ứng.

- Tr nh à được khái niệm về dòng điện một chiều, khái niệm về mạch điện

- Ph n tích được nhiệm vụ, vai trò c a các ph n tử cấu thành mạch điện như: nguồn điện, dây dẫn, phụ tải, thiết bị đo lường

- Giải thích được cách xây d ng mô hình mạch điện, các ph n tử chính trong mạch điện

- Phát biểu được các định lu t c ản trong mạch điện một chiều, các phư ng pháp giải bài toán mạch điện một chiều

- Có khả n ng học t p độc l p, chuyên c n trong công việc

1 Khái ni m về mạ h đi n một chiều

1 1 Dò g đi v dò g đi n một chiều

Dưới tác động của điện trường, các điện tích dương (+) di chuyển từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp, trong khi các điện tích âm (-) lại chuyển động ngược lại, từ nơi có điện thế thấp đến nơi có điện thế cao, tạo ra dòng điện.

Dòng điện là dòng các điện tích (các hạt tải điện) di chuyển c hướng

1.2 Chiều qui ước củ dò g đi n

Chiều qu ước c a dòng điện là chiều dịch chuyển c hướng c a các điện tích dư ng

* tác dụng từ (đặc trưng) (Chiều qu ước I)

* tác dụng nhiệt, tác dụng hoá học tuỳ theo m i trường

 Trong kim loại: dòng điện là dòng các điện tử t do chuyển dời c hướng

 Trong dung dịch điện l : là dòng điện tích chuyển dời c hướng c a các ion dư ng và m chu ển dời theo hai hướng ngược nhau

 Trong chất khí: thành ph n tham gia dòng điện là ion dư ng, ion m và các electron

1 3 ườ g độ và mật độ dò g đi n

Cường độ dòng điện là đại lượng cho biết độ mạnh c a dòng điện được tính bởi: dt

I  dQ q: điện lượng di chuyển qua các tiết diện th ng c a v t dẫn

t: thời gian di chuyển (t0: I là cường độ t c thời)

Dòng điện có chiều và cường độ kh ng tha đổi theo thời gian được gọi là dòng điện kh ng đổi (c ng gọi là dòng điệp một chiều)

Cường độ c a dòng điện này có thể tính bởi: t

Trong đ q là điện lượng dịch chuyển qua tiết diện th ng c a v t dẫn trong thời gian t

Cường độ dòng điện không đổi được đo bằng ampe kế hoặc miliampe kế, và thiết bị này được mắc nối tiếp trong mạch điện Định nghĩa về cường độ dòng điện phản ánh bản chất của dòng điện như đã nêu.

* cường độ dòng điện có giá trị như nhau tại mọi điểm trên mạch không phân nhánh

* cường độ mạch chính bằng tổng cường độ các mạch rẽ

Mạch điện là t p hợp các thiết bị để cho phép các bộ ph n dẫn dòng điện chạy qua khi có nguồn cung cấp điện n ng

2.2 Các phần tử c u thành mạ h đi n

Mạch điện gồm 4 ph n tử c ản: nguồn điện, n i ti u thụ điện và dây dẫn

Nguồn điện: Là các thiết bị dùng để biến đổi các dạng n ng lượng như: c n ng, hoá n ng, nhiệt n ng … sang điện pin, cqu , má phát điện

N i ti u thụ điện (phụ tải): là các thiết bị dùng để biến đổi điện n ng sang các dạng n ng lượng khác như c n ng, nhiệt n ng, quang n ng …

Thiết Bị Biến ổi: Biến Đổi Áp, Dòng, T n S …

Dây dẫn: Là các dây kim loại dùng để truyền tải điện n ng từ nguồn đến phụ tải

Hình 2.1: Các phần tử mạch điện

Ngoài các thiết bị chính, còn có nhiều thiết bị phụ trợ quan trọng như dụng cụ cắt (bao gồm cưa dao và máy cắt điện), các dụng cụ đo lường như ampe kế và vôn kế, cùng với thiết bị bảo vệ như cầu chì, đảm bảo an toàn trong quá trình sử dụng.

Nguồn điện là thiết bị tạo ra và duy trì hiệu điện thế để duy trì dòng điện Mọi nguồn điện đều có hai c c, c c dư ng (+) và c c âm (-)

Nguồn điện áp độc lập là thành phần cơ bản trong mạch điện, có điện áp không phụ thuộc vào giá trị dòng điện cung cấp Công thức mô tả nguồn này là u(t) = e(t), trong đó u(t) là điện áp và e(t) là sức điện động của nguồn.

Kí hiệu c a nguồn điện áp độc l p:

Hình 2.2: ký hiệu nguồn điện áp

Dòng điện c a nguồn sẽ phụ thuộc vào tải mắc vào nó

Nguồn dòng: Nguồn dòng độc l p là ph n tử hai c c mà dòng điện c a nó không phụ thuộc vào điện áp trên hai c c nguồn: i(t)=j(t)

Hình 2.3: ký hiệu nguồn dòng i(t) + u(t)

13 iện áp trên các c c nguồn phụ thuộc vào tải mắc vào nó và chính bằng điện áp trên tải này

2.2.2 Phần tử tiêu thụ điện Điện Trở: Là bộ phận biến đổi điện năng thành các dạng năng lượng khác

Là ph n tử được đặc trưng ởi quan hệ gi a dòng điện và điện áp:

Hình 2.4: ký hiệu điện trở

 Cuộn dây là ph n tử tải 2 c c có quan hệ gi a điện áp và dòng điện tuân theo phư ng tr nh toán: dt t

Hình 2.5: ký hiệu điện cảm

Phần tử điện dung: dt t

Cdu t i( ) ( ) iện áp trên ph n tử điện dung được ác định bởi phư ng tr nh:

Hình 2.6: ký hiệu điện dung

3 á định luật và các biểu thứ ơ bản trong mạ h đi n một chiều

3.1.1 Định luật ôm đối vơi đoạn mạch chỉ có điên trở ịnh luật:

 Cường độ dòng điện chạ qua đoạn mạch c c điện trở R:

- tỉ lệ thu n với hiệu điện thế hai đ u đoạn mạch

- tỉ lệ nghịch với điện trở

 Nếu có R và I, hiệu điện thế tính như sau:U=V A -V B =IR

I.R: gọi là độ giảm thế (độ sụt thế hay sụt áp) tr n điện trở

 Công th c c a định lu t m c ng cho phép tính điện trở: ặc tuyến V - A (vôn - ampe) là đồ thị biểu di n I theo U còn gọi là đường đặc trưng v n - ampe

Đặc tuyến V - A của dẫn kim loại (hay hợp kim) ở nhiệt độ nhất định cho thấy rằng đoạn đường này đi qua gốc tọa độ các trục, trong đó giá trị của R không phụ thuộc vào U.

3.1.2 Định luật ôm cho toàn mạch ườ g độ dò g đi n trong mạch kín:

Giả sử có mạch điện không phân nhánh

- nguồn có s c điện động E, điện trở trong là R 0

- cung cấp cho tải c điện trở là R

- qua một đường d c điện trở là R d

- dòng điện trong mạch là I

Mạch lọc điện

Hiện tượng nhiễm điện, dẫn điện và tương tác với điện từ trường rất phổ biến trong thực tế và có nhiều ứng dụng quan trọng Để hiểu rõ hơn về các hiện tượng này, cần nghiên cứu về tĩnh điện, điện tích, công của điện trường, cũng như tác dụng của điện trường lên vật dẫn và điện môi.

- Tr nh à được các khái niệm c ản về điện trường, điện tích, điện thế, hiệu điện thế

- Tr nh à được s ảnh hưởng c a điện trường lên v t dẫn và điện môi

- Rèn luyện tính tư du , tinh th n trách nhiệm trong công việc

Diện tích là một đại lượng vecto, thể hiện tính chất tương tác điện của một vật hoặc hạt Nó gắn liền với hạt hoặc vật thể và được mô tả bởi định luật Coulomb.

Hình 1.1 l c tư ng tác gi a 2 điện tích điểm q 1 ; q 2 đặt cách nhau một khoảng r trong m i trường có hằng s điện m i ε là F 12 ;F 21 có:

- iểm đặt: Tr n 2 điện tích

- Phư ng: ường n i 2 điện tích

- Chiều: + Hướng ra xa nhau nếu q1.q 2 > 0 (q 1 ; q 2 cùng dấu)

+ Hướng vào nhau nếu q 1 q 2 < 0 (q 1 ; q 2 trái dấu)

Định luật Coulomb, được định nghĩa bằng đơn vị Newton (N), là một nguyên tắc cơ bản trong tĩnh điện học, giúp chúng ta hiểu rõ hơn về khái niệm điện tích Theo định luật này, khi các hạt mang điện hoặc vật thể tương tác với nhau, chúng sẽ tuân theo quy luật bảo toàn điện tích Trong một hệ cô lập về điện, tức là hệ không trao đổi điện tích với các hệ khác, tổng đại số các điện tích trong hệ sẽ luôn là một hằng số.

1.2 Khái ni m về đi trường

+ Khái niệm: Là m i trường tồn tại ung quanh điện tích và tác dụng l c lên điện tích khác đặt trong nó

+ Cường độ điện trường : Là đại lượng đặc trưng cho điện trường về khả n ng tác dụng l c

    n vị: E(V/m) q > 0 : F cùng phư ng, cùng chiều với E

q < 0 : F cùng phư ng, ngược chiều với E 

Đường sức điện trường là những đường được vẽ trong điện trường, sao cho tại bất kỳ điểm nào trên đường, hướng tiếp tuyến trùng với hướng của véc tơ cường độ điện trường tại điểm đó.

Tính chất của đường sức:

- Qua m i điểm trong điện trường ta chỉ có thể vẽ được 1 và chỉ 1 đường s c điện trường

- Các đường s c điện là các đường cong không kín,nó xuất phát từ các điện tích dư ng,t n cùng ở các điện tích âm

- Các đường s c điện không bao giờ cắt nhau

- N i nào c cường độ điện trường lớn h n th các đường s c ở đ vẽ mau và ngược lại

Hình 1.1: Đường sức điện trường

- C véc t cường độ điện trường tại mọi điểm đều bằng nhau

- Các đường s c c a điện trường đều là các đường th ng song song cách đều nhau

+ Véctơ cường độ điện trường E do 1 điện tích điểm Q gây ra tại một điểm M cách

- Chiều: Hướng ra xa Q nếu Q > 0

+ Nguyên lí chồng chất điện trường:

    Xét trường hợp tại điểm đang ét chỉ c 2 cường độ điện trường thành ph n:

E1 do q > 0 gây ra tại D có: - phư ng AD, hướng ra a điểm A

E2 do q < 0 gây ra tại D có: - phư ng BD, hướng từ D về B

E D có : - Phư ng song song AB

- Chiều từ trái sang phải

2.1 Công của lự đi trường

Khi điện trường tác động lên các điện tích, nó có thể làm cho các điện tích di chuyển, tạo ra công gọi là công của điện trường Cụ thể, một điện tích điểm q > 0 sẽ gây ra lực F trong điện trường tác động lên một điện tích thử q0 > 0.

Di chuyển điện tích q0 từ điểm M đến N thì l c tĩnh điện F

 sẽ th c hiện một công (Hình 1.4):

Hình 1.2 Di chuyển điện tích q 0 từ điểm M đến N

Điện trường do điện tích q tạo ra có khả năng di chuyển điện tích điểm q0 theo bất kỳ đường cong nào Quá trình dịch chuyển này không phụ thuộc vào hình dạng của đường đi mà chỉ liên quan đến vị trí của điểm đầu và điểm cuối của đường dịch chuyển.

* Thế ă g ủ đi tí h tro g đi trường:

Khi A = 0, theo c học trường có tính chất trên gọi là trường thế

Trường tĩnh điện là trường thế nên công c a l c trường bằng cường độ giảm thế n ng c a điện tích q 0 khi dịch chuyển từ điểm M đến điểm N c a trưòng

 Trong đ : C là một hằng s tuỳ ý

Giả sử c 1 điện tích q di chuyển từ một điểm M cho trước đến một điểm ở vô cùng Từ biểu th c:

Chia hai vế c a biểu th c cho q0

Vế phải c a biểu th c không phụ thuộc vào q0 mà chỉ phụ thuộc vào điện tích q gây ra tại điện trường và phụ thuộc vào vị trí đặt điện tích q0

A M đặc trưng cho điện trường ta đang ét n n gọi là điện thế c a điện trường tại M M

V : “ iện thế tại 1 điểm nào đ trong điện trường có giá trị bằng công c a l c tĩnh điện khi dịch chuyển 1 đ n vị điện tích dư ng từ điểm đ ra a v cùng”

Hiệu s (M - N) được gọi là hiệu điện thế gi a 2 điểm M và N q 0

Nếu lấy q 0 = +1 đ n vị điện tích thì  M  N  A MN

V : ại lượng đo ằng công di chuyển một đ n vị điện tích từ M đến N gọi là điện áp c a điện trường

Ký hiệu: U iện áp gi a hai điểm c a trường bằng hiệu điện thế gi a hai điểm đ V thế, điện áp còn được gọi là hiệu điện thế

3 Tá dụ g ủ đi trườ g l vật dẫ v đi i

3.1 Vật dẫ tro g đi trường

Khi v t dẫn đặt trong điện trường mà kh ng c dòng điện chạy trong v t thì ta gọi là v t dẫn cân bằng điện (vdc đ)

B n trong vdc đ cường độ điện trường bằng không

Mặt ngoài của vật dẫn điện (vdc) có cường độ điện trường vuông góc với mặt ngoài, và điện thế tại mọi điểm trên vdc là bằng nhau Điện tích chỉ phân bố ở mặt ngoài của vật dẫn, với sự phân bố không đều, tập trung chủ yếu ở các chỗ lồi nhọn.

Khi đặt một chất điện môi vào điện trường, nguyên tử của chất này sẽ bị kéo dãn và phân chia thành hai đầu mang điện tích trái dấu, dẫn đến hiện tượng phân cực Hệ quả là trong chất điện môi sẽ hình thành một điện trường phụ có hướng ngược lại với điện trường bên ngoài.

+ Một s định lu t về điện trường

+ Công th c tính l c tĩnh điện và công th c tính cường độ điện trường

+ iện thế và hiệu điện thế, điều kiện tồn tại và du tr dòng điện

+ Một s v t dẫn và điện m i trong điện trường

+ Giải bài t p c ản về l c tĩnh điện, cường độ điện trường, điện thế và hiệu điện thế

- Về n ng l c t ch và trách nhiệm: Tỉ mỉ, cẩn th n, chính xác

- Kiến th c: ược đánh giá ằng hình th c kiểm tra viết, trắc nghiệm

- Kỹ n ng: ánh giá kỹ n ng tính toán các ài t p

- Về n ng l c t ch và trách nhiệm: ánh giá phong cách học t p

Hai điện tích điểm +q và -q được đặt tại hai điểm A và B, cách nhau một khoảng a trong chân không Để xác định cường độ điện trường tại điểm C, là trung điểm của đoạn AB, ta cần tính toán sự ảnh hưởng của cả hai điện tích tại vị trí này.

) Xác định cường độ điện trường tại điểm D Với D là điểm nằm tr n đường trung tr c c a AB, và cách A một khoảng a

Hướng dẫn giải: a) Tại C, ta có:

E1 gây ra bởi điện tích +q tại điểm C:

C phư ng A, hướng ra a điểm A

E2 gây ra bởi điện tích –q tại điểm C:

C phư ng AC, hướng từ C về B

Như v y, E1 và E 2 c cùng độ lớn và cùng hướng (1.4) ta có E C E 1 E 2

Bài tập 2: Tính l c tư ng tác gi a hai điện tích điểm c điện tích bằng nhau, q = 10

6C, đặt cách nhau một đoạn d = 1cm, ở trong d u (=2) và ở trong nước (=6)

L c tư ng tác gi a hai điện tích điểm: 9 1 2 2

Mạch điện một chiều được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực điện và điện tử, với dòng điện một chiều có tính ổn định cao Nghiên cứu và giải quyết mạch điện một chiều là cơ sở quan trọng để chuyển đổi và phân tích các mạch điện biến đổi khác, nhằm hiểu rõ hơn về các phương pháp biến đổi trong điện tử.

- Tr nh à được khái niệm về dòng điện một chiều, khái niệm về mạch điện

- Ph n tích được nhiệm vụ, vai trò c a các ph n tử cấu thành mạch điện như: nguồn điện, dây dẫn, phụ tải, thiết bị đo lường

- Giải thích được cách xây d ng mô hình mạch điện, các ph n tử chính trong mạch điện

- Phát biểu được các định lu t c ản trong mạch điện một chiều, các phư ng pháp giải bài toán mạch điện một chiều

- Có khả n ng học t p độc l p, chuyên c n trong công việc

1 Khái ni m về mạ h đi n một chiều

1 1 Dò g đi v dò g đi n một chiều

Dưới tác động của điện trường, các điện tích dương (+) di chuyển từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp, trong khi các điện tích âm (-) di chuyển ngược lại, từ nơi có điện thế thấp đến nơi có điện thế cao, tạo ra dòng điện.

Dòng điện là dòng các điện tích (các hạt tải điện) di chuyển c hướng

1.2 Chiều qui ước củ dò g đi n

Chiều qu ước c a dòng điện là chiều dịch chuyển c hướng c a các điện tích dư ng

* tác dụng từ (đặc trưng) (Chiều qu ước I)

* tác dụng nhiệt, tác dụng hoá học tuỳ theo m i trường

 Trong kim loại: dòng điện là dòng các điện tử t do chuyển dời c hướng

 Trong dung dịch điện l : là dòng điện tích chuyển dời c hướng c a các ion dư ng và m chu ển dời theo hai hướng ngược nhau

 Trong chất khí: thành ph n tham gia dòng điện là ion dư ng, ion m và các electron

1 3 ườ g độ và mật độ dò g đi n

Cường độ dòng điện là đại lượng cho biết độ mạnh c a dòng điện được tính bởi: dt

I  dQ q: điện lượng di chuyển qua các tiết diện th ng c a v t dẫn

t: thời gian di chuyển (t0: I là cường độ t c thời)

Dòng điện có chiều và cường độ kh ng tha đổi theo thời gian được gọi là dòng điện kh ng đổi (c ng gọi là dòng điệp một chiều)

Cường độ c a dòng điện này có thể tính bởi: t

Trong đ q là điện lượng dịch chuyển qua tiết diện th ng c a v t dẫn trong thời gian t

Cường độ dòng điện không đổi được đo bằng ampe kế hoặc miliampe kế, được kết nối song song vào mạch điện Theo bản chất của dòng điện và định nghĩa về cường độ dòng điện, các thông số này giúp xác định mức độ dòng điện trong mạch.

* cường độ dòng điện có giá trị như nhau tại mọi điểm trên mạch không phân nhánh

* cường độ mạch chính bằng tổng cường độ các mạch rẽ

Mạch điện là t p hợp các thiết bị để cho phép các bộ ph n dẫn dòng điện chạy qua khi có nguồn cung cấp điện n ng

2.2 Các phần tử c u thành mạ h đi n

Mạch điện gồm 4 ph n tử c ản: nguồn điện, n i ti u thụ điện và dây dẫn

Nguồn điện: Là các thiết bị dùng để biến đổi các dạng n ng lượng như: c n ng, hoá n ng, nhiệt n ng … sang điện pin, cqu , má phát điện

N i ti u thụ điện (phụ tải): là các thiết bị dùng để biến đổi điện n ng sang các dạng n ng lượng khác như c n ng, nhiệt n ng, quang n ng …

Thiết Bị Biến ổi: Biến Đổi Áp, Dòng, T n S …

Dây dẫn: Là các dây kim loại dùng để truyền tải điện n ng từ nguồn đến phụ tải

Hình 2.1: Các phần tử mạch điện

Ngoài các thiết bị chính, còn có nhiều thiết bị phụ trợ quan trọng như dụng cụ cắt (cầu dao, máy cắt điện), dụng cụ đo lường (ampe kế, vôn kế), và thiết bị bảo vệ (cầu chì) để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình sử dụng.

Nguồn điện là thiết bị tạo ra và duy trì hiệu điện thế để duy trì dòng điện Mọi nguồn điện đều có hai c c, c c dư ng (+) và c c âm (-)

Nguồn điện áp độc lập là một phần tử điện có điện áp không phụ thuộc vào giá trị dòng điện từ nguồn Điện áp của nguồn này được xác định bằng sức điện động của nó, được biểu diễn qua công thức: u(t) = e(t).

Kí hiệu c a nguồn điện áp độc l p:

Hình 2.2: ký hiệu nguồn điện áp

Dòng điện c a nguồn sẽ phụ thuộc vào tải mắc vào nó

Nguồn dòng: Nguồn dòng độc l p là ph n tử hai c c mà dòng điện c a nó không phụ thuộc vào điện áp trên hai c c nguồn: i(t)=j(t)

Hình 2.3: ký hiệu nguồn dòng i(t) + u(t)

13 iện áp trên các c c nguồn phụ thuộc vào tải mắc vào nó và chính bằng điện áp trên tải này

2.2.2 Phần tử tiêu thụ điện Điện Trở: Là bộ phận biến đổi điện năng thành các dạng năng lượng khác

Là ph n tử được đặc trưng ởi quan hệ gi a dòng điện và điện áp:

Hình 2.4: ký hiệu điện trở

 Cuộn dây là ph n tử tải 2 c c có quan hệ gi a điện áp và dòng điện tuân theo phư ng tr nh toán: dt t

Hình 2.5: ký hiệu điện cảm

Phần tử điện dung: dt t

Cdu t i( ) ( ) iện áp trên ph n tử điện dung được ác định bởi phư ng tr nh:

Hình 2.6: ký hiệu điện dung

3 á định luật và các biểu thứ ơ bản trong mạ h đi n một chiều

3.1.1 Định luật ôm đối vơi đoạn mạch chỉ có điên trở ịnh luật:

 Cường độ dòng điện chạ qua đoạn mạch c c điện trở R:

- tỉ lệ thu n với hiệu điện thế hai đ u đoạn mạch

- tỉ lệ nghịch với điện trở

 Nếu có R và I, hiệu điện thế tính như sau:U=V A -V B =IR

I.R: gọi là độ giảm thế (độ sụt thế hay sụt áp) tr n điện trở

 Công th c c a định lu t m c ng cho phép tính điện trở: ặc tuyến V - A (vôn - ampe) là đồ thị biểu di n I theo U còn gọi là đường đặc trưng v n - ampe

Đặc tuyến V - A của dẫn kim loại (hay hợp kim) ở nhiệt độ nhất định thể hiện mối quan hệ giữa điện áp (U) và dòng điện (I), với đoạn đường thẳng đi qua gốc tọa độ Trong đó, giá trị điện trở (R) không phụ thuộc vào điện áp (U).

3.1.2 Định luật ôm cho toàn mạch ườ g độ dò g đi n trong mạch kín:

Giả sử có mạch điện không phân nhánh

- nguồn có s c điện động E, điện trở trong là R 0

- cung cấp cho tải c điện trở là R

- qua một đường d c điện trở là R d

- dòng điện trong mạch là I