Giáo trình Điện kỹ thuật (Nghề: Điện công nghiệp) - Trường CĐ Cộng đồng Lào Cai

Chia sẻ: Chuheo Dethuong25 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:106

Thêm vào BST

Báo xấu

48
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Điện kỹ thuật cung cấp các kiến thức cơ bản về điện tích, điện trường, điện thế, giải thích được các hiện tượng về điện, điện trường, sự tác dụng của điện trường lên vật dẫn, lên điện môi. Cung cấp các kiến thức về từ trường, lực từ, đường sức từ trường...mối liên quan điện - từ, từ - điện, chiều từ trường trong dây dẫn, trong vòng dây, ống dây; vận dụng để xác định được phương, chiều, độ lớn của lực điện từ, của véc tơ sức điện động cảm ứng, từ thông.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Điện kỹ thuật (Nghề: Điện công nghiệp) - Trường CĐ Cộng đồng Lào Cai

ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH LÀO CAI TRƯỜNG CAO ĐẲNG LÀO CAI BÀI GIẢNG MÔN HỌC: ĐIỆN KỸ THUẬT NGHỀ ĐÀO TẠO: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP (Áp dụng cho trình độ: Cao đẳng) LƯU HÀNH NỘI BỘ NĂM 2017
LỜI GIỚI THIỆU Tập bài giảng Điện kỹ thuật được biên soạn trên cơ sở chương trình khung của nghề Vận hành nhà máy thủy điện, được viết cho đối tượng đào tạo hệ cao đẳng.Vì vậy nội dung đã bám sát chương trình khung của nghề nhằm đạt mục tiêu đào tạo của nghề đồng thời tạo điều kiện cho người sử dụng tài liệu tốt và hiệu quả. Bài giảng được chia làm 04 chương, trong đó: Chương 1: Cung cấp các kiến thức cơ bản về điện tích, điện trường, điện thế, giải thích được các hiện tượng về điện, điện trường, sự tác dụng của điện trường lên vật dẫn, lên điện môi. Chương 2: Cung cấp các kiến thức về mạch điện một chiều (dòng điện, cường độ dòng điện, điện trở, điện trở suất, công suất, điện năng), viết, giải thích, vận dụng linh hoạt các biểu thức tính toán trong mạch điện một chiều tính toán các thông số (điện trở, dòng điện, điện áp, công suất, điện năng, nhiệt lượng) của mạch điện một chiều một nguồn, nhiều nguồn từ đơn giản đến phức tạp. Chương 3: Cung cấp các kiến thức về từ trường, lực từ, đường sức từ trường...mối liên quan điện - từ, từ - điện, chiều từ trường trong dây dẫn, trong vòng dây, ống dây; vận dụng để xác định được phương, chiều, độ lớn của lực điện từ, của véc tơ sức điện động cảm ứng, từ thông. Chương 4: Cung cấp các kiến thức đặc điểm cơ bản giữa dòng điện một chiều và dòng điện xoay chiều. Vận dụng để tính toán các thông số (tổng trở, dòng điện, điện áp...) của mạch điện xoay chiều một pha và ba pha 1
TẬP BÀI GIẢNG Tên môn học: Điện kỹ thuật Mã số môn học: MH 10 Thời gian môn học: 75giờ; (Lý thuyết: 30 giờ; Thí nghiệm, bài tập, thảo luận: 43 giờ; Kiểm tra: 2 giờ) I. VỊ TRÍ, TÍNH CHẤT CỦA MÔN HỌC: - Vị trí: Điện kỹ thuật là môn học kỹ thuật cơ sở trong danh mục các môn học/môđun đào tạo bắt buộc thuộc chương trình dạy nghề Vận hành nhà máy thuỷ điện. Môn học trang bị cho người học những kiến thức cơ sở về điện để người học học tiếp các môn liên quan; - Tính chất: Môn học dược bố trí giảng dạy trước khi học các môn học/ mô đun chuyên môn. II. MỤC TIÊU MÔN HỌC: * Kiến thức: - Vận dụng được các khái niệm về trường điện từ, về mạch điện, mạch từ để giải thích các hiện tượng về điện, ứng dụng các công thức để tính toán các thông số cơ bản của mạch từ mạch điện một chiều và xoay chiều. * Kỹ năng: - Phân biệt được các loại điện trở, tụ điện, cuộn cảm, nam châm điện, nam châm vĩnh cửu, các loại dây nối, bo mạch... - Thao tác thuần thục trên thiết bị điện xoay chiều, một chiều; - Sử dụng thành thạo các dụng cụ đo, dụng cụ nghề điện như: mỏ hàn, kìm điện, tuốc nơ vít. * Năng lực tự chủ và trách nhiệm: - Tích cực, chủ động và nghiêm túc trong học tập. 2
MỤC LỤC Trang Lời giới thiệu 1 Mục lục 3 CHƯƠNG 1: TĨNH ĐIỆN 6 1. Hiện tượng nhiễm điện 6 1.1. Sự nhiễm điện 6 1.2. Hai loại điện tích 7 1.3. Giải thích hiện tượng nhiễm điện bằng thuyết điện tử 8 1.4. Nhiễm điện do hưởng ứng 8 2. Khái niệm về điện trường 8 2.1. Định luật Cu lông 8 2.2. Định nghĩa và tính chất của điện trường; 9 2.3. Cường độ điện trường và đường sức điện trường 9 3. Điện thế - hiệu điện thế 11 3.1. Công của lực điện trường 11 3.2. Điện thế; 12 3.2. Hiệu điện thế . 12 4. Tác dụng của điện trường lên vật dẫn và điện môi 13 4.1. Vật dẫn trong điện trường 13 4.2. Điện môi trong điện trường 14 Câu hỏi ôn tập chương 1 18 CHƯƠNG 2: MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU 1. Khái niệm về dòng điện một chiều 19 1.1. Dòng điện và dòng điện một chiều 19 1.2. Chiều quy ước của dòng điện 19 1.3. Cường độ và mật độ dòng điện 20 2. Mạch điện và các phần tử của mạch điện 20 2.1. Mạch điện 20 2.2. Các phần tử cấu thành mạch điện. 20 3. Các định luật và biểu thức cơ bản trong mạch điện một chiều 22 3.1 Định luật Ôm; 22 3.2 Công suất và điện năng trong mạch điện một chiều 23 3.3 Định luật Jun - Len xơ 25 3.4 Định luật Pha ra đây 26 3.5 Hiện tượng nhiệt điện 27 4. Các phương pháp giải mạch điện một chiều 29 4.1 Phương pháp biến đổi điện trở 29 3
4.2 Phương pháp xếp chồng dòng điện 34 4.3 Các phương pháp ứng dụng định luật Kiếc Khốp 35 Câu hỏi ôn tập chương 2 43 CHƯƠNG 3: TỪ TRƯỜNG VÀ CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ 1. Đại cương về từ trường 45 1.1. Tương tác từ 45 1.2. Khái niệm về từ trường 46 1.3. Đường sức từ 46 2. Từ trường của dòng điện 47 2.1. Từ trường của dây dẫn thẳng 47 2.2. Từ trường của vòng dây và từ trường trong ống dây 48 3. Các đại lượng đặc trưng của từ trường 50 3.1. Sức từ động 50 3.2. Cường độ từ trường 50 3.3. Cường độ từ cảm 50 3.4. Hệ số từ thẩm 51 3.5. Vât liệu từ 51 4. Lực từ 52 4.1. Công thức Am pe 52 4.2. Quy tắc bàn tay trái 52 4.3. Lực từ tác dụng lên 2 dây dẫn thẳng 52 4.4. Ứng dụng 53 5. Hiện tượng cảm ứng điện từ 53 5.1. Từ thông 53 5.2. Công của lực điện từ 54 5.3. Hiện tượng cảm ứng điện từ 54 5.4. Sức điện động cảm ứng trong vòng dây có từ thông biến thiên; 55 5.5. Sức điện động cảm ứng trong dây dẫn thẳng chuyển động cắt 55 từ trường 5.6. Ứng dụng 56 6. Hiện tượng tự cảm và hỗ cảm 57 6.1. Từ thông móc vòng và hệ số từ cảm 57 6.2. Sức điện động tự cảm 58 6.3. Hệ số hỗ cảm 58 6.4. Sức điện động hỗ cảm 58 6.5. Ứng dụng: Nguyên lý máy biến áp 59 6.6. Dòng điện Phu cô và ứng dụng 60 Câu hỏi ôn tập chương 3 61 4
CHƯƠNG 4: DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU 1. Khái niệm về dòng điện xoay chiều 62 1.1. Dòng điện xoay chiều 62 1.2. Chu kỳ và tần số của dòng điện xoay chiều 62 1.3. Dòng điện xoay chiều hình sin 62 1.4. Pha và sự lệch pha 63 1.5. Biểu diễn lượng hình sin bằng đồ thị véc tơ 64 2. Các đại lượng đặc trưng 66 3. Giải mạch xoay chiều không phân nhánh 67 3.1. Giải mạch xoay chiều thuần trở, thuần cảm và thuần dung 67 3.2. Giải mạch xoay chiều RLC 73 3.3. Giải mạch xoay chiều có nhiều phần tử mắc nối tiếp 74 3.4. Công suất và hệ số công suất trong mạch xoay chiều 75 3.5. Cộng hưởng điện áp. 78 4. Giải mạch xoay chiều phân nhánh 82 4.1. Giải mạch bằng phương pháp đồ thị vec tơ 82 4.2. Giải mạch bằng phương pháp tổng dẫn 83 4.3. Cộng hưởng dòng điện 88 4.4. Phương pháp nâng cao hệ số công suất 89 5. Mạch xoay chiều 3 pha 91 5.1 Hệ thống 3 pha cân bằng 91 5.2 Sơ đồ đấu dây trong mạng 3 pha 93 5.3 Công suất mạng 3 pha 97 5.4 Phương pháp giải mạch ba pha cân bằng 98 Câu hỏi ôn tập chương 4 102 Tài liệu tham khảo 103 5
CHƯƠNG 1: TĨNH ĐIỆN I. MỤC TIÊU CỦA CHƯƠNG - Trình bày được các khái niệm cơ bản về điện tích, điện trường, điện thế; - Giải thích được các hiện tượng về điện, điện trường, sự tác dụng của điện trường lên vật dẫn, lên điện môi. - Chủ động, nghiêm túc trong học tập. II. NỘI DUNG CHI TIẾT 1. HIỆN TƯỢNG NHIỄM ĐIỆN 1.1. SỰ NHIỄM ĐIỆN Ta đã biết khi ta cọ xát những vật như thanh thủy tinh, thanh nhựa,…vào dạ hoặc lụa,…thì vật đó sẽ hút được những vật nhẹ như mẩu giấy, sợi bông,…ta nói rằng những vật đó đã bị nhiễm điện. Ngày nay chúng ta vẫn dựa vào hiện tượng hút các vật nhẹ để kiểm tra xem một vật có nhiễm điện hay không. Vật bị nhiễm điện được gọi là vật mang điện, vật tích điện hay một điện tích. Dựa vào đặc điểm của vật nhiễm điện là nó có khả năng hút các vật khác hoặc phóng tia lửa điện sang các vật khác. Cho nên muốn biết một vật đã nhiễm điện hay chưa thì ta đưa vật cần nhận biết đến gần: - Các vật nhẹ, nếu: + Nó hút được các vật nhẹ thì vật đó đã nhiễm điện. + Nó không hút được các vật nhẹ thì nó chưa nhiễm điện. - Các vật nhiễm điện khác, nếu có thể: + Có hiện tượng phóng điện thì vật đó đã bị nhiễm điện. + Không có hiện tượng phóng điện thì vật đó chưa nhiễm điện. 1.2. HAI LOẠI ĐIỆN TÍCH Điện tích điểm là một vật tích điện có kích thước rất nhỏ so với khoảng cách tới điểm mà ta xét. Có hai loại điện tích là điện tích dương (kí hiếu bằng dấu +) và điện tích âm (kí hiệu bằng dấu -). Điện tích chứa trong một vật bất kỳ bằng số nguyên lần điện tích nguyên tố. Điện tích của hạt electron là điện tích nguyên tố âm, điện tích của hạt proton là điện tích nguyên tố dương Các điện tích có hiện tượng tương tác điện có thể hút hoặc đẩy nhau, hai điện tích cùng loại (dấu) thì đẩy nhau, hai điện tích t khác loại (dấu) thì hút nhau. 6
1.3. GIẢI THÍCH HIỆN TƯỢNG NHIỄM ĐIỆN BẰNG THUYẾT ĐIỆN TỬ Nhà bác học Anh Tomson đưa ra học thuyết điện tử gồm các nội dung: Mọi vật chất trong tự nhiên là tập hợp của nhiều nguyên tử của chất đó - Kết cấu của nguyên tử của một chất gồm hai phần: + Hạt nhân mang điện tích dương Nhiều điện tử, mỗi điện tử mang điện tích âm nguyên tố (là điện tích âm nhỏ nhất bằng -1,6.10-19C). Các điện tử trong nguyên tử chuyển động theo nhiều quỹ đạo khác nhau. Điện tử được gọi là hạt sơ cấp, đó là cấu tạo nhỏ nhất của vật chất không thể phân chia được. Nguyên tử trung hoà về điện vì điện tích dương của hạt nhân bằng tổng điện tích âm của các điện tử trong nguyên tử. Kết cấu cân bằng về điện trong nguyên tử khó phá vỡ. Hiện tượng ion hoá: Việc phá vỡ kết cấu trung hoà về điện của nguyên tử gọi là sự ion hoá. Để ion hóa phải có những tác nhân bên ngoài như: nhiệt lượng, sự va đập cơ học,…Sau khi bị ion hoá, những nguyên tử nhận thêm điện tử từ các nguyên tử khác ( có thể cùng chất mà cũng có thể khác chất ) gọi là ion âm. Nguyên tử bị mất bớt điện tử gọi là ion dương Học thuyết điện tử là học thuyết căn cứ vào sự chuyển động của các điện tử (chuyển động trong nguyên tử, chuyển động sang nguyên tử khác, chuyển động sang vật khác…) để giải thích về đặc tính điện và các hiện tượng về điện. a. Nhiễm điện do cọ xát: Việc cọ xát thanh thuỷ tinh vào mảnh lụa làm cho một số điện tử từ các nguyên tử thuỷ tinh chuyển sang nguyên tử lụa, vì vậy nguyên tử thuỷ tinh trở thành ion dương. Thanh thuỷ tinh nhiễm điện dương do ma sát. Ngược lại lúc đó các nguyên tử lụa nhận thêm điện tử trở thành ion âm, mảnh lụa nhiễm điện âm do ma sát. Tương tự khi cọ xát thanh nhựa vào mảnh dạ, các điện tử từ dạ chuyển sang nhựa làm cho thanh nhựa nhiễm điện âm, còn mảnh dạ nhiễm điện dương do ma sát. b. Nhiễm điện do tiếp xúc: Nếu cho một vật chưa nhiễm điện tiếp xúc với một vật nhiễm điện thì nó sẽ bị nhiễm điện cùng dấu với vật đó Giải thích: Vật không mang điện tiếp xúc với vật nhiễm điện âm thì điện tử từ vật nhiễm điện âm chuyển sang vật không nhiễm điện làm cho vật đó trở thành nhiễm điện âm do tiếp xúc. Ngược lại khi tiếp xúc với vật nhiễm điện 7
dương thì vật đó trở thành nhiễm điện dương do điện tử di chuyển từ vật không nhiễm điện sang vật nhiễm điện dương nên vật đó cũng trở thành vật nhiễm điện dương Những vật chất có thể nhiễm điện do tiếp xúc gọi là chất dẫn điện. Ví dụ: Kim loại ( đồng, nhôm, sắt…) 1.4. NHIỄM ĐIỆN DO HƯỞNG ỨNG Hình 1.1: Hiện tượng nhiễm điện do hưởng ứng Đưa vật B không nhiễm điện đến gần vật A đã nhiễm điện (dương hoặc âm), thì trong vật B đầu gần với vật A nhiễm điện trái dấu với vật A, phía xa hơn nhiễm điện cùng dấu với A. Đó là hiện tượng nhiễm điện do hưởng ứng Đưa vật B không nhiễm điện đến gần vật A đã nhiễm điện dương (hoặc âm), mô tả trên hình thì các điện tử trong vật B sẽ bị hút (hoặc đẩy) các điện tử di chuyển về đầu gần (hoặc là đầu xa) vật A, làm cho trong vật B phía gần với vật A nhiễm điện trái dấu với vật A, phía xa hơn nhiễm điện cùng dấu với A Những chất không dẫn điện do tiếp xúc đều nhiễm điện do hưởng ứng và gọi là chất cách điện hay chất điện môi. Ví dụ ( gỗ, sứ, không khí, giấy,..). 2. KHÁI NIỆM VỀ ĐIỆN TRƯỜNG 2.1. ĐỊNH LUẬT CU - LÔNG Các điện tích cùng dấu thì đẩy nhau, trái dấu thì hút nhau, lực tương tác giữa các điện tích được gọi là tương tác điện Năm 1785, bằng thực nghiệm, Coulomb (nhà bác học người Pháp 1736 – 1806) đã xác lập được biểu thức định lượng tương tác giữa hai điện tích có kích thước rất nhỏ so với khoảng cách giữa chúng đặt đứng yên trong chân không Nội dung: Lực hút hay đẩy giữa hai diện tích điểm đặt trong chân không có phương trùng với đường thẳng nối hai điện tích điểm đó, có độ lớn tỉ lệ thuận với tích độ lớn của hai điện tích và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng. q1.q2 F  k. (1.1) r2 Trong đó: q1 , q2 là độ lớn của hai điện tích 8
N .m 2 k là hệ số tỉ lệ, k  9.109 , r là khoảng cách giữa hai điện tích. C2 Nếu hai điện tích điểm được đặt trong một điện môi đồng tính thì lực tương tác giữa hai điện tích sẽ yếu đi  lần so với khi đặt chúng trong chân không. Công thức định luật Cu – lông trong trường hợp này: q1 .q2 F  k. (1.2)  .r 2  là hằng số điện môi Bảng hằng số điện môi của một số chất 2.2. ĐỊNH NGHĨA VÀ TÍNH CHẤT CỦA ĐIỆN TRƯỜNG Điện trường là môi trường (dạng vật chất) bao quanh điện tích và gắn liền với điện tích. Nơi nào có điện tích thì xung quanh điện tích đó có điện trường. Tính chất cơ bản của điện trường là tác dụng lực điện lên các điện tích khác đặt trong nó. Một điện tích Q nằm tại một điểm trong không gian sẽ gây ra xung quanh nó một điện trường. Một điện tích q nằm trong điện trường đó sẽ bị Q tác dụng một lực điện và ngược lại, q cũng tác dụng lên Q một lực Chính nhờ tính chất cơ bản này mà ta biết được sự có mặt của điện trường, như vậy hai điện tích Q và q không trực tiếp tác động lên nhau mà mà Q gây ra quanh nó một điện trường và điện trường này tác dụng lên điện tích q, và ngược lại. Lực này được gọi là lực điện trường 2.3. CƯỜNG ĐỘ ĐIỆN TRƯỜNG VÀ ĐƯỜNG SỨC ĐIỆN a, Cường độ điện trường Định nghĩa: Cường độ điện trường tại một điểm là đại lượng đặc trưng cho tác dụng lực của điện trường tại điểm đó. Nó được xác định bằng thương số độ lớn của lực điện F tác dụng lên một điện tích thử q (dương) đặt tại điểm đó và độ lớn của q. F E (1.3) q E Cường độ điện trường tại điểm mà ta xét 9
Cường độ điện trường được biểu diễn bằng một vectơ gọi là vectơ cường   F độ điện trường: E  (1.4) q  E : Phương và chiều trùng với phương và chiều của lực điện tác dụng lên điện tích thử q dương, chiều dài biểu diễn độ lớn của cường độ điện trường theo một tỉ xích nào đó.  Nếu E không đổi cả về phương chiều và độ lớn tại mọi điểm trong điện trường thì ta có điện trường đều. b, Đường sức điện Định nghĩa: là đường mà tiếp tuyến tại mỗi điểm của nó là giá của vectơ cường độ điện trường tại điểm đó. Nói cách khác là đường mà lực điện tác dụng dọc theo nó Hệ đường sức là là tập hợp các đường sức mô tả không gian có điện trường. Tập hợp các đường sức điện trường được gọi là phổ đường sức điện trường hay điện phổ Hình 1.2 Hình dạng đường sức điện của một số điện trường a. Đường sức của điện tích dương b. Đường sức của điện tích âm c. Đường sức của hệ 2 điện tích dương đặt gần nhau d. Đường sức của một điện tích dương và điện tích âm đặt gần nhau Các đặc điểm của đường sức điện: + Qua mỗi điểm trong điện trường có một đường sức điện và chỉ một mà thôi + Đường sức điện là những đường có hướng. Hướng của đường sức điện tại một điểm là hướng của vectơ cường độ điện trường tại điểm đó. + Đường sức điện của điện trường tĩnh điện là đường không khép kín. Nó đi ra từ điện tích dương và kết thúc ở điện tích âm. Trong trường hợp chỉ có 10
một điện tích thì các đường sức đi từ điện tích dương ra vô cực hoặc từ vô cực tới điện tích âm. + Tuy các đường sức điện là dày đặc nhưng người ta chie vữ một số đường theo quy ước: Số đường sức điện đi qua một diện tích nhất định đặt vuông góc với đường sức điện tại điểm mà ta xét tỉ lệ với cường độ điện trường tại điểm đó. Như vậy: chỗ có cường độ điện trường mạnh thì số các đường sức từ sẽ mau, chỗ có cường độ điện trường nhỏ thì số các đường sức từ sẽ thưa, điện trường đều thì các đường sức là những đường thẳng song song và cách đều nhau 3. ĐIỆN THẾ - HIỆU ĐIỆN THẾ 3.1. CÔNG CỦA LỰC ĐIỆN TRƯỜNG Công của lực điện trường là năng lượng của điện trường dùng để di chuyển điện tích từ điểm này đến điểm khác trong điện trường Điện tích Q di chuyển theo đường thẳng MN, làm với các đường sức điện một góc α, với MN = s Công của lực điện trong sự di chuyển của điện tích trong điện trường đều từ M đến N:  A MN  F .s  F .s.cos  Mà ta có: F = E.d và s.cos   d thì A MN  q.E.d (1.5)  Trong đó α là góc giữa lực F và độ dời s , d là hình chiếu của độ dời s trên một đơn vị đường sức điện. + Nếu α < 900 thì cosα >0, do đó d > 0 và AMN > 0. + Nếu α > 900 thì cosα < 0, do đó d < 0 và AMN < 0. Điện tích q di chuyển theo đường gấp khúc MPN. Tương tự như trên, ta có: AMPN = Fs1.cosα1 + Fs2cosα2 Với s1.cosα1 + s2cosα2 = d, ta có AMPN = qEd Trong đó, d = MH là khoảng cách của hình chiếu từ điểm đầu đến hình chiếu của điểm cuối của đường đi trên một đường sức điện. Kết quả có thể mở rộng cho các trường hợp đường đi từ M đến N là một đường gấp khúc hoặc đường cong. Như vậy, công của lực điện trong sự di chuyển của điện tích trong điện trường đều từ M đến N là: AMPN = qEd 11
Công của lực điện trường không phụ thuộc vào hình dạng của đường đi mà chỉ phụ thuộc vào vị trí của điểm đầu M và điểm cuối N của đường đi. 3.2. ĐIỆN THẾ Định nghĩa: Điện thế tại một điểm M trong điện trường là đại lượng đặc trưng riêng cho điện trường về phương diện tạo ra thế năng khi đặt tại đó một điện tích q. Nó được xác định bằng thương số của công của lực điện tác dụng lên AM  q khi q di chuyển từ M ra vô cực và độ lớn của q: VM  (1.6) q Đơn vị điện thế: Vôn kí hiệu V Đặc điểm của điện thế: + Là đại lượng đại số vì q > 0 nên nếu AM∞ > 0 thì V M > 0. Nếu AM∞ < 0 thì VM < 0. + Điện thế của đất và một điểm ở vô cực thường được chọn làm mốc và bằng 0 q + Điện thế tại điểm M gây bởi điện tích q: VM  K (1.7) r Khi một điện tích q di chuyển từ điểm M đến điểm N trong một điện trường thì công mà lực điện tác dụng lên điện tích đó sinh ra sẽ bằng độ giảm thế năng của điện tích q trong điện trường: AMN  VM  VN 3.3. HIỆU ĐIỆN THẾ Hiệu điện thế giữa hai điểm M và N là hiệu giữa điện thế tại M VM và điện thế tại N VN : U MN  VM  VN AM  AN   U MN  VM  VN   q q Mà AM   AMN  AN  AMN AN  AN  A => U MN     U MN  MN q q q q Định nghĩa: Hiệu điện thế giữa hai điểm M và N trong điện trường đặc trưng cho khả năng sinh công của điện trường trong sự di chuyển của một điệm tích từ M đến N. Nó được xác định bằng thương số của công của lực điện tác dụng lên điện tích q trong sự di chuyển từ M đến N và độ lớn của q: AMN U MN  (1.8) q Đơn vị hiệu điện thế cũng là Vôn (V). 12
Vôn là hiệu điện thế giữa hai điểm mà nếu di chuyển điện tích q = 1C từ điểm nọ đến điểm kia thì lực điện sinh công là 1 J. Xét hai điểm M và N trên một đường sức điện của một điện trường đều. Nếu di chuyển một điện tích q trên một đường thẳng MN thì công của lực điện sẽ là: AMN = qEd với d = MN Hiệu điện thế giữa hai điểm M và N sẽ là: AMN q.E.d U U MN    E.d  E  (1.9) q q d Công thức này cho thấy tại sao ta lại dùng đơn vị của cường độ điện trường là Vôn trên mét (V/m). 4. TÁC DỤNG CỦA ĐIỆN TRƯỜNG LÊN VẬT DẪN VÀ ĐIỆN MÔI 4.1. VẬT DẪN TRONG ĐIỆN TRƯỜNG Hiện tượng: Khi chưa có điện trường tác dụng vào vào vật dẫn thì các electron tự do luôn luôn chuyển động hỗn loạn. Khi đặt vật dẫn vào trong một điện trường ngoài thì các electron tự do chuyển động hỗn độn trong vật dẫn sẽ phân bố lại để tạo ra một điện trường làm mất tác dụng của điện trường ngoài xâm nhập vào. Trạng thái mà điện trường trong vật dẫn bằng không được gọi là trạng thái cân bằng tĩnh điện. Trong vật dẫn kim loại dưới tác dụng của điện trường ngoài dù nhỏ thì các electron vẫn chuyển động có hướng và tạo thành dòng điện nhưng dòng điện chỉ tồn tại trong thời gian rất ngắn. Vậy muốn các electron tự do này nằm cân bằng trong vật dẫn thì cần thỏa mãn các điều kiện: + Vectơ cường độ điện trường tại mọi điểm bên trong vật dẫn đều bằng 0:  Etr  0 + Thành phần tiếp tuyến của vectơ cường độ điện trường tại mọi điểm ở bên trên mặt vật dẫn phải bẳng 0 Kết luận – Bên trong vật dẫn điện trường bằng không. Do bên trong vật dẫn có sẵn các điện tích tự do nếu điện trường khác 0 nó sẽ tác dụng lực lên các điện tích tự do và gây ra dòng điện trái với trạng thái cân bằng tĩnh điện – Đối với vật dẫn rỗng, điện trường ở phần rỗng bằng không nếu ở phần này không có điện tích. – Cường độ điện trường tại một điểm trên mặt ngoài vật dẫn vuông góc với mặt vật. Vì nếu cường độ điện trường không vuông góc với mặt vật dẫn thì 13
sẽ có một thành phần tiếp tuyến với mặt vật dẫn thì thành phần này sẽ tác động lên các điện tích tự do gây ra dòng điện trên mặt vật dẫn Ứng dụng: Chế tạo ra màn chắn tĩnh điện. Các máy tĩnh điện thường được đặt trong một vỏ bằng kim loại để tránh ảnh hưởng điện bên ngoài. Vỏ kim loại đó giữ vai trò của màn điện. Các đèn điện tử, các dây điện thoại, dây micrô đều được bọc ở ngoài bằng những lưới thép. Lưới thép có tác dụng như một màn điện giữ cho chế độ làm việc của đèn và dòng điện chạy trong dây được ổn định, không bị nhiễu bởi ảnh hưởng điện bên ngoài .Ðể giữ cho điện thế của màn không đổi, người ta nối màn điện với đất. Nếu trên màn điện có các điện tích thì các điện tích này sẽ theo dây dẫn truyền xuống đất. Dây nối với đất được gọi là dây “mass”. - Sự phân bố điện tích trên mặt vật dẫn chỉ phụ thuộc vào hình dạng của vật dẫn. Đối với vật dẫn đối xứng như hình cầu, phẳng, trụ, điện tích được phân bố đều trên toàn mặt vật, ngược lại đối với các dạng bất kỳ, sự phân bố điện tích là không đều, điện tích chỉ tập trung ở chỗ mũi nhọn - Ở một vật dẫn rỗng nhiễm điện, điện tích chỉ phân bố ở mặt ngoài của vật dẫn. - Điện tích phân bố trên mặt ngoài vật dẫn không đều. Ở những chỗ lồi điện tích tập trung nhiều hơn; ở những chỗ mũi nhọn điện tích tập trung nhiều nhất; ở chỗ lõm hầu như không có điện tích. - Điện tích phân bố trên mặt ngoài không đều, nên cường độ điện trường ở mặt ngoài của vật dẫn cũng khác nhau. - Nơi nào điện tích tập trung nhiều hơn, điện trường ở đó mạnh hơn. Ứng dụng: Chế tạo ra cột thu lôi. Những tia sét với điệp áp và dòng điện vô cùng lớn sẽ được cung cấp một đường dẫn với điện trở thấp dẫn xuống mặt đất, có thể tạo thành các dòng điện khi có sét đánh. Nếu có sét đánh, cột thu lôi sẽ mang dòng điện có hại ra khỏi toàn nhà và xuống mặt đất an toàn. 4.2. ĐIỆN MÔI TRONG ĐIỆN TRƯỜNG Hiện tượng: Khác với các chất dẫn điện, trong các chất điện môi không có các điện tích tự do. Chúng không thể dẫn điện được. Tuy nhiên khi ta đặt một điện môi, vào trong một điện trường đủ lớn thì sẽ xuất hiện các điện tích trên chất điện môi. Hiện tượng đó được gọi là hiện tượng phân cực điện môi. Các điện tích được gọi là các điện tích phân cực Lưỡng cực phân tử: mỗi phân tử của chất điện môi đều gồm hai phần một phần gồm các hạt nhân nguyên tử mang điện tích dương và phần còn lại là các 14
êlectrôn mang điện tích âm quay quanh các hạt nhân. Bình thường, các phân tử của chất điện môi trung hoà điện. Do sự phân bố của các êlectrôn quanh các hạt nhân người ta chia chất điện môi làm hai loại: một loại có các êlectrôn phân bố không đối xứng quanh các hạt nhân. Ðối với loại này, trọng tâm điện tích âm O_ và trọng tâm điện tích dương O+ cách nhau một đoạn  phân tử loại trên gọi là phân tử tự phân cực (hình 1.3 a). Ðó là trường hợp của các chất điện môi như H2O. Loại phân tử thứ hai có các êlectrôn phân bố đối xứng quanh các hạt nhân. Khi đó trọng tâm các điện tích âm O_ và trọng tâm điện tích dương O+ trùng nhau. Phân tử không trở thành lưỡng cực điện và được gọi là phân tử không tự phân cực (hình 1.3 b). Hình 1.3 a Hình: 1.3 b Ta có thể giải thích quá trình xuất hiện điện tích ở trên chất điện môi dựa vào cấu tạo phân tử của chất điện môi. Ở đây chỉ giới hạn nghiên cứu trường hợp chất điện môi đồng chất và đẳng hướng. Chất điện môi đồng chất và đẳng hướng là chất điện môi trong đó các tính chất vật lý nói chung và sự phân cực nói riêng tại mọi điểm và theo mọi phương đều như nhau. Giải thích hiện tượng phân cực: Khi có điện trường ngoài ở từng phân tử các điện tích trái dấu dịch chuyển về hai hướng ngược chiều nhau. Ở một phía xuất hiện điện tích dương và phía còn lại xuất hiện điện tích âm khi đó mỗi phân tử trở thành một lưỡng cực. Sự dịch chuyển các điện tích gây lên sự xuất hiện các điện tích trên mặt điện môi Ta xét một khối điện môi đặt trong một điện trường và lần lượt nghiên cứu quá trình phân cực của hai loại chất điện môi kể trên. Hình: 1.4 a Hình: 1.4 b Hình 1.4 c 15
Loại chất điện môi có phân tử tự phân cực: Ðối với loại này, khi ta chưa đặt khối điện môi vào trong điện trường, các lưỡng cực phân tử do chuyển động nhiệt nên sắp xếp hỗn loạn theo mọi phương (Hình 1.4 a). Do đó tổng vectơ của các mômen lưỡng cực phân tử bằng không, trên khối điện môi không xuất hiện các điện tích. Dưới tác dụng của điện trường ngoài E0 mỗi lưỡng cực phân tử sẽ chịu tác dụng của một ngẫu lực và có xu hương quay sao cho moomen lưỡng cực có phương và chiều trùng với phương và chiều của E0 nếu điện trường đủ lớn thì các lưỡng cực phân tử có thể coi như nằm song song với nhau theo phương chiều của điện trường ngoài (hình 1.4 b). Khi đó bên trong khối điện môi các trọng tâm điện tích dương và trọng tâm các điện tích âm của các phân tử sẽ trung hòa nhau nhưng trên mặt giới hạn trước và sau của khối điện môi các điện tích dương và âm vẫn tồn tại (hình 1.4 c). Như vậy có các điện tích trái dấu xuất hiện ở hai mặt giới hạn trước và sau của khối điện môi. Mặt điện trường ngoài đi vào sẽ tích điện âm, mặt điện trường ngoài đi ra sẽ tích điện dương. Chất điện môi đã bị phân cực. Loại chất điện môi có phân tử không tự phân cực. Ðối với loại này, khi ta chưa đặt khối điện môi vào trong điện trường ngoài, các trọng tâm điện tích dương và âm của các phân tử trùng nhau. Trong khối điện môi không có các lưỡng cực phân tử xuất hiện và trên mặt khối điện môi cũng không có các điện tích xuất hiện (hình 1.5 a) Hình: 1.5 a Hình: 1.5 b Dưới tác dụng của điện trường ngoài E0 các trọng tâm điện tích dương và âm của các phân tử tách nhau ra và mỗi phân tử trở thành một lưỡng cực điện có mômen lưỡng cực điện sắp xếp theo phương chiều của E0 . Quá trình xảy ra giống như trường hợp trên: ở các mặt giới hạn trước và sau của khối điện môi 16
cũng xuất hiện các điện tích trái dấu và khối điện môi đã bị phân cực (hình 1.5b). Kết luận: Dù chất điện môi thuộc loại nào, khi đặt vào trong một điện trường ngoài thì ở trên hai mặt giới hạn của khối điện môi cũng xuất hiện các điện tích trái dấu. Các điện tích này đều là các điện tích liên kết, định xứ ở trên mặt giới hạn của khối điện môi. Tuỳ theo chất điện môi, điện tích của các lưỡng cực phân tử sẽ lớn hay nhỏ và tuỳ thuộc theo cường độ điện trường bên ngoài và các lưỡng cực phân tử sẽ quay hướng nhiều hay ít. Vậy mức độ phân cực của một chất điện môi phụ thuộc vào bản chất của chất điện môi và cường độ điện trường bên ngoài. Khi đặt một vật điện môi trong điện trường thì điện môi bị phân cực. Do sự phân cực của điện môi nên mặt ngoài của điện môi trở thành các mặt nhiễm điện. 17
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 1 Câu 1: Trình bày nội dung thuyết điện tử? Vận dụng thuyết điện tử để giải thích hiện tượng nhiễm điện do cọ xát? Câu 2: Trình bày định nghĩa và tính chất của điện trường? Câu 3: Trình bày định nghĩa đường điện và tính chất của đường sức điện? Câu 4: Trình bày hiện tượng, kết luận và ứng dụng của vật dẫn trong điện trường? Câu 5: Trình bày hiện tượng, kết luận và ứng dụng của điện môi trong điện trường? Câu 6: Trình bày định nghĩa của điện thế và hiệu điện thế? Mối quan hệ của hiệu điện thế và cường độ điện trường? Câu 7: Xây dựng công thức tính công của lực điện trường? Câu 8: Trình bày định nghĩa và phương, chiều của vectơ cường độ điện trường? Câu 9: Trình bày nội dung của định luật Cu – lông? Biểu thức tính lực tương tác giữa hai điện tích khi đặt trong điện môi đồng tính? Câu 10: Vận dụng thuyết điện tử giải thích hiện tượng nhiễm điện do tiếp xúc, nhiễm điện do hưởng ứng? 18
CHƯƠNG 2: MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU I. MỤC TIÊU CỦA CHƯƠNG - Trình bày được các khái niệm về mạch điện một chiều (dòng điện, cường độ dòng điện, điện trở, điện trở suất, công suất, điện năng); - Viết, giải thích, vận dụng linh hoạt các biểu thức tính toán trong mạch điện một chiều; - Tính toán các thông số (điện trở, dòng điện, điện áp, công suất, điện năng, nhiệt lượng) của mạch điện một chiều một nguồn, nhiều nguồn từ đơn giản đến phức tạp. - Tích cực, chủ động trong học tập, áp dụng các kiến thức vào thực tế. II. NỘI DUNG CHI TIẾT 1. KHÁI NIỆM VỀ DÒNG ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1. DÒNG ĐIỆN VÀ DÒNG ĐIỆN MỘT CHIỀU Khi đặt vật dẫn trong điện trường, dưới tác dụng của lực điện trường, các điện tích dương sẽ di chuyển từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp hơn, còn các điện tích âm sẽ di chuyển ngược lại từ nơi có điện thế thấp đến nơi có cao hơn và tạo thành dòng điện. Vậy: Dòng điện là dòng các hạt mang điện chuyển dời có hướng dưới tác dụng của lực điện trường. Dòng điện một chiều là dòng chuyển dời đơn hướng của các điện tử. Dòng điện một chiều tạo ra từ các nguồn như pin, acquy. Dòng điện không đổi là dòng điện có chiều và cường độ không thay đổi theo thời gian. 1.2. CHIỀU QUY ƯỚC CỦA DÒNG ĐIỆN Người ta quy ước chiều dòng điện là chiều di chuyển của các điện tích dương tức là hướng nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp hơn, và đó cũng là chiều của điện trường. + Trong kim loại: Dòng điện là dòng các điện tử chuyển dời có hướng. Vì điện tử di chuyển từ nơi có điện thế thấp hơn đến nơi có điện thế cao hơn nên dòng điện tử ngược với chiều quy ước của dòng điện. + Trong dung dịch điện ly: Dòng điện là dòng các ion chuyển dời có hướng. Nó gồm có hai dòng ngược chiều nhau đó là: Dòng ion dương có chiều theo chiều quy ước của điện trường và dòng ion âm có chiều ngược chiều quy ước. Các ion dương sẽ di chuyển từ Anốt (cực dương) về Catôt (cực âm) nên gọi là các Cation, các ion âm di chuyển từ catốt về Anôt nên gọi là các Anion. 19