Chương 01: Mạch điện một chiều

Co mp ile d b y N gu ye n V an Th ai TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT Chương 1 Môn ĐIỆN GIA DỤNG Chương 01 : MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU NỘI DUNG Chương 01 MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1.Những khái niệm cơ bản về mạch điện một chiều Dòng điện một chiều có trị số và chiều không đổi theo thời gian. 1.Nguồn điện một chiều Một số các loại nguồn điện một chiều như sau: a.Pin, acquy Biến đổi hóa năng thành cơ năng. - Để tăng điện áp chúng ta mắc nối tiếp các pin lại với nhau: - Để tăng dòng điện chúng ta mắc song song các pin lại với nhau: b.Pin mặt trời Pin mặt trời làm việc dựa vào hiệu ứng quang điện, biến đổi trực tiếp quang năng thành điện năng. c.Máy phát điện một chiều Máy phát điện một chiều biến đổi cơ năng đưa vào trục của máy thành điện năng lấy ra ở các cực của dây quấn. d.Bộ nguồn điện tử công suất Bộ nguồn điện tử công suất không tạo ra điện áp mà chỉ biến đổi điện áp xoay chiều (lấy từ lưới điện) thành điện áp một chiều lấy ra ở 2 cực. 2.Phụ tải Phụ tải là các thiết bị điện tiêu thụ điện năng để biến đổi thành các dạng năng lượng khác như cơ năng (động cơ điện), nhiệt năng (bàn là điện, bếp điện), quang năng (bòng đèn điện),… 3.Mạch điện Mạch điện là tập hợp các thiết bị điện (nguồn, tải, dây dẫn) nối với nhau trong đó dòng điện có thể chạy qua. - 1 - Mạch điện phức tạp có nhiều nhánh, nhiều mạch vòng và nhiều nút. - Nhánh : nhánh là bộ phận của mạch điện gồm có các phần tử nối tiếp nhau trong đó có cùng dòng điện chạy qua. - Nút : nút là chỗ gặp nhau của các nhánh (từ 3 nhánh trở lên). - Mạch vòng : mạch vòng là lối đi khép kín qua các nhánh. Ví dụ như mạch ở hình vẽ trên sẽ gồm có máy phát (MF) cung cấp điện cho đèn (Đ) và động cơ điện (ĐC) hình thành nên một mạch điện gồm 3 nhánh (1, 2 và 3) và 3 mạch vòng (a, b và c). 1.2.Các đại lượng đặc trưng quá trình năng lượng trong mạch điện 1.Dòng điện Dòng điện là dòng chuyển dời có hướng của các hạt mang điện tích âm. Đơn vị của dòng điện là Ampe, ký hiệu là A. Người ta quy ước chiều của dòng điện chạy trong vật dẫn ngược với chiều chuyển động của điện tử. 2.Điện áp Tại mỗi điểm trong mạch điện có một điện thế ϕ. Hiệu điện thế giữa hai điểm gọi điện áp U, đơn vị là volt, ký hiệu là V. Điện áp giữa 2 điểm A và B là: BAABU ϕϕ −= Chiều điện áp quy ước là chiều từ điểm có điện thế cao đến điểm có điện thế thấp. MF ĐCĐ A B 1 2 3ba c Dây dẫn I ϕA ϕB UAB Nguồn Tải U Điện áp giữa 2 cực của nguồn điện khi hở mạch ngoài (dòng điện I = 0) được gọi là sức điện động E. Nguồn E Co mp ile d b y N gu ye n V an Th ai TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT Chương 1 Môn ĐIỆN GIA DỤNG NỘI DUNG 3.Công suất Công suất của nguồn sức điện động là: EIP = Công suất của mạch ngoài là: UIP = Đơn vị của công suất là Oát, ký hiệu là W, 1kW = 1000W. Khi tính toán, mạch điện thực được thay thế bằng một sơ đồ gọi là mô hình mạch điện, trong đó các phần tử thực được thay thế bằng các phần tử lý tưởng E, J, R. 1.3.Mô hình mạch điện một chiều 1.Sức điện động E Sức điện động E là phần tử lý tưởng, có trị số bằng điện áp U đo được giữa 2 cực của nguồn khi hở mạch ngoài. Chiều của sức điện động quy ước từ điện thế thấp đến điện thế cao (cực âm tới cực dương). - 2 - Chiều của điện áp quy ước từ điện thế đến điện thế thấp, do đó nếu chiều như ở hình vẽ thì: EU = E + _ U Nguồn E Hở mạch 2.Nguồn dòng điện J Nguồn dòng điện J là phần tử lý tưởng có trị số bằng dòng điện ngắn mạch giữa 2 cực của nguồn. 3.Điện trở R Điện trở R đặc trưng cho một vật dẫn về mặt cản trở dòng điện chạy qua. Về hiện tượng năng lượng, điện trở R đặc trưng cho tiêu tán, biến đổi điện năng tiêu thụ thành các dạng năng lượng khác như nhiệt năng, quang năng, … Công suất của điện trở: 2RIP = 4.Thiết lập mô hình mạch điện a.Sơ đồ thay thế nguồn điện Sơ đồ thay thế của nguồn điện gồm sức điện động E nối tiếp với điện trở trong Rn. Khi giải mạch điện có các phần tử transisto, nhiều khi nguồn điện có sơ đồ thay thế là nguồn dòng điện nR EJ = mắc song song với điện trở Rn. R J E Ngắn mạchJ Nguồn J Rn I E Rn I Sơ đồ thay thế nguồn dùng nguồn E. Nguồn E I Sơ đồ thay thế nguồn dùng nguồn J. Co mp ile d b y N gu ye n V an Th ai TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT Chương 1 Môn ĐIỆN GIA DỤNG NỘI DUNG - 3 - b.Sơ đồ thay thế tải Các tải như động cơ điện một chiều, acquy ở chế độ nạp điện được thay thế bằng sơ đồ gồm sức điện động E nối tiếp với điện trở trong Rn, trong đó chiều E ngược với chiều I. Các tải như bàn là điện, bếp điện, bóng đèn điện,… được thay thế bằng điện trở R của chúng. I E Rn Ví dụ: Một nguồn điện một chiều có sức điện động E = 100V, điện trở trong Rn = 1Ω cung cấp điện cho tải có R = 24Ω. Thiết lập mô hình mạch điện và tính dòng điện tải It. Cách giải 1: Mô hình mạch điện theo E được vẽ như hình vẽ: Dòng điện tải It : A RR EI tn t 4 241 100 =+= += Cách giải 2: Giải bài toán theo mô hình nguồn dòng điện: Nguồn dòng điện J: A R EJ n 100 1 100 === Dòng điện tải It : AI t 4241 1.100 =+= 1.4.Các định luật của mạch điện 1.Định luật Ohm a.Mạch thuần trở R Là mạch chỉ có điện trở R, không có cuộn dây hoặc tụ điện. Biểu thức tính điện áp trên điện trở: RIU = R Biểu thức tính dòng điện qua điện trở: R UI = - Đơn vị của U là V. - Đơn vị của I là A. - Đơn vị của R là Ω. Ví dụ: Trong mạch điện thuần trở ở trên, I = 210mA, R = 100Ω. Tính điện áp trên điện trở U. Lời giải: Điện áp trên điện trở: ( )VRIU 2121,0.100 === b.Mạch có sức điện động E và điện trở R Biểu thức tính điện áp U: ( ) ( )2121 2211 4321 EEIRR EIREIR UUUUU −−+= ++−= +++= It E = 100V Rn=1Ω R = 24Ωt J = 100A Rn = 1Ω It Rt = 24Ω U R I U1 R1 R2 E1 E2 U2 U4U3 I U Co mp ile d b y N gu ye n V an Th ai TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT Chương 1 Môn ĐIỆN GIA DỤNG NỘI DUNG Ví dụ: - 4 - Cho mạch điện như hình vẽ: Biết E1 = 100V, I1 = 5A. Tính điện áp UAB và dòng điện các nhánh I2 và I3. Lời giải: Tính điện áp UAB: VIREU AB 905.2100111 =−=−= Dòng điện I2: A R U I AB 30 3 90 2 2 === Dòng điện I3: A R EU I AB 25 1 11590 3 3 3 −=−=−= Do I3 = -25A < 0 nên chiều thực của dòng điện I3 ngược với chiều đã vẽ trên hình vẽ. 2.Định luật Kiêcshôp a.Định luật Kiêcshôp 1 Định luật này cho ta quan hệ giữa các dòng điện tại một nút, được phát biểu như sau: Tổng đại số những dòng điện ở một nút bằng không. Trong đó quy ước dòng điện đi tới nút lấy dấu dương, dòng điện rời khỏi nút lấy dấu âm. ∑ = 0nutI Theo như hình vẽ thì: ( ) ( ) 0321 =−+−+ III B.Định luật Kiêcshôp 2 Định luật này cho ta quan hệ giữa sức điện động, dòng điện và điện trở trong một vòng khép kín, được phát biểu như sau: Đi theo một mạch vòng khép kín theo một chiều tùy ý đã chọn, tổng đại số những sức điện động bằng tổng đại số các điện áp rơi trên các điện trở của mạch vòng. ∑∑ = ERI Quy ước dấu: các sức điện động, dòng điện có chiều trùng chiều mạch vòng lấy dấu dương, ngược lại lấy dấu âm. Theo như hình vẽ thì: 321332211 EEEIRIRIR −+=+− I3 E1 R2=3Ω Ω R3=1ΩR1=2I1 I2 A B E3 = 115V I1 I3 I2 R2 I2 I3 I1 E3 E1 R1 R3 E2 Co mp ile d b y N gu ye n V an Th ai TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT Chương 1 Môn ĐIỆN GIA DỤNG NỘI DUNG Ví dụ: Tính dòng điện I3 và các sức điện động E1, E3 trong mạch điện hình vẽ. - 5 - Cho biết I2 = 10A, I1 = 4A, R1 = 1Ω, R2 = 2Ω, R3 = 5Ω. Lời giải: Áp dụng định luật Kiêcshôp 1 tại nút A: A III III 6410 0 123 321 =−= −=⇒ =−+− Áp dụng định luật Kiêcshôp 2 cho mạch vòng a: V IRIRE 2410.24.1 22111 =+= += Áp dụng định luật Kiêcshôp 2 cho mạch vòng b: V IRIRE 5010.26.5 22333 =+= += 3.Định luật Jun - Lenxơ Khi chuyển động trong vật dẫn, các điện tích bị va chạm vào các phần tử mang điện khác làm tăng mức chuyển động nhiệt của các phần tử này. Kết quả làm cho vật dẫn nóng lên, đó là tác dụng nhiệt của dòng điện. Khi đặt điện áp U vào vật dẫn có điện trở R thì sẽ có dòng điện I chạy trong vật dẫn. Lúc này vật dẫn tiếp nhận một công suất P như sau: R.I I.U P 2= = Trong khoảng thời gian t dòng điện thực hiện được một công A như sau: t.R.I t.P A 2= = Năng lượng (dưới dạng nhiệt năng) do dòng điện I sinh ra trong khoảng thời gian t là: t.R.I A Q 2== Đơn vị của A và Q là Jun, ký hiệu là J. Phát biểu của định luật Jun – Lenxơ: Nhiệt lượng do dòng điện sinh ra trong vật dẫn tỷ lệ thuận với bình phương dòng điện, với điện trở vật dẫn và thời gian tồn tại dòng điện trong vật dẫn. 1.5.Các biến đổi tương đương Biến đổi tương đương nhằm mục đích đưa mạch điện phức tạp về dạng đơn giản hơn. Khi biến đổi tương đương, dòng điện tại các bộ phận không bị biến đổi vẫn giữ nguyên. 1.Các điện trở mắc nối tiếp Điện trở tương đương Rtđ của các điện trở R1, R2,…, Rn mắc nối tiếp là: ntd RRRR +++= K21 I3 E1 R2 R1 R3I1 I2 B A E3 a b R1 R2 Rn Rtđ Co mp ile d b y N gu ye n V an Th ai TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT Chương 1 Môn ĐIỆN GIA DỤNG NỘI DUNG - 6 - 2.Các điện trở mắc song song Điện trở tương đương Rtđ của các điện trở R1, R2,…, Rn mắc song song được tính như sau: ntd RRRR 1111 21 +++= K Trong trường hợp chỉ có 2 điện trở R1 và R2 mắc song song thì điện trở tương đương của chúng sẽ là: 21 21 RR RR Rtd += Ví dụ: Tính dòng điện trong mạch điện như hình vẽ sau: Lời giải: Trước hết tính điện trở tương đương R23 của 2 điện trở R2 và R3 mắc song song: Ω=+=+= 8,1218 2.18. 32 32 23 RR RR R Sau khi tính được R23 ta có mạch thay thế đơn giản hơn: Các điện trở R1, R23 và R4 mắc nối tiếp, do đó điện trở tương đương R1234 được tính như sau: Ω=++=++= 1068,12,242311234 RRRR Dòng điện I sẽ được tính: A R EI 11 10 110 1234 == 3.Biến đổi sao (Y) thành tam giác (Δ) và ngược lại a.Biến đổi sao thành tam giác Giả thiết có 3 điện trở R1, R2, R3 nối hình sao. Biến đổi hình sao thành các điện trở đấu tam giác: R1 R2 Rn Rtđ E = 110V R1 = 2,2Ω R3 = 2ΩI R2 =18Ω 1 8 R4 = 6Ω 1 R1 R2R3 3 2 R12R31 R23 1 2 3 R23 =1,8Ω R1 = 2,2Ω I E = 110V R4 = 6Ω Co mp ile d b y N gu ye n V an Th ai TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT Chương 1 Môn ĐIỆN GIA DỤNG NỘI DUNG 2 13 1331 1 32 3223 3 21 2112 R RR RRR R RR RRR R RR RRR ++= ++= ++= thì: Trong trường hợp hình sao đối xứng: RRRR === 321 RRRR 3312312 === Giả thiết có 3 điện trở R - 7 - b.Biến đổi tam giác thành sao 12, R23, R31 nối hình tam giác. Biến đổi hình tam giác thành hình sao, điện trở các cạnh hình sao được tính như sau: 312312 2331 3 312312 1223 2 312312 3112 1 . . . RRR RR R RRR RR R RRR RR R ++= ++= ++= Trong trường hợp hình tam giác đối xứng: thì: RRRR === 31212 3 3321 RRRR === Ví dụ: Tính dòng điện I chạy qua nguồn của mạch cầu như hình vẽ, biết R1 = 12Ω, R3 = R2 = 6Ω, R4 = 21Ω, R0 = 18Ω, E = 240V, Rn = 2Ω. Lời giải: Biến đổi tam giác ABC (R1, R2, R0) thành sao RA, RB, RB C : Ω=++=++= Ω=++=++= Ω=++=++= 3 18612 6.18 6 18612 18.12 2 18612 6.12 321 20 321 01 321 21 RRR RR R RRR RR R RRR RR R C B A Điện trở tương đương toàn mạch: ( ) ( ) ( ) ( ) Ω=+++ ++=+++ ++= 8 21366 213.66. 43 43 RRRR RRRR R CB CB OD Điện trở tương đương toàn mạch: Ω=++=++= 12822ODAntd RRRR Dòng điện chạy qua nguồn: A R EI td 20 12 240 === Rn E I R1 R2 R3 R4 R0 A D B C Rn E I R3 R4 O D RA RB RC B C Co mp ile d b y N gu ye n V an Th ai TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT Chương 1 Môn ĐIỆN GIA DỤNG NỘI DUNG 1.1. Nguồn điện là gì? Tải là gì? Hãy cho các ví dụ về nguồn điện và tải. CÂU HỎI ÔN TẬP 1.2. Phát biểu định luật Ôm. 1.3. Phát biểu định luật Kiêcshôp. 1.4. Cho E = 100V, R = 10Ω, I = 5A. Tính điện áp U: a) b) 1.5. Cho E = 50V, R = 5Ω, U = 40V. Tính dòng điện I: a) b) 1.6. Một tải có điện trở R = 19Ω đấu vào một nguồn điện một chiều có E = 100V, điện trở trong của nguồn là Rtr = 1Ω. Tính dòng điện I, điện áp U và công suất P của tải. 1.7. Một nguồn điện có sức điện động E và điện trở trong Rtr = 0,5Ω cung cấp điện cho một tải có điện trở R. Biết điện áp của tải là U = 95V, công suất tải tiêu thụ là P = 950W. Tính E và R. 1.8. Cho một nguồn điện một chiều có sức điện động E = 50V, điện trở trong Rtr = 0,1Ω, cung cấp điện cho một tải có điện trở R. Biết công suất tổn hao trong nguồn điện là 10W. Tính dòng điện I, điện áp U, điện trở R, công suất Pt của tải. Tính công suất P của nguồn. 1.9. Bốn điện trở R - 8 - 1, R2, R3, R4 mắc nối tiếp và nối vào một nguồn điện có E = 12V. Dòng điện chạy trong mạch đo được là I = 25mA, điện áp đo trên các điện trở R1, R2 và R3 là 2,5V, 3V và 4,5V. Hãy vẽ sơ đồ mạch, cách mắc ampe kết và vôn kế để đo các đại lượng trên. Tính điện áp U4 trên điện trở R4. Tính các giá trị điện trở R1, R2, R3, R4. 1.10. Biết số chỉ của một số ampe kế trên hình sau. Hãy xác định số chỉ của các ampe kế còn lại. 1.11. Để có điện trở có giá trị là 150Ω, người ta mắc song song 2 điện trở R1 và R2 với nhau. Biết R1 = 330Ω, hãy tính R2. 1.12. Giá trị dòng điện chạy qua một mạch có hai điện trở R1 = 100Ω mắc song song với R2 = 47Ω là 100mA. Hãy tính dòng điện chạy qua các điện trở R1 và R2. Co mp ile d b y N gu ye n V an Th ai TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT Chương 1 Môn ĐIỆN GIA DỤNG NỘI DUNG CÂU HỎI ÔN TẬP 1.13. Cho mạch điện như hình vẽ, biết U = 80V; R = 1,25Ω; R1 = 6Ω; R2 = 10Ω. Tình dòng điện I, I - 9 - 1, I2, công suất nguồn P, công suất trên các điện trở PR, P , PR1 R2. Kiểm tra lại xem công suất nguồn phát ra có bằng với công suất tiêu thụ trên các điện trở hay không. 1.14. Cho mạch điện như hình vẽ, biết U = 120V; R1 = R2 = R3 = 2Ω; R4 = R5 = R6 = 6Ω. Tính dòng điện I và công suất nguồn.