Giáo trình Kỹ thuật điện (Nghề: Điện dân dụng) - Trường CĐ Cộng đồng Lào Cai

Chia sẻ: Chuheo Dethuong25 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:136

Thêm vào BST

Báo xấu

47
lượt xem 11
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

(NB) Giáo trình Kỹ thuật điện cung cấp các kiến thức về các phương pháp biến đổi và công thức tính toán để giải một mạch điện cụ thể như mạch điện một chiều; xoay chiều một pha và ba pha. Cung cấp kiến thức về đảm bảo an toàn cho người và thiết bị khi vận hành, kiểm tra và sửa chữa thiết bị điện. Cấp cứu được nạn nhân đúng kỹ thuật khi xảy ra tai nạn về điện

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Kỹ thuật điện (Nghề: Điện dân dụng) - Trường CĐ Cộng đồng Lào Cai

ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH LÀO CAI TRƢỜNG CAO ĐẲNG LÀO CAI GIÁO TRÌNH NỘI BỘ MÔN HỌC: KỸ THUẬT ĐIỆN NGHỀ ĐÀO TẠO: ĐIỆN DÂN DỤNG TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP LƢU HÀNH NỘI BỘ Năm 2020
LỜI GIỚI THIỆU Bài giảng Kỹ thuật điện đƣợc biên soạn trên cơ sở chƣơng trình chi tiết môn học Kỹ thuật điện của nghề điện công nghiệp, đƣợc viết cho đối tƣợng đào tạo hệ cao đẳng và trung cấp có thể sử dụng đƣợc. Bài giảng Điện kỹ thuật là một trong những tập bài giảng kü thuËt cơ sở nghề quan trọng trong chƣơng trình đào tạo cao đẳng và trung cấp nghề.Vì vậy nội dung đã bám sát chƣơng trình khung của nghề nhằm đạt mục tiêu đào tạo của nghề đồng thời tạo điều kiện cho ngƣời sử dụng tài liệu tốt và hiệu quả. Bài giảng đƣợc xây dựng với sự tham gia của các giáo viên trong khoa Điện- Điện tử Trƣờng CĐ Lào cai. Giáo trình đƣợc chia làm 03 chƣơng, trong đó: Chương 1: Cung cấp các kiến thức về các phƣơng pháp biến đổi và công thức tính toán để giải một mạch điện cụ thể nhƣ mạch điện một chiều; xoay chiều một pha và ba pha. Chương 2: Cung cấp kiến thức về đảm bảo an toàn cho ngƣời và thiết bị khi vận hành, kiểm tra và sửa chữa thiết bị điện. Cấp cứu đƣợc nạn nhân đúng kỹ thuật khi xảy ra tai nạn về điện. Chương 3: Cung cấp kiến thức về các loại vật liệu điện để phục vụ cho công tác sửa chữa, thay thế. Tác giả bày tỏ sự cảm ơn chân thành đến Ban giám hiệu, Phòng Đào tạo, Khoa Điện – Điện tử đã tạo điều kiện để bài giảng đƣợc hoàn thành. Bài giảng biên soạn khó tránh khỏi thiếu sót, rất mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp từ các đồng nghiệp và các bạn đọc để bài giảng ngày càng hoàn thiện hơn. . 1
MỤC LỤC LỜI GIỚI THIỆU ...................................................................................................... 1 CHƢƠNG I: MẠCH ĐIỆN ....................................................................................... 4 1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN. .................................................. 4 1.1. MẠCH ĐIỆN VÀ MÔ HÌNH MẠCH ĐIỆN. ................................................. 4 1.2. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN TRONG MẠCH ĐIỆN ..................................... 9 2. MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU. .............................................................................. 10 2.1. CÁC ĐỊNH LUẬT VÀ BIỂU THỨC CƠ BẢN TRONG MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU. ............................................................................................................... 10 2.2. CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI TƢƠNG ĐƢƠNG .................................................. 16 2.3 CÁC PHƢƠNG PHÁP GIẢI MẠCH MỘT CHIỀU ...................................... 22 3. DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU HÌNH SIN ........................................................... 30 3.1. KHÁI NIỆM VỀ DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU HÌNH SIN ......................... 30 3.2. CÁC ĐẠI LƢỢNG ĐẶC TRƢNG CỦA DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU HÌNH SIN. .................................................................................................................... 32 3.3. BIỂU DIỄN ĐẠI LƢỢNG HÌNH SIN BẰNG ĐỒ THỊ VECTO.................. 33 3.4. GIẢI MẠCH XOAY CHIỀU HÌNH SIN ..................................................... 36 4. MẠNG BA PHA.................................................................................................... 51 4.1. KHÁI NIỆM CHUNG .................................................................................. 51 4.2. SƠ ĐỒ ĐẤU DÂY TRONG MẠNG BA PHA CÂN BẰNG........................ 53 4.3. CÔNG SUẤT MẠNG BA PHA CÂN BẰNG .............................................. 57 4.4. PHƢƠNG PHÁP GIẢI MẠNG BA PHA CÂN BẰNG ................................ 58 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƢƠNG I ............................................................................ 62 BÀI TẬP CHƢƠNG I ............................................................................................ 63 CHƯƠNG 2: AN TOÀN ĐIỆN ............................................................................... 67 2.1 ẢNH HƢỞNG CỦA DÒNG ĐIỆN ĐỐI VỚI CƠ THỂ CON NGƢỜI ............. 67 2.2. NGUYÊN NHÂN GÂY RA TAI NẠN VỀ ĐIỆN ........................................... 70 2.3. CÁC BIỆN PHÁP SƠ CẤP CỨU CHO NẠN NHÂN KHI BỊ ĐIỆN GIẬT .... 72 2.4. CÁC BIỆN PHÁP BẢO VỆ AN TOÀN CHO NGƢỜI VÀ THIẾT BỊ KHI SỬ DỤNG ĐIỆN. ......................................................................................................... 75 2.5. TIÊU CHUẨN CẤP BẬC KỸ THUẬT AN TOÀN ........................................ 83 2.6. CÁC BIỂN BÁO AN TOÀN VỀ ĐIỆN........................................................... 85 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƢƠNG II ........................................................................... 92 2
CHƢƠNG III: VẬT LIỆU ĐIỆN............................................................................ 93 1. VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN ................................................................................... 93 1.1.KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN ............................ 93 1.2 TÍNH CHẤT CHUNG CỦA VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN ................................ 95 1.3. NHỮNG HƢ HỎNG THƢỜNG GẶP VÀ CÁCH CHỌN VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN .................................................................................................................. 99 1.4. MỘT SỐ VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN THÔNG DỤNG. ................................ 100 2. VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN .................................................................................... 112 2.1. KHÁI NIỆM VÀ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN .................. 112 2.2 TÍNH CHẤT CHUNG CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM ............................. 113 2.3. NHỮNG HƢ HỎNG THƢỜNG GẶP VÀ CÁCH CHỌN VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN ................................................................................................................ 115 2.4 MỘT SỐ VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN THÔNG DỤNG .................................... 118 3. VẬT LIỆU DẪN TỪ ........................................................................................ 125 3.1. KHÁI NIỆM VÀ TÍNH CHẤT VẬT LIỆU DẪN TỪ ................................ 125 3.2 MỘT SỐ VẬT LIỆU DẪN TỪ THÔNG DỤNG ........................................ 127 4. VẬT LIỆU BÁN DẪN ..................................................................................... 129 4.1. KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI CHẤT BÁN DẪN .................................... 129 4.2. ỨNG DỤNG CHẤT BÁN DẪN ................................................................ 132 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƢƠNG III........................................................................ 134 3
TẬP BÀI GIẢNG MÔN HỌC: KỸ THUẬT ĐIỆN Tên môn học: Kỹ thuật điện Mã môn học: MH 07 I. VỊ TRÍ, TÍNH CHẤT CỦA MÔN HỌC: - Vị trí môn học: Môn học đƣợc bố trí song song hoặc sau khi học sinh học xong các môn học chung và trƣớc các môn học/ mô đun chuyên môn. - Tính chất của môn học: Là môn học lý thuyết cơ sở bắt buộc. II. MỤC TIÊU MÔN HỌC: 1. Kiến thức: - Vẽ đƣợc sơ đồ nguyên lý mạch điện, phân tích và tính toán đƣợc các đại lƣợng điện mạch điện một chiều; xoay chiều. - Mô tả đƣợc tác dụng của dòng điện đối với cơ thể con ngƣời, nguyên nhân gây ra tai nạn về điện, các biện pháp cấp cứu ngƣời khi bị tai nạn điện giật và các biện pháp kỹ thuật an toàn điện. - Mô tả đƣợc đặc điểm và ứng dụng các vật liệu dẫn điện, cách điện, dẫn từ, vật liệu kết cấu. 2. Kỹ năng: - Vận dụng các công thức tính toán cho mạch điện cụ thể tính toán các thông số của mạch điện cụ thể nhƣ mạch điện một chiều; xoay chiều một pha, xoay chiều ba pha. - Vận dụng các kiến thức đảm bảo an toàn khi vận hành, sửa chữa thiết bị điện. Cấp cứu đƣợc nạn nhân khi xảy ra tai nạn về điện. - Lựa chọn đúng loại vật liệu điện phục vụ cho công tác sửa chữa, thay thế. 3. Năng lực tự chủ và trách nhiệm: - Nghiêm túc, chủ động trong học tập. Ứng dụng các kiến thức đã học vào thực tế. 4
CHƢƠNG I: MẠCH ĐIỆN I. MỤC TIÊU CỦA CHƢƠNG: - Phát biểu đƣợc các khái niệm, định luật, định lý cơ bản trong mạch điện một chiều, xoay chiều, mạch ba pha. - Vận dụng các biểu thức để tính toán các thông số kỹ thuật trong mạch điện một chiều, xoay chiều, mạch ba pha ở trạng thái xác lập. - Vận dụng các phƣơng pháp phân tích, biến đổi mạch để giải các bài toán về mạch điện hợp lý. - Giải thích một số ứng dụng đặc trƣng theo quan điểm của kỹ thuật điện. II. NỘI DUNG CHI TIẾT 1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN. 1.1. MẠCH ĐIỆN VÀ MÔ HÌNH MẠCH ĐIỆN. 1.1.1. Mạch điện. Mạch điện là tập hợp các thiết bị điện nối với nhau bằng các dây dẫn tạo thành những vòng kín trong đó dòng điện có thể chạy qua. Mạch điện gồm 3 phần tử cơ bản là nguồn điện, thiết bị tiêu thụ điện, dây dẫn ngoài ra còn có các thiết bị phụ trợ nhƣ: thiết bị đóng cắt, đo lƣờng, bảo vệ, tự động… Ví dụ: Sơ đồ mạch điện đơn giản nhƣ hình vẽ: a. Nguồn điện - Là các thiết bị để biến đổi các dạng năng lƣợng nhƣ: Cơ năng, hoá năng, nhiệt năng, thuỷ năng, năng lƣợng nguyên tử…thành điện năng. - Nguồn điện có thể là nguồn một chiều hoặc xoay chiều. + Nguồn một chiều: Pin, acquy, máy phát điện một chiều,... + Nguồn xoay chiều: Lấy từ lƣới điện, máy phát điện xoay chiều,… - Các nguồn điện công suất lớn thƣờng đƣợc truyền tải từ các nhà máy điện (nhiệt điện, thủy điện, điện nguyên tử...). - Các nguồn điện một chiều thƣờng đƣợc đặc trƣng bằng sức điện động E, điện trở trong r. Với nguồn xoay chiều thƣờng biểu diễn bằng công suất P (công suất máy phát) và điện áp ra u. 5
Hình 1.2: Một số loại nguồn điện b. Thiết bị tiêu thụ điện (Phụ tải) Là các thiết bị sử dụng điện năng để chuyển hóa thành một dạng năng lƣợng khác, nhƣ dùng để thắp sáng (quang năng), chạy các động cơ điện (cơ năng), dùng để chạy các lò điện (nhiệt năng)... . Các thiết bị tiêu thụ điện thƣờng đƣợc gọi là phụ tải (hoặc tải) và ký hiệu bằng điện trở R hoặc bằng tổng trở Z. Hình 1.3: Một số loại phụ tải thông dụng c. Dây dẫn Có nhiệm vụ liên kết và truyền dẫn dòng điện từ nguồn điện đến nơi tiêu thụ. Thƣờng làm bằng kim loại đồng hoặc nhôm và một số vật liệu dẫn điện có điện dẫn suất cao khác. d. Các thiết bị phụ trợ: - Dùng để đóng cắt nhƣ: Cầu dao, công tắc, aptômát, máy cắt điện, công tắc tơ... - Dùng để đo lƣờng: Ampe mét, vôn mét, oát mét, công tơ điện… - Dùng để bảo vệ: Cầu chì, rơ le, … 1.1.2. Mô hình mạch điện Khi tính toán , mạch điện thực đƣợc thay thế bằng một sơ đồ gọi là mô hình mạch điện, trong đó các phầ n tƣ̉ thƣ̣c đƣơ ̣c thay thế bằ ng các phầ n tƣ̉ lý tƣởng: E, J, R - Yêu cầu về mô hình mạch điện: mô hình mạch điện phải đảm bảo kết cấu hình học và quá trình năng lƣợng giống nhƣ mạch điện thực. - Một mạch thực có thể có nhiều mô hình mạch điện, điều đó là tuỳ thuộc vào mục đích nghiên cứu và điều kiện làm việc của mạch điện. a. Phần tử điện trở Điện trở R đặc trƣng cho quá trình tiêu thụ điện năng và biến đổi điện năng sang dạng năng lƣợng khác nhƣ nhiệt năng, quang năng, cơ năng v…v. 6
Quan hệ giữa dòng điện và điện áp trên điện trở : UR =R.I (1.1) Đơn vị của điện trở là Ω (ôm) ; Công suất điện trở tiêu thụ: P = RI2 ; (1.2) R I UR - Điện năng tiêu thụ trên điện trở trong khoảng thời gian t là: A  RI 2t (1.3) - Đơn vị của điện năng là Wh, KWh. b. Phần tử điện cảm - Khi có dòng điện i chạy qua cuộn dây có w vòng sẽ sinh ra từ thông móc vòng qua cuộn dây:   w (1.4) - Điện cảm của cuộn dây đƣợc định nghĩa  w L  (1.5) i i di - Sức điện động tự cảm: eL   L (1.6) dt - Đơn vị của điện cảm là H (Henri). Quan hệ giữa dòng điện và điện áp trên điện cảm: di UL = - eL = - L. (1.7) dt UL: còn gọi là điện áp rơi trên điện cảm di Công suất trên cuộn dây: PL = UL.i = L.i. (1.8) dt i2 Năng lƣợng từ trƣờng tích lũy trong cuộn dây: WM = L. (1.9) 2 Nhƣ vậy điện cảm L đặc chƣng cho hiện tƣợng tích lũy lăng lƣợng từ trƣờng của cuộn dây. L i uL c. Phần tử điện dung - Khi đặt điện áp của uc lên tụ điện có điện dung C thì tụ sẽ đƣợc nạp điện với điện tích q: q  CU C (1.10) 7
- Quan hệ giữa dòng điện và điện áp trên điện dung C là: 1 dq d .C.U C d .U 1 C 0 i= = = c. C  UC = . i.dt (1.11) dt dt dt - Công suất trên tụ điện: d .U C d .U C pC = UC.i = C.UC. = C.UC. (1.12) dt dt U C2 .C - Năng lƣợng điện trƣờng của tụ điện: WE = (1.13) 2 Nhƣ vậy điện dung C đặc trƣng cho hiện tƣợng tích lũy năng lƣợng điện trong tụ diện. Đơn vị của điện dung là: F (Fara).  F (1 F  106 F ); nF (1nF  109 F ) ; pF (1 pF  1012 F ) C i uC d. Phần tử nguồn điện áp u(t) - Nguồn điện áp đặc trƣng cho khả năng tạo nên và duy trì một điện áp trên hai cực của nguồn. Chiều điện áp đƣợc quy định từ điểm có hiệu điện thế cao xuống điểm có hiệu điện thế thấp. Chiều sức điện động đƣợc quy định từ điểm có điện thế thấp đến điểm có điện thế cao. - Quan hệ giữa sức điện động và điện áp đầu cực nguồn: u(t)= e(t) e u(t) e. Phần tử nguồn dòng điện j(t) Nguồn dòng đặc trƣng cho khả năng của nguồn điện tạo nên và duy trì một dòng điện cung cấp cho mạch ngoài. J(t) 8
1.2. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN TRONG MẠCH ĐIỆN 1.2.1. Dòng điện và chiều qui ƣớc của dòng điện Khi đặt vật dẫn trong điện trƣờng, dƣới tác dụng của lực điện trƣờng, các điện tích dƣơng sẽ di chuyển từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp hơn, còn các điện tích âm (các điện tử) sẽ di chuyển ngƣợc lại từ nơi có điện thế thấp đến nơi có điện thế cao hơn và tạo thành dòng điện. Vậy: Dòng điện là dòng các điện tử chuyển dời có hướng dưới tác dụng của lực điện trường. * Chiều quy ƣớc của dòng điện: Theo quy ƣớc: chiều dòng điện là chiều chuyển rời của các điện tích dƣơng. + Trong kim loại : Dòng điện là dòng các điện tử chuyển dời có hƣớng. Vì điện tử di chuyển từ nơi có điện thế thấp hơn đến nơi có điện thế cao hơn nên dòng điện tử ngƣợc với chiều quy ƣớc của dòng điện. + Trong dung dịch điện ly : Dòng điện là dòng các ion chuyển dời có hƣớng. Nó gồm có hai dòng ngƣợc chiều nhau đó là: Dòng ion dương có chiều theo chiều quy ƣớc của điện trƣờng và dòng ion âm có chiều ngƣợc chiều quy ƣớc. Các ion dƣơng 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. + Trong môi trường chất khí bị ion hoá : Dòng điện là dòng các ion và điện tử chuyển dời có hƣớng. Nó gồm có dòng ion dƣơng đi theo chiều của điện trƣờng từ Anốt về Catốt, và dòng ion âm và điện tử đi ngƣợc chiều điện trƣờng từ Catốt về Anốt. Nhƣ vậy trong vật dẫn, dòng điện sẽ đi từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp, trong nguồn điện thì ngƣợc lại dòng điện đi từ cực có điện thế thấp đến cực có điện thế cao. 1.2.2. Cƣờng độ dòng điện Đại lƣơng đặc trƣng cho độ lớn của dòng điện đƣợc gọi là Cƣờng độ dòng điện, ký hiệu là I (hoặc i). Cƣờng độ dòng điện là lƣợng điện tích qua tiết diện dây dẫn trong một đơn vị thời gian (tính bằng giây) q Ta có: I= (1.11) t Trong đó: I: Cƣờng độ dòng điện, đơn vị là ampe (A) t: thời gian, đơn vị là giây (s) q: lƣợng điện tích, đơn vị là culong (C) 1.2.3. Mật độ dòng điện Mật độ dòng điện là đại lƣợng đo bằng tỉ số giữa dòng điện qua dây dẫn và tiết diện dây: 9
I j (1.12) S Nếu S = 1  j = I. Vậy mật độ dòng điện chính là cƣờng độ dòng điện qua 1 đơn vị tiết diện dây. I (A), S (mm2) nên j đơn vị là ( A ) mm2 Cƣờng độ dòng điện dọc theo một đoạn dây dẫn là không đổi thì chỗ nào dây dẫn có tiết diện nhỏ thì mật độ dòng điện sẽ lớn và ngƣợc lại. 2. MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU. 2.1. CÁC ĐỊNH LUẬT VÀ BIỂU THỨC CƠ BẢN TRONG MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU. 2.1.1. Định luật Ôm * Định luật ôm cho đoạn mạch: U Dòng điện trong 1đoạn mạch tỷ lệ thuận với I R điện áp 2 đầu đoạn mạch và tỷ lệ nghịch với + - điện trở của đoạn mạch. U * Công thức: I =  U = I. R (1.13) R Điện áp đặt vào điện trở ( còn gọi là sụt áp trên điện trở) tỷ lệ thuận với trị số điện trở và dòng điện qua điện trở. * Định luật ôm cho toàn mạch Có mạch điện không phân nhánh nhƣ hình vẽ: I Rd - Nguồn điện có sức điện động là E, điện trở trong của nguồn là r0 E Ud - Phụ tải có điện trở R U R - Điện trở đƣờng dây Rd r0 R0 Áp dụng định luật ôm cho đoạn mạch ta có: - Sụt áp trên phụ tải: U = I.R - Sụt áp trên đƣờng dây Ud = I.Rd - Sụt áp trên điện trở trong của nguồn U0 = I. r0 Muốn duy trì đƣợc dòng điện I thì sức điện động của nguồn phải cân bằng với các sụt áp trong mạch E = U +U1 +U0 = I.( R + Rd + r0) = I.  R  R = R + R d + r0 Vậy dòng điện trong mạch tỉ lệ thuận với sức điện động của nguồn và tỉ lệ nghịch với điện trở toàn mạch. E I= E (1.14) R R  r0 10
Phát biểu định luật Ôm: Dòng điện qua một đoạn mạch tỷ lệ thuận với điện áp hai đầu đoạn mạch, tỉ lệ nghịch với điện trở của đoạn mạch. 2.1.2. Công suất và điện năng trong mạch một chiều a. Công của dòng điê ̣n Công của dòng điê ̣n là công của lực điện c huyể n dich ̣ các điê ̣n tić h trong ma ̣ch điê ̣n. Giả sử trên một đoạn mạch có điện áp là U , dòng điện là I , trong thời gian t lƣơ ̣ng điê ̣n tić h chuyể n qua đoa ̣n ma ̣ch là : q = I.t. (1.15) Tƣ̀ đinh ̣ nghi ã về điê ̣n áp ta thấ y công của lƣ̣c bằ ng tić h của điê ̣n tić h di chuyể n qua đoa ̣n ma ̣ch. A = q.U = U.I.t (1.16) Trong đo lƣờng ta thƣờng dùng đon vi ̣của công là Jun ký hiê ̣u là J. Vây: Công của dòng điê ̣n sản ra trên mô ̣t đoa ̣n ma ̣ch tỷ lê ̣ với điê ̣n áp hai đầ u đoa ̣n ma ̣ch, dòng điện qua mạch và thời gian duy trì dòng điện. b. Công suấ t của dòng điê ̣n Công suất của dòng điện là công của dòng điện thực hiện đƣợc trong 1đơn vị thời gian A U .I .t P   U .I (1.17) t t Vâ ̣y công suấ t của dòng điê ̣n trên mô ̣t đoa ̣n ma ̣ch tỷ lê ̣ với điê ̣n áp ở hai đầ u đoa ̣n ma ̣ch và dòng điê ̣n qua ma ̣ch. U2 P = U.I = I2.R = (1.18) R Đơn vi ̣của công suấ t ngƣời ta dùng đơn vi ̣đo là: Oát ký hiệu W, KW, MW. c. Công suấ t của nguồ n điê ̣n Công của nguồ n điê ̣n là số đo năng lƣơ ̣ng chuyể n hóa các da ̣ng năng lƣơ ̣ng khác thành điện năng, và đƣợc tính theo công thƣ́c: Pt = E.I (1.19) Vậy : công suấ t của nguồ n điê ̣n bằ ng tích số giƣ̃a sƣ́c điê ̣n đô ̣ng nguồn và dòng điê ̣n qua nguồ n. d. Điện năng trong mạch điện 1 chiều Điện năng tiêu thụ trong mạch điện 1 chiều ký hiệu là A: A = P.t (1.20) Trong đó: P: là công suất của mạch điện (W) t: là thời gian dòng điện đi trong mạch (h) Vì vậy đơn vị của điện năng là oát-giờ (Wh), KWh, MWh. Ví dụ1: Một bóng đèn ghi 220 V, 100W. 1) Gải thích ký hiệu đó. 11
2) Tính điện trở bóng đèn (ở trạng thái làm việc). 3) Nếu bóng đèn đó đặt vào điện áp U‟ = 110V thì công suất tiêu thụ của bóng đèn là bao nhiêu? giả thiế t khi đó điện trở của bóng đèn là không đổi? Giải 1) Bóng đèn ghi 220V, 100W nghĩa là điện áp làm việc ứng với 220V thì đèn làm việc bình thƣờng, đảm bảo các tính năng kỹ thuật theo quy định của nhà chế tạo và khi đó công suất tiêu thụ là 100W. 220V - là điện áp định mức của bóng đèn, kí hiệu Uđm. 100W - là công suất định mức của đèn kí hiệu là Pđm. 2) Điện trở của đèn ở trạng thái làm việc bình thƣờng đƣợc tính theo công thức: 2 U đm 220 2 r   484  Pđm 100 3) Gọi công suất tiêu thụ ứng với điện áp U‟ là P‟ và ứng với điện áp định mức là Pđm thì khi đó ta có: 2 U đm U '2 P ' U '2 Pđm = và P‟ = ta rút ra  2 k2 r r Pđm U đm Với khi ta giả thiết là r không đổi. Vậy công suất tiêu thụ của đèn ứng với điện áp U‟ = 110V là 110 2 P‟ = Pđm.k2 = 100.( ) = 25W. 220 Ví dụ 2: Một pin có sđđ E = 6V cung cấp cho bóng đèn có R = 10  . Dòng điện qua đèn I = 0,4A. Tính công suất tổn hao trên điện trở trong của pin và trị số điện trở đó. Điện trở dây nối không đáng kể. Giải - Công suất phát của nguồn PPt = E.I = 6. 0,4 =2,4W - Công suất tiêu thụ trên bóng đèn P = I2.R = 0,42.10 = 1,6 W - Công suất tổn hao trên điện trở bóng: P0 = PPt – P = 2,4 -1,6 =0,8 W P0 0,8 - Điện trở trong của pin: r0 = 2   5 I 0,4 2 2.1.3. Định luật Jun – Lenxơ Định luật này do hai nhà Bác học là Jun (người Anh) và Lenxơ (người Nga) tìm ra bằng thực nghiệm năm 1844 nên ngƣời ta gọi là định luật Jun - Lenxơ. Phát biểu định luật: Nhiệt lƣợng do dòng điện toả ra trên một điện trở tỷ lệ với bình phƣơng dòng điện, với trị số điện trở và thời gian dòng điện chạy qua. Q = 0,24A = 0,24.I2.R.t (Calo) (1.21) 1J = 0,24 calo  Q = R.I2.t (Jun) (1.22) 12
Ứng dụng: Tác dụng nhiệt của dòng điện đƣợc ứng dụng rất rộng rãi để làm các dụng cụ đốt nóng bằng dòng điện nhƣ đèn điện có sợi nung, bếp điện, bàn là điện, lò sấy và lò luyện bằng điện tử,…. Nguyên tắc có bản của các dụng cụ này là dùng một phần tử đốt nóng để cho dòng điện chạy qua. Nhiệt toả ra ở các phần tử đốt nóng sẽ gia nhiệt các bộ phận chính của dụng cụ, hoặc sẽ phát sáng ở các đèn sợi nung. Dòng điện đi qua dây dẫn sẽ toả nhiệt theo định luật Jun - Lenxơ. Nhiệt lƣợng này sẽ đốt nóng dây dẫn, khi dây dẫn nóng lên nhiệt độ của nó cao hơn nhiệt độ bên ngòai môi trƣờng. Dây càng nóng thì nhiệt độ toả ra ngoài môi trƣờng càng lớn. Đến một lúc nào đó nhiệt lƣợng toả ra môi trƣờng trong một giây bằng nhiệt lƣợng sinh ra của dòng điện thì nhiệt độ dây dẫn không tăng nữa, ta gọi là nhiệt độ ổn định hay nhiệt độ làm việc của dây dẫn. 2.1.4. Định luật Faraday * Hiện tượng điện phân Khi có dòng đi qua dung dịch muối ăn Catốt - + Anốt anion Cl- đi về cực dƣơng (anốt) còn cation Na+ I I đi về cực âm (catốt). Tại cực dƣơng Cl - nhƣờng bớt điện tử cho điện cực trở thành nguyên tử Cl trung hoà. Tại cực âm Na+ thu thêm điện tử ở điện cực trở thành nguyên tử Na giải phóng ở cực âm. Kết quả là phần tử muối ăn bị dòng điện phân tích thành Cl ở cực dƣơng và Na ở cực âm. Nếu dung dịch điện phân là muối của đồng thì ở cực âm thu đƣợc kim loại đồng. Nhƣ vậy: Khi dòng điện qua chất điện phân, sẽ xảy ra hiện tƣợng phân tích chất điện phân, giải phóng kim loại hoặc hiđrô ở cực âm. Đó là hiện tƣợng điện phân * Định luật Farday: Khối lƣợng của chất thoát ra ở mỗi cực điện tỷ lệ với điện tích đã chuyển qua chất điện phân: m = k.q = k.I.t (2.23) Ở đây, m là khối lƣợng chất thoát ra ở điện cực ; q = I.t là điện tích qua dung dịch (Culông) ; k : Là đƣơng lƣợng điện hóa của chất đƣợc giải phóng. Nếu q = 1Culông thì k = m. Vậy đƣơng lƣợng điện hóa của một chất là khối lƣợng chất đó thoát ra ở điện cực khi có 1 Culông qua dung dịch. * Ứng dụng của hiện tượng điện phân * Luyện kim: Trong luyện kim, hiện tƣợng điện phân đƣợc ứng dụng để tinh chế và điều chế một số kim loại. Muốn tinh chế kim loại, ngƣời ta ứng dụng hiện tƣợng cực dƣơng ta. Chẳng hạn, để tinh chế đồng, ngƣời ta dùng thanh đồng cần tinh chế làm điện cực dƣơng, dung 13
dịch điện phân là muối đồng tan. Khi dòng điện qua dung dịch, thanh đồng bị hòa tan dần, và ở điện cực sẽ hình thành một lớp đồng tinh khiết. Để điều chế kim loại (luyện kim) bằng dòng điện, ngƣời ta tiến hành điện phân quạng kim loại nóng chảy hoặc các dung dịch muối của chúng. Chẳng hạn, để luyện nhôm, ngƣời ta điện phân quạng bâu xít (nhôm ô xít Al2O3) nóng chảy trong criolit, để luyện natri ngƣời ta điện phân muối ăn (NaCl) nóng chảy. * Mạ điện: Mạ điện là phƣơng pháp dùng dòng điện để phủ lên các đồ vật một lớp kim loại không gỉ nhƣ bạc, vàng, .. Muốn mạ một vật nào đó, cần làm sạch bề mặt cần mạ, rồi nhúng vào bình điện phân làm thành cực âm. Cực dƣơng là thỏi kim loại của lớp mạ (nhƣ bạc, vàng, ..). Dung dịch điện phân là một muối tan của kim loại mạ. Khi dòng điện qua dung dịch, một lớp kim loại mạ sẽ phủ kín bề mặt vật cần mạ, còn cực dƣơng bị mòn dần. Tùy theo cƣờng độ và thời gian dòng điện qua mà ta có lớp kim loại phủ mỏng hay dầy. 2.1.5. Hiện tƣợng nhiệt điện * Hiện tượng nhiệt điện Mỗi kim loại đều có mật độ điện tử tự do (tức là số điện tử tự do trong một đơn vị thể tích) nhất định. Mật độ này ở các kim loại khác nhau sẽ khác nhau. Khi cho hai kim loại khác nhau tiếp xúc là K1 và K2 thì có sự khuếch tán điện tử qua chỗ tiếp xúc. Giả sử kim loại K1 có mật độ điện tử tự do lớn hơn K2. Khi đó, điện tử tự từ K1 sẽ khuếch tán sang K2 kết quả là K1 sẽ tích điện dƣơng (vì thiếu điện tử), K2 sẽ tích điện âm (vì thừa điện tử), và hình thành nên một điện trƣờng tại mặt tiếp xúc, có một hiệu điện thế Utx gọi là hiệu điện thế tiếp xúc. A Utx1 + -- C K1 +- K2 +- G +- Utx D K1 Utx2 a) B K2 b) Hình 1.4 Sự khuếch tán của điện tử qua chỗ tiếp xúc (a) Sự hình thành hiệu điện thế tiếp xúc và s.đ.đ nhiệt điện (b) Hiệu điện thế tiếp xúc phụ thuộc vào các yếu tố sau: - Bản chất kim loại tiếp xúc K1, K2. Kim loại khác nhau thì mật độ điện tử khác nhau, và do đó mức độ khuếch tán điện tử qua lớp tiếp xúc cũng khác nhau. - Nhiệt độ chỗ tiếp xúc. Khi nhiệt độ tăng thì mức độ khuếch tán cũng tăng lên. Bằng thực nghiệm ngƣời ta thấy trong khoảng nhiệt độ không lớn lắm, hiệu điện thế 14
tiếp xúc tỉ lệ với nhiệt độ tuyệt đối của chỗ tiếp xúc: Utx = C.T (1.24) o Trong đó: T là nhiệt độ tuyệt đối của chỗ tiếp xúc, K: T(oK)  273 + (oC) (1.25) C là hệ số nhiệt điện, phụ thuộc vào kim loại tiếp xúc, chẳng hạn: Tiếp xúc đồng – côngstangtan, C = 41,8V/độ ; Tiếp xúc Platin- Platinpharod, C = 6,4V/độ. Để lấy đƣợc hiệu điện thế tiếp xúc, ta phải nối kín mạch cả hai dầu và hình thành 2 mối nối tiếp xúc A, B. Gọi nhiệt độ mối A là T1, mối B là T2 thì hiệu điện thế tiếp xúc ở các mối là: Utx1 = CT1 = C.(273+1) (1.26) Utx2 = CT2 = C(273+2) Trong mạch kín sẽ có một sức điện động gọi là sức điện động nhiệt điện E bằng hiệu của hai điện thế tiếp xúc: E = Utx1 – Utx2 = C(T1 – T2) = C.(1 - 2) (1.27) Sức điện động nhiệt điện tỷ lệ thuận với độ chênh nhiệt độ của hai đầu tiếp xúc và phụ thuộc vào bản chất các kim loại tiếp xúc: Nếu 1 = 2 thì Etx = 0. Chính vì thế, nếu coi các mối tiếp xúc A và B cùng nhiệt độ thì sức điện động nhiệt điện do hai mối đó tạo ra bằng không. * Ứng dụng hiện tượng nhiệt điện – Pin nhiệt điện Hiệu ứng nhiệt điện đƣợc ứng dụng để chế tạo ra các pin nhiệt điện hay cặp nhiệt điện. Pin nhiệt điện gồm có hai thanh kim loại (hay bán dẫn) khác nhau, đƣợc hàn với nhau ở một đầu, đặt vào nơi có nhiệt độ cao (gọi là đầu nóng), còn đầu kia đặt ở nơi có nhiệt độ thấp (gọi là đầu lạnh), sức điện động nhiệt đện của pin đƣợc dùng để đo lƣờng hay phát điện.Trên hình 1.5 vẽ một nhiệt kế dùng pin nhiệt điện. Đầu a đặt vào nơi có nhiệt độ cần đo, đầu b tiếp xúc với môi trƣờng. Coi nhiệt độ của môi trƣờng là không đổi thì sức điện động của pin sinh ra tỉ lệ với nhiệt độ của điểm a, nên cơ cấu đo G sẽ cho biết nhiệt độ cần đo. a G b Hình 1.5: Đo nhiệt độ bằng pin nhiệt điện 15
2.2. CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI TƢƠNG ĐƢƠNG 2.2.1. Điện trở ghép nối tiếp, song song . 2.2.1.1. Điện trở ghép nối tiếp. * Ghép nối tiếp các điện trở là cách ghép sao cho chỉ có 1 dây điện duy nhất chạy qua tất cả các I R1 B R2 C R3 A D điện trở (mạch điện không phân nhánh) U1 U2 U3 - Điện trở tƣơng đƣơng của các điện trở R 1, R2, R3… mắc nối tiếp là: U Rtđ = R1+ R2 + R3 (1.28) Nếu có n điện trở mắc nối tiếp thì: Rtđ = R1 + R2 + …Rn U = U1 + U2 +… Un (1.29) * Ví dụ 1: Hộp điện trở gồm 4 điện trở: R1 = 1  ; R2 = 2  ; R3 = 3  ; R3 = 4  nối tiếp. Mỗi điện trở đều có thể nối tắt 2 cực. Xác định điện trở tƣơng đƣơng của hộp điện trở khi: a, Nối tắt 2 cực của R2 b, Không nối tắt 2 cực của điện trở nào Giải: a, Khi nối tắt 2 cực của R2 mạch còn 3 điện trở R1, R3, R4 đấu nối tiếp. Rtđ = R1+ R3 + R4 = 1+3+4 = 8  b, Khi không nối tắt điện trở nào mạch có 4 điện trở R1, R2, R3, R4 đấu nối tiếp Rtđ = R1+ R2 + R3 + R4 = 1+2+3+4 = 10  * Ví dụ 2: Cần ít nhất mấy bóng đèn 24V, 12W đấu nối tiếp để đặt vào điện áp U = 120V? Tính điện trở tƣơng đƣơng của mạch. Gải Bóng đèn 24V không đấu trực tiếp với điện áp 120V đƣợc mà ta phải đấu nối tiếp nhiều bóng để đảm bảo điện áp trên mỗi bóng đèn không vƣợt quá điện áp định mức của bóng đền là 24V. Vì các bóng đèn giống nhau nên khi đấu nối tiếp thì điện áp đặt vào các bóng là nhƣ nhau. Vậy số bóng cần đấu là: 110 n≥  5, ta lấy n = 5 bóng. 24 Điện trở của mỗi bóng: 2 U đm 24 2 r   48 Pđm 12 Điện trở tƣơng đƣơng của toàn mạch là: rtđ = n.r = 5.48 = 240  2.2.1.2.. Điện trở ghép song song. 16
* Ghép song song các điện trở là cách ghép sao cho tất cả các điện trở đều đặt vào cùng 1 điện áp. Ghép song song là cách ghép phân nhánh, mỗi nhánh có 1 điện trở. Dòng điện mạch chính: I = I1 +I2 +… +In (1.30) Điện trở tƣơng đƣơng của các điện trở R1, R2 …Rn mắc song song đƣợc tính: 1 1 1 1    ...  Rtd R1 R2 Rn (1.31) *Các trƣờng hợp riêng: - Hai điện trở đấu song song: (R1// R2) R1.R2 Rtđ = R1  R2 (1.32) - Ba điện trở đấu song song ( R1// R2//R3) R1.R2 .R3 Rtđ = R1.R2  R1.R3  R2 .R3 (1.33) - Các điện trở bằng nhau đấu song song R R1 = R2 = … = Rn = R; Rtđ = n (1.34) * Ví dụ 1: Có 3 điện trở R1 = 60  ; R2 = 120  ; R3 = 150  đấu song song. Tính điện trở tƣơng đƣơng. Giải: R1.R2 .R3 60.120.150 Rtđ= = = 31,6  R1.R2  R1.R3  R2 .R3 60.120  60.150  150.120 * Ví dụ 2: Tính điện trở tƣơng đƣơng của đoạn mạch AD nhƣ hình vẽ biết: R1 = 0,12  ; R2 = 2  ; R3 =10  ; R4 = 20  ; R5 =50  . 17
Giải: - Điện trở tƣơng đƣơng của đoạn mạch BC: R3 .R4 .R5 10.20.50 RBC =   5.88 (  ) R3 .R4  R3 .R5  R4 .R5 10.20  10.50  20.50 - Điện trở tƣơng đƣơng của đoạn mạch AD. RAD = R1 + R2 + RBC = 0,12 + 2 + 5,88 = 8  2.2.2. Biến đổi  - Y và Y -  2.2.2.1. Biến đổi sao (Y) thành tam giác () Giả thiết có 3 điện trở R1, R2, R3, nối với nhau theo hình sao (Y). Biến đổi các điện trở đấu sao trên thành các điện trở đấu với nhau theo hình tam giác theo các công thức sau: 1 R1 1 R31 R3 3 3 R12 R2 R23 2 2 Hình 1.5: Mạch biến đổi điện trở sao thành tam giác R1.R2 R .R R .R R12  R1  R2  ; R23  R2  R3  2 3 ; R31  R3  R1  1 3 (1.35) R3 R1 R2 Khi hình sao đối xứng: R1 = R2 = R3 = R ta có: R12 = R23 = R31 2.2.2.2. Biến đổi tam giác () thành sao (Y) 18
1 1 R31 R1 3 R3 R12 3 R23 R2 2 2 Hình 1.6 : Mạch biến đổi tam giác thành sao Giả thiết có 3 điện trở R12, R23, R31, nối với nhau theo hình tam giác (). Biến đổi các điện trở đấu tam giác trên thành các điện trở đấu với nhau theo hình sao theo các công thức sau: R12 .R31 R23 .R12 R31.R23 R1  ; R2  ; R3  (1.36) R12  R23  R31 R12  R23  R31 R12  R23  R31 Khi tam giác đối xứng: R12 = R23 = R31 = R Thì: R1 = R2 = R3 = R/3. * Ví dụ: Tính dòng điện I chạy qua nguồn của mạch hình cầu (hình vẽ). Biết R1 = 12  , R2 = R3 =6  , R4 =21  , R0 =18  , Rn = 2  , E= 240V. Rn Rn A R1 R2 RA R0 E B C O R2 E R1 R3 B C R4 R3 R4 D D Giải: R1.R2 12.6 RA =   2 R1  R2  R0 12  6  18 R1.R0 12.18 RB =   6 R1  R2  R0 12  6  18 R0 .R2 18.6 RC =   3 R1  R2  R0 12  6  18 Điện trở tƣơng đƣơng ROD của đoạn mạch OD gồm 2 nhánh song song. ( RB  R3 ).( RC  R4 ) (6  6).(3  21) ROD =   8 RB  R3  RC  R4 6  6  3  21 Điện trở tƣơng đƣơng toàn mạch: 19