Giáo trình Điện kỹ thuật (Nghề: Điện dân dụng-CĐ) - CĐ Cơ Giới Ninh Bình

Chia sẻ: Calliope09 Calliope09 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:94

Thêm vào BST

Báo xấu

27
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Điện kỹ thuật gồm 4 chương cung cấp các kiến thức như: Mạch điện một chiều; Điện từ và cảm ứng điện từ; Dòng điện xoay chiều hình sin một pha; Mạch điện xoay chiều ba pha. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Điện kỹ thuật (Nghề: Điện dân dụng-CĐ) - CĐ Cơ Giới Ninh Bình

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠ GIỚI NINH BÌNH GIÁO TRÌNH MÔN HỌC: ĐIỆN KỸ THUẬT NGHỀ: ĐIỆN DÂN DỤNG TRÌNH ĐỘ:CAO ĐẲNG Ban hành kèm theo Quyết định số: /QĐ-TCGNB ngày…….tháng….năm 2019 củaHiệu trưởngTrường Cao đẳng Cơ giới Ninh Bình Ninh Bình, năm 2019 1
TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm. 2
LỜI GIỚI THIỆU Cùng với công cuộc đổi mới công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước, kỹ thuật lạnh đang phát triển mạnh mẽ ở Việt Nam. Tủ lạnh, máy lạnh thương nghiệp, công nghiệp, điều hòa nhiệt độ đã trở nên quen thuộc trong đời sống và sản xuất. Các hệ thống máy lạnh và điều hòa không khí phục vụ trong đời sống và sản xuất như: chế biến, bảo quản thực phẩm, bia, rượu, in ấn, điện tử, thông tin, y tế, thể dục thể thao, du lịch... đang phát huy tác dụng thúc đẩy mạnh mẽ nền kinh tế, đời sống đi lên. Cùng với sự phát triển kỹ thuật lạnh, việc đào tạo phát triển đội ngũ kỹ thuật viên lành nghề được Đảng, Nhà nước, Nhà trường và mỗi công dân quan tâm sâu sắc để có thể làm chủ được máy móc, trang thiết bị của nghề. Được sự quan tâm sâu sắc của Đảng, Nhà nước và đặc biệt là Cơ quan chuyên môn là Tổng cục dạy nghề - Bộ lao động, Thương binh và Xã hội bộ giáo trình của nghề Kỹ thuật máy lạnh và điều hòa không khí được biên soạn trên cơ sở Chương trình dạy nghề áp dụng cho các trường đạt chuẩn quốc gia của nghề. Nghề Kỹ thuật máy lạnh và điều hòa không khí là một trong những chuyên ngành của ngành điện. Kỹ thuật điện là môn học cơ sở trong chương trình đào tạo trình độ Cao đẳng nghề Kỹ thuật máy lạnh và điều hòa không khí. Việc học tập tốt môn học này giúp học sinh, sinh viên có điều kiện để tiếp thu nội dung các kiến thức, kỹ năng chuyên môn phần điện của nghề tiếp theo. Giáo trình của môn học gồm 4 chương với thời lượng 75 tiết. Giáo trình gồm chương bao gồm: Chương 1: Mạch điện một chiều Chương 2: Điện từ và cảm ứng điện từ Chương 3: Dòng điện xoay chiều hình sin một pha Chương 4: Mạch điện xoay chiều ba pha Giáo trình đã đề cập tới những kiến thức cơ bản nhất, để học sinh sinh viên có thể hiểu được các hiện tượng điện, từ xảy ra trong các phần tử của mạch điện và giải được các bài toán cơ bản trong phạm vi của nghề về mạch điện. Mặc dù đã cố gắng, nhưng do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên giáo trình không thể tránh khỏi sai sót, rất mong được sự góp ý của đồng nghiệp. Xin chân thành cảm ơn! Ninh Bình, ngày…..........tháng…........... năm 2017 Tham gia biên soạn 1. Chủ biên: Lê Thị Kim MỤC LỤC 3
Lời giới thiệu 1 CHƯƠNG I: MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU 6 1.1. Khái niệm chung về dòng điện và mạch điện ................. 6 1.2. Dòng điện - mạch điện ................................ 9 1.3. Dòng điện trong các môi trường ......................... 12 1.4. Định luật ôm ..................................... 17 1.5. Công suất và năng lượng điện .......................... 26 1.6. Biến đổi điện năng thành nhiệt năng ...................... 29 Tóm tắt chương 1 ..................................... 31 Bài tậpchương 1 ...................................... 32 CHƯƠNG 2: ĐIỆN TỪ VÀ CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ 35 2.1. Điện từ ......................................... 35 2.2. Cảm ứng điện từ ................................... 43 Tóm tắt chương 2 ..................................... 54 CHƯƠNG 3: DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU HÌNH SIN MỘT PHA 55 3.1. Khái niệm ....................................... 55 3.2. Các đại lượng đặc trưng cho dòng điện xoay chiều hình sin ....... 57 3.3. Mạch điện xoay chiều thuần trở - thuần cảm - thuần dung ........ 61 3.4. Mạch điện xoay chiều r,l,c mắc nối tiếp .................... 69 3.5.Cộng hưởng điện áp ................................. 75 3.6.Ý nghĩa - cách nâng cao hệ số công suất ................... 77 Tóm tắt chương 3 ..................................... 80 Bài tập chương 3 ...................................... 81 CHƯƠNG 4: MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU BA PHA 84 4.1.Khái niệm về mạch điện xoay chiều ba pha .................. 84 4.2. Mắc nguồn điện theo hình sao .......................... 86 4.3.Mắc phụ tải theo hình sao ............................. 87 4.4. Mắc phụ tải ba pha theo hình tam giác ..................... 89 4.5. Công suất mạch ba pha ............................... 90 Tóm tắt chương 4 ..................................... 92 Bài tập chương 4 ...................................... 92 4
GIÁO TRÌNH MÔN HỌC Tên môn học: ĐIỆN KỸ THUẬT Mã môn học: MH10 Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của môn học: - Vị trí môn học: Là môn học cơ sở cung cấp cho học sinh, sinh viên những kiến thức cơ bản về điện để có thể tiếp thu nội dung các kiến thức chuyên môn phần điện trong các môn học chuyên môn của chuyên ngành Kỹ thuật máy lạnh và điều hòa không khí; Môn học được giảng dạy ở học kỳ I của khóa học cùng với các môn Vẽ kỹ thuật, Cơ kỹ thuật…và học trước các môn chuyên nghành. Điện kỹ thuật là môn học cơ sở trong chương trình đào tạo trình độ Trung cấp nghề và Cao đẳng nghề điện. Việc học tập tốt môn học này giúp học sinh, sinh viên có điều kiện để tiếp thu nội dung các kiến thức, kỹ năng chuyên môn phần điện của nghề tiếp theo. - Tính chất của môn học: Là môn học kỹ thuật cơ sở bắt buộc. - Ý nghĩa và vai trò của môn học: giúp cho sinh viên có kiến thức cơ bản về kỹ thuật điện, góp phần vào học các môn chuyên môn được tốt hơn, nâng cao hiệu quả học tập. Mục tiêu của môn học/mô đun: - Về kiến thức: Trình bày được các kiến thức cơ bản về từ trường, điện trường cũng như những kiến thức cơ bản về mạch điện 1 chiều, xoay chiều và các kiến thức cơ bản về máy điện. - Về kỹ năng: Phân tích được từ trường của dòng xoay chiều 1 pha, 3 pha, làm nền tảng để tiếp thu kiến thức chuyên môn phần điện; Phân tích được nguyên lý làm việc của máy điện và biết vận dụng các kiến thức cơ bản để giải các bài tập liên quan. - Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: Rèn luyện khả năng tư duy logic về điện, nắm được các kiến thức cơ bản làm nền tảng cho phần học thực hành về sau. 5
Nội dung của môn học: CHƯƠNG I: MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU Mã chương: MH10 – 01 Giới thiệu: Mạch điện một chiều được ứng dụng trong thực tế không nhiều; chủ yếu trên các thiết bị điện di động hoặc có công suất nhỏ. Song nghiên cứu kỹ mạch điện này làm cơ sở tư duy cho mạch điện xoạy chiều được ứng dụng rất phổ biến trong sản xuất và đời sống. Mục tiêu: Học xong chương này người học có khả năng: - Trình bày được khái niệm chung về dòng điện và mạch điện, hiểu được bản chất của dòng điện trong các môi trường; - Trình bày được định luật ôm và định luật Jun-Len Xơ, biết vận dụng các định luật để giải các bài tập liên quan; - Rèn luyện tính cẩn thận và chính xác. Tuân thủ các quy định, quy phạm về kỹ thuật điện. Nội dung chính: 1.1. 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 các vật đều được cấu tạo bởi các nguyên tử. Mỗi nguyên tử gồm một hạt nhân tích điện dương và các điện tích âm quay quanh hạt nhân. Khi các điện tử quay quanh hạt nhân nó ở trạng thái liên kết. Điện tử có thể thoát ra khỏi hạt nhân để trở thành điện tử tự do, chuyển động hỗn loạn giữa các phân tử và nguyên tử. Bình thường các nguyên tử trung hoà về điện. Khi mất bớt điện tử đi chúng trở thành ion dương. Ngược lại các nguyên tử cũng có thể nhận thêm điện tử để trở thành điện tích âm gọi là ion âm. Điện tử, ion dương, ion âm gọi chung là điện tích. Các vật thể bình thường đều trung hoà về điện các điện tích dương và điện tích âm phân bố đều trong vật thể. Do đó đặc tính điện của vật thể không thể hiện ra ngoài. Nếu dùng một tác nhân nào đó, chẳng hạn dùng phương pháp ma sát để truyền thêm hay làm mất bớt một số điện tử của vật thể nó sẽ mất tính trung hoà và trở thành vật tích điện. Lượng 6
điện tích mà vật thể nhận thêm hay mất bớt để trở thành vật tích điện gọi là điện lượng, hay còn gọi là điện tích, ký hiệu là q hoặc Q. Đơn vị điện tích là Cu lông (ký hiệu là C). Đặc tính cơ bản của điện tích là tác dụng lực lên các điện tích khác. Mỗi điện tích sẽ hút các điện tích khác dấu, đẩy các điện tích cùng dấu. Khoảng không gian bao quanh các điện tích mà ở đó có lực tác dụng của điện tích lên các điện tích khác gọi là điện trường của các điện tích. Các điện tích đều tạo ra xung quanh nó một điện trường. Điện trường của điện tích không chuyển động gọi là trường tĩnh điện. b. Cường độ điện trường Cường độ điện trường là đại lượng đặc trưng cho độ mạnh của F điện trường ký hiệu là  : = Q Ở đây: F là lực điện trường tác dụng lên điện tích điểm. Điện tích điểm là vật tích điện có kích thước rất nhỏ so với khoảng cách giữa vật và điện tích gây ra trên điện trường. Vì lực là đại lượng véc tơ nên cường độ điện trường cũng là đại lượng véc tơ. Phương và chiều của cường độ điện trường trùng với phương và chiều lực tác dụng lên điện tích dương. Hình vẽ 1-1 vẽ véc tơ  tại điểm M của điện trường tạo nên bởi hai bản phẳng tích điện trái dấu + Q và - Q. Để biểu diễn điện trường người ta dùng đường sức điện trường. Đó là những đường cong vẽ trong trường mà tiếp tiếp tuyến tại mỗi điểm của nó trùng với véc tơ + Q - cường độ điện trường Q tại điểm đó (hình 1.1) 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 Hình 1.1: Véc tơ cường độ điện trường điện trường đó là điện trường đều. c. Điện áp 7
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: F = . q A = F. l =  . q .l N t Trong đó l là khoảng cách giữa 2 điểm MN không phụ thuộc vào cách di chuyển của q từ M đến N nghĩa là không phụ thuộc vào dạng quỹ đạo của UMN điện tích q. Đại lượng đo bằng công di chuyển một đơn vị điện tích từ M đến N gọi là Hình 1.2: Điện tích điểm điện áp của điện trường. Ký hiệu là U. A Ta có: U = UMN = q Điện áp là đại lượng vô hướng. Trong điện trường đều ta có : A  .ql U    .l q q Từ đó ta xác định được cường độ của điện trường: U  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 Nếu đặt điện tích điểm q tại điểm M (hình 1- 2) và để tự do nó sẽ di chuyển đến điểm có cường độ điện trường bằng 0. Như vậy tại điểm M trong trường điện tích q có một thế năng W M . Nếu đặt ở điểm N có một thế năng W N . Đại lượng đặc trưng cho khả năng sinh công của trường tại mỗi điểm gọi là điện thế. Ký hiệu là V. Điện thế của trường tại mỗi điểm là thế năng của trường truyền cho một đơn vị điện tích điểm đặt tại điểm đó: WM WN VM  VN  q q Biết công di chuyển q từ M đến N bằng độ giảm thế năng từ M đến N; A = W M.W N = q( V M - V N ) 8
Mặt khác ta có: A qVM  V N  U MN    VM  V N  q q 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 vật có nhiều điện tích (điện tử và các ion) ở trạng thái tự do. Khi đặt trong điện trường các điện tích này sẽ chịu tác dụng lực và sẽ di chuyển, tạo thành dòng điện. Các vật dẫn thường là kim loại, dung dịch điện ly và các chất khí bị ion hoá. Kim loại dẫn điện bằng các điện tử tự do. Lớp điện tử ngoài cùng của kim loại có rất ít điện tử. Các điện tử này liên kết rất yếu với hạt nhân và dễ dàng bất ra khỏi nguyên tử, trở thành điện tử tự do. Do đó kim loại dẫn điện rất tốt. b. Điện môi (chất cách điện) Điện môi (chất cách điện) là các vật có rất ít điện tích ở trạng thái tự do. Khi đặt trong điện trường, nói chung trong điện môi coi như không có dòng điện.Tuy nhiên các điện tử bị lực điện trường tác dụng sẽ bị kéo lệch về một phía của phân tử, làm trọng tâm điện tích dương và âm tách nhau ra tạo thành một lưỡng cực điện. Giữa vật dẫn và điện môi là các chất có tính chất trung gian, gọi là chất bán dẫn. Đặc tính dẫn điện của chất này thay đổi tuỳ theo các yếu tố bên ngoài (điện trường, nhiệt độ, bức xạ, tạp chất vv…). 1.2. DÒNG ĐIỆN - MẠCH ĐIỆN 1.2.1. Dòng điện a. Định nghĩa 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 di chuyển ngược lại, từ nơi có điện thế thấp đến nơi có điện thế cao hơn tạo thành dòng điện. Vậy : Dòng điện là dòng các điện tích chuyển dời có hướng dưới tác dụng của điện trường. Người ta quy ước chiều dòng điện là chiều di chuyển của các điện tích dương, tức là hướng từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp hơn. Đó cũng là chiều điện trường. 9
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 đến nơi có điện thế cao hơn, nên chiều dòng điện tử ngược với chiều quy ước của dòng điện (hình 1- 3a). Anốt Catốt S I a b Hình 1.3: Quy ước chiều của dòng điện Trong dung dịch điện ly, dòng điện là các ion chuyển dời có hướng (hình 1-3b). Nó gồm hai dòng ngược chiều nhau dòng ion dương có chiều theo quy ước chiều của điện trường) và dòng ion âm ngược chiều quy ước. Như vậy các ion dương sẽ di chuyển từ a nốt (cực dương) về ka tốt (cực âm) nên được gọi là các cation (ion ở ca tốt). Các ion âm từ ca tốt về a nốt được gọi là các anion. Trong môi trường chất khí bị ion hoá, dòng điện là dòng các điện tử chuyển dời có hướng. Nó gồm các ion dương đi theo chiều của điện trường, từ a nốt về catốt, dòng ion âm và điện tử đi ngược chiều điện trường từ ka tốt về a nốt. b. Cường độ dòng điện Đại lượng đặc trưng cho độ lớn của dòng điện gọi là cường độ dòng điện (gọi tắt là dòng điện). Đơn vị là Am pe (A). Ký hiệu là I. Cường độ dòng điện là lượng điện tích chuyển qua tiết diện thẳng Q của dây dẫn trong một đơn vị thời gian I t 10
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); 1C t là thời gian đơn vị là giây(s) : 1A  1s 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) 1kA = 10 3 A ; -3 1mA = 10 (A) 1A = 10 -3 mA = 10 –6 (A) Nếu điện tích di chuyển không đều theo thời gian sẽ tạo ra dòng điện có cường độ thay đổi (ký hiệu là i). Giả sử trong thời gian rất nhỏ dt có lượng điện tích dQ qua tiết diện dây thì cường độ dòng điện sẽ là: dQ di  dt 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 ? Giải: Tính giá trị trung bình của dòng điện : Q 10 3 I   0,1( A) t 0,01 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: Q = I. t = 5 . 8 Am- pe giờ (Ah) = 40. 3600 = 144.000 (C) 1.2.2. Mạch điện và các yếu tố của mạch điện Mạch điện là tập hợp tất cả các thiết bị để dòng điện chạy qua. Các thiết bị lẻ chắp nối để tạo thành mạch điện gọi là các phần tử của mạch điện. Mạch điện gồm ba phần tử cơ bản là nguồn điện, vật tiêu thụ điện (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 11
Nguồn điện là các thiết bị biến đổi các dạng năng lượng khác thành năng lượng điện như pin ác quy (dùng năng lượng hoá học). Máy phát điện (năng lượng cơ học)...Trên sơ đồ nguồn điện được biểu thị bằng sức điện động (viết tắt là s.đ.đ) ký hiệu là E, có chiều đi từ cực âm về cực dương của nguồn và một điện trở trong hay nội trở ký hiệu r 0 . b. Dây dẫn Dây dẫn để dẫn dòng điện (truyền tải năng lượng điện) từ nguồn đến nơi tiêu thụ trên sơ đồ dây dẫn được biểu thị bằng một điện trở. c. Thiết bị tiêu thụ điện Thiết bị tiêu thụ điện để biến đổi năng lượng điện thành các dạng năng lượng khác, như ánh sáng (đèn điện), nhiệt năng (bếp điện, lò điện), cơ năng (động cơ)vv...Trên sơ đồ các tải như: bếp điện, lò điện, đèn điện vv...được biểu thị bằng một điện trở. Ký hiệu R. + CC CT A - Hình 1.4: Ký hiệu quy ước của mạch điện d. Các thiết bị phụ trợ Các thiết bị phụ trợ như thiết bị đóng cắt (cầu dao, máy cắt điện, áp tô mát...) Để đóng cắt mạch điện, thiết bị bảo vệ (cầu chì, rơ le...) dụng cụ đo (am pe mét, vôn mét...). 1.3. DÒNG ĐIỆN TRONG CÁC MÔI TRƯỜNG 1.3.1 Dòng điện trong kim loại a. Bản chất dòng điện trong kim loại 12
Kim loại ở trạng thái rắn có cấu tạo mạng tinh thể, ở mỗi nút mạng có ion dương dao động quanh vị trí cân bằng (hình 1- 5). Khoảng giữa các ion là các điện tử tự do chuyển động nhiệt hỗn loạn. Khi có điện trường (đặt vào hai đầu vật dẫn kim loại một hiệu điện thế) các điện tử tự do chịu tác dụng của lực điện trường chuyển dời theo một hướng xác định, ngược chiều điện trường tạo nên dòng điện trong kim loại. Vậy: Bản chất dòng điên trong kim loại là dòng chuyển dời có hướng của các điện tử tự do dưới tác dụng Hình 1.5: nút mạng có ion dương dao động quanh vị của điện trường trí cân bằng b. Ứng dụng của dòng điện trong kim loại Hiện tượng dẫn điện của kim loại được dùng để làm dây dẫn điện, chế tạo pin nhiệt điện và nhiều công việc khác nhau trong kỹ thuật điện. Sau đây ta xét ứng dụng để chế tạo pin nhiệt điện. Cho hai dây dẫn kim loại khác nhau tiếp xúc với nhau ở hai đầu thành một mạch kín (hàn chúng lại với nhau). Nếu ta giữ cho hai chỗ tiếp xúc (mối hàn) ở hai nhiệt độ khác nhau thì trong mạch xuất hiện một dòng điện. Dòng điện này gọi là dòng nhiệt điện. Sự xuất hiện dòng điện trong mạch đó chứng tỏ trong mạch có một sức điện động. Sức điện động gây nên dòng nhiệt điện gọi là sức nhiệt điện động. Dụng cụ có cấu tạo như vừa nói trên được gọi là cặp nhiệt điện hay pin nhiệt điện. Cặp nhiệt điện thường được dùng làm nguồn điện và để đo nhiệt độ. Vì sức nhiệt điện động của một cặp nhiệt điện trong kim loại thường rất nhỏ nên để có sức điện động đủ lớn người ta thường ghép nối tiếp nhiều cặp nhiệt điện thành bộ. Hiện nay người ta dùng cặp nhiệt điện bán dẫn có sức nhiệt điện động lớn hơn của kim loại nhiều lần. Vì hiệu điện thế tiếp xúc ở một mối hàn của cặp nhiệt điện phụ thuộc vào nhiệt độ của mối hàn đó nên nếu đo hiệu điện thế đó ta có thể xác định được nhiệt độ của mối hàn. Hiệu điện thế tiếp xúc được đo bằng milivôn mét. Thường trên bảng chia độ của milivôn mét đã ghi sẵn giá 13
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 * Thí nghiệm (hình 1- 6) Nhúng hai điện cực bằng than chì vào dung dịch đồng sunfát (C u S0 4 ). Cho dòng điện một chiều đi vào dung dịch mấy phút sau ta thấy một lớp đồng mỏng bám vào 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. * Giải thích Theo thuyết điện ly trong dung dịch ta có: + - C u S0 4  C u 2+ + S0 4 2 - CuSO4 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 Hình 1.6: Dòng điện một hướng xác định tạo nên dòng trong chất điện phân 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: Người ta dựa vào hiện tượng điện phân để tinh chế kim loại. Chẳng hạn như đồng sau khi nấu luyện còn nhiều tạp chất muốn thu được đồng có độ sạch cao người ta dùng phương pháp điện phân. Khi điện phân đồng nguyên chất sẽ bám vào cực âm còn tạp chất lắng xuống đáy. * Mạ điện: Mạ điện là phương pháp điện phân để phủ một lớp kim loại có khả năng chống ăn mòn tốt lên những đồ vật bằng kim loại khác. Khi đó vật cần được mạ được dùng làm cực âm, kim loại dùng để mạ làm cực dương, còn chất điện phân là dung dịch có muối của của kim loại 14
dùng để mạ. Hiện nay việc mạ vàng, mạ bạc và nhất là mạ kền bằng cách này rất phổ biến. * Đúc điện: Nguyên tắc của đúc điện cũng giống mạ điện. Khi đúc khuôn đúc được dùng làm cực âm, còn cực dương là kim loại mà ta muốn đúc và dung dịch điện phân là muối của kim loại đó. Khi đặt một điện áp vào hai điện cực đó kim loại sẽ kết thành một lớp lên khuôn đúc, dày hay mỏng là phụ thuộc vào thời gian điện phân. Sau đó người ta tách lớp kim loại ra khỏi khuôn và được vật cần đúc. Đúc điện là phương pháp đúc chính xác, do đó các khuôn đĩa hát, các bản in thường được chế tạo bằng phương pháp này. 1.3.3. Dòng điện trong chất khí a. Bản chất dòng điện trong chất khí * Thí nghiệm.(hình 1- 7) Đặt hai tấm kim loại song song nhau trong không khí. Nối chúng với nguồn một chiều ta thấy trong mạch không có dòng điện. Như vậy 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. Hình 1.7: Thí nghiệm dòng điện trong chất khí * Giải thích Trong những điều kiện bình thường trong chất khí hầu như hoàn toàn gồm những nguyên tử hay phân tử trung hoà về điện vì vậy chất khí không dẫn điện (là điện môi). Khi nhiệt độ tăng, vận tốc chuyển động của các phân tử khí tăng, do đó bị phân tách thành các ion dương và các êlectrôn tự do. Các êlectrôn này chuyển động tự do hoặc kết hợp với các nguyên tử trung hoà khác để trở thành ion âm. Do đó, dưới tác dụng của điện trường ngoài, ion dương chuyển động theo chiều điện trường, ion âm và êlectrôn chuyển động theo chiều ngược lại và tạo nên dòng điện trong chất khí. 15
* Kết luận 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 va chạm nhau, ion dương và êlectrôn có thể kết hợp với nhau thành một phân tử trung hoà. Hiện tượng đó được gọi là sự kết hợp ion. Sự ion hoá tiêu thụ năng lượng. Ngược lại, sự kết hợp ion giải phóng năng lượng. Năng lượng được giải phóng thường được xuất hiện dưới năng lượng ánh sáng. Vậy, sự kết hợp ion là một nguyên nhân phát sáng của chất khí. Sự phóng điện phát sáng được ứng dụng trong đèn ống để làm nguồn sáng. Trong đèn đựng hơi thuỷ ngân ở áp suất thấp, thành trong của ống được quét một hỗn hợp can xi vônfram, kẽm silicát và cađimi - borat. Khi có dòng điện phóng qua, hơi thuỷ ngân phát ra các tia tử ngoại, mắt người không nhìn thấy được. Các tia này kích thích hỗn hợp các chất bôi ở thành trong của ống làm cho chúng phát ra ánh sáng gần giống ánh sáng ban ngày, dịu hơn ánh sáng đèn điện thường. Dùng loại đèn ống này, ta tốn ít năng lượng điện so với khi dùng đèn điện thường đến ba bốn lần. Ngoài việc thắp sáng, người ta còn dùng nó để làm đèn quảng cáo với những màu sắc khác nhau: muốn có màu xanh lá mạ ta dùng khí acgôn, muốn có màu đỏ ta dùng khí nêôn… * Sự phóng điện hồ quang Trong ống phóng điện phát sáng, nếu ta giảm điện trở mạch ngoài để mật độ dòng điện phóng qua chất khí tăng lên khá mạnh và công suất tiêu thụ trong ống cũng tăng theo thì sự phóng điện phát sáng sẽ chuyển thành một dạng phóng điện tự duy trì khác gọi là phóng điện hồ quang. Đặc điểm của phóng điện hồ quang là dòng điện rất lớn (có thể tới vài trăm ngàn am pe trên một mi li mét vuông), nhưng hiệu điện thế giữa hai đầu lại rất nhỏ (khoảng vài chục vôn). Nguyên nhân là do hồ quang đã xuất hiện hai quá trình có tác dụng làm thay đổi sâu sắc tính chất của sự phóng điện. Đó là sự phát êlectrôn nhiệt từ cực âm bị nung đỏ dưới tác dụng bắn phá của các ion dương và sự phát êlectrôn tự động do tác dụng của điện trường mạnh trên cực âm. Phóng điện hồ quang có thể sinh ra ở áp suất thấp, áp suất thông thường và ở áp suất cao. Để có phóng điện hồ quang ở áp suất thường, ta 16
có thể dùng hai thỏi than chẳng hạn. Đặt hai đầu của chúng giáp nhau và nối hai đầu kia với hai cực của bộ ác quy khoảng vài chục vôn. Như vậy, khi tách khỏi hai thỏi than ra xa nhau một chút ta sẽ có được hồ quang điện. Mật độ dòng điện trong hồ quang điện rất lớn. Càng chạy lâu, thỏi than cực âm càng bị hao mòn và nhọn ra còn thỏi than cực dương thì do bị êlectrôn bắn phá nên lõm vào, tạo thành hố dương của hồ quang. Nhiệt độ hồ quang có thể tới 6000 0 K. Vì vậy phóng điện hồ quang được dùng làm các nguồn sáng mạnh trong các đèn chiếu, dùng để hàn kim loại, cắt kim loại và nấu chảy kim loại. Các đèn hồ quang dùng hơi thuỷ ngân phát ra tia tử ngoại. Do đó, chúng được dùng trong y học để chữa bệnh. Ngoài ra, phóng điện hồ quang còn được dùng trong các đèn chỉnh lưu thuỷ ngân để biến dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều. 1.4. ĐỊNH LUẬT ÔM 1.4.1. Định luật ôm đối với đoạn mạch a. Định luật Định luật Ôm nêu lên mối quan hệ giữa dòng điện qua một đoạn mạch và điện áp giữa hai đầu đoạn mạch đó. 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: U  l Dưới tác dụng của điện trường, các phân tử điện dẫn sẽ tạo thành dòng điện. Điện trường càng mạnh thì mật độ dòng điện càng lớn, tức mật độ dòng điện tỷ lệ với cường độ điện trường  =   ; : là mật độ I dòng điện:   s Ở đây  được gọi là điện dẫn suất, phụ thuộc vào bản chất dẫn điện của từng vật liệu. Điện dẫn suất càng lớn, vật liệu dẫn điện càng tốt. Thay  vào  ta có: I U  s l s Rút ra: I =  U  gU l Ở đây g được gọi là điện dẫn suất của đoạn mạch: s g  l 17
Như vậy dòng điện qua một đoạn mạch tỷ lệ với điện áp giữa hai đầu đoạn mạch với điện dẫn của đoạn mạch đó. Đó là định luật Ôm đối với đoạn mạch. Nghịch đảo của điện dẫn suất gọi là điện trở: ký hiệu là R 1 1 l l R   .   g  s s 1 ở đây  (rô) = gọi là điện trở suất của vật liệu. Từ đó ta có thể viết:  U I  R Định luật: Dòng điện qua một đoạn mạch tỷ lệ với điện áp hai đầu đoạn mạch, tỷ nghịch với điện trở của đoạn mạch. b. Điện trở - Sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ * Đơn vị của điện trở và điện dẫn Từ công thức của định luật Ôm ta có: U R  I Nếu cho U = 1V ; I = 1A thì R = 1  . Đơn vị điện trở trong hệ SI 1V gọi là ôm ký hiệu  (ô mê ga) 1  1A Ôm là điện trở của một đoạn mạch mà muốn có dòng điện 1A qua nó cần duy trì ở hai đầu một điện áp 1V Đơn vị điện dẫn là nghịch đảo của đơn vị điện trở gọi là si men. Ký hiệu là s: 1 1 1A 1s     1 1V 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 (  ) 1k  = 10 3  ; 1M  =10 3 k  = 10 6  1m  = 10 -3  ; 1  = 10 - 3 m  ; 1  = 10 -6  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: 18
U 12 R    6  I 2 Điện dẫn của đoạn mạch là: 1 1 g    0 ,166 ( s ) R 6 * Bản chất của điện trở Dòng điện là dòng các điện tích chuyển dời có hướng. Khi di chuyển trong vật dẫn các điện tích sẽ va chạm với các phân tử và nguyên tử, truyền bớt động năng cho chúng. Điện trở của vật dẫn chính là biểu hiện của mức độ va chạm đó. Nếu tiết diện của dây dẫn lớn, các điện tích sẽ di chuyển dễ dàng, ít gặp cản trở, điện trở tỷ lệ nghịch với tiết diện dây dẫn. Ngược lại chiều dài dây dẫn càng lớn, điện tích càng gặp cản trở lớn nên điện trở tỷ lệ với chiều dài vật dẫn. Nếu vật dẫn có mật độ điện tích tự do càng lớn nó dẫn điện càng tốt, tức là điện trở suất  nhỏ  lớn. Như vậy điện trở còn phụ thuộc vào từng l vật liệu làm vật dẫn. Biểu thức R   nêu lên mối quan hệ bản chất của s điện trở phát biểu như sau: Điện trở của một vật dẫn tỷ lệ với chiều dài, tỷ lệ nghịch với tiết diện và phụ thuộc vào vật liệu làm vật dẫn đó . Từ biểu thức trên ta rút ra điện trở suất : s R l Nếu cho s = 1 đơn vị diện tích, l = 1 đơn vị chiều dài thì   R . Vậy điện trở suất của vật liệu là điện trở của vật dẫn làm bằng vật liệu đó có tiết diện là một đơn vị diện tích, dài 1 đơn vị dài. Nếu s đo bằng m2 , l đo bằng m, R đo bằng ôm thì đơn vị của điện trở suất là: 2    m / m =m Trong thực tế s thường đo bằng mm2 đơn vị của  là:  mm2 / m = 10 -6 m Ví dụ : Tính điện trở của 1km dây đồng có tiết diện là: 2,5 mm2 ; 2  = 0,0172  mm / m 19
l 1000 R  0,0172  6,68  s 2,5 * Sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ Khi nhiệt độ kim loại tăng, các phân tử vật chất sẽ tăng mức chuyển động nhiệt. Do đó các điện tử di chuyển trong kim loại sẽ va chạm nhiều hơn. Do đó điện trở của vật liệu sẽ tăng khi nhiệt độ tăng. Đối với kim loại nguyên chất khi nhiệt độ tăng thì điện trở tăng. Các hợp kim như manganin, constantan có hệ số nhiệt điện trở rất nhỏ, nên điện trở của các vật dẫn bằng vật liệu này rất ít biến đổi theo nhiệt độ, chúng được dùng để chế tạo các điện trở mẫu và các điện trở có trị số biến thiên . Đối với dung dịch điện phân và than thì điện trở của các vật liệu này giảm khi nhiệt độ tăng c. Mắc các điện trở * Mắc nối tiếp Mắc nối tiếp các điện trở (hay A R1 R2 R3 B vật dùng điện) là cách mắc sao cho chỉ có một dòng điện duy nhất chạy U1 U2 U3 qua các điện trở (hình 1- 8). Như vậy cách mắc nối tiếp cách mắc không phân nhánh. Áp dụng định luật Ôm cho từng điện trở ta có: Hình 1.8: Điện trở mắc nối tiếp U 1 = I R 1 ; U2 = I R2 ; U3 = I R3 Điện áp giáng trên mỗi điện trở mắc nối tiếp tỷ lệ với trị số điện trở: U 1 : U2 : U 3 = R 1: R 2 : R 3 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: U=  A -  O = ( A -  B ) + ( B -  C ) + (  C-  D ) Hay tổng quát: U =  UR 20