Lý thuyết kỹ thuật điện: Phần 1

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:264

Thêm vào BST

Báo xấu

19
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tài liệu "Cơ sở kỹ thuật điện" phần 1 trình bày các nội dung chính sau: Khái niệm chung về dòng điện và mạch điện; Tính mạch điện một chiều; Các điện trở phi tuyến và mạch một chiều phi tuyến; Từ trường; Cảm ứng điện từ; Điện trường;... Mời các bạn cùng tham khảo để nắm nội dung chi tiết.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Lý thuyết kỹ thuật điện: Phần 1

HOẢNG HỮU THẬN Cơ SỞ KỸ THUẬT ĐIỆU (DÙNG CHO CẮC TRƯỜNG TRUNG HỌC CHUYÊN NGHIỆP CHUYÊN ĐIỆN) TSƯVỈẸN - - * -* : NHÀ XUẤT BẢN GIAO THÓNG VẬN TẲI
LỜI NÓI ĐẨU Năng lượng điện là nguồn dộng lực chủ yếu của nên sản xuất hiện đại. Nước ta cũng như các nước khác trên thế giới đang không ngừng phát triển ngành kỹ nghệ sàn xuất, chuyên tãi, sứ dụng điịn năng, sãn lượng điện tính theo đau người là một trong các chỉ tiêu cơ bản đánh giá trình độ phát triển kinh tế của một nước. Kỹ thuật điện cũng là cơ SỞ phát triền các ngành điện tủ, thâng tín liên lạc, điêu khiển tự động, kỹ thuật đo v.v_. Người cán bộ kỹ thuật điện và điện tủ có phàn hiểu biết cần thiết đề sử dụng có kết quả các thành tựu của kỹ thuật điện vào lĩnh vực công tác của mình. Cuốn sách này được biên soạn vào chương trình môn học “cơ sỏ kỹ thuật điện ” của Ngành Điện lực, có tham khảo thêm chương trình “ cơ sở kỹ thuật diện" của Ngành Bưu diện do Bộ Đại học và Trung học chuyên nghiệp ban hành, dùng trong các trường Trung học chuyên điện và Bưu điện. Ngoài ra, có tham khảo thêm các chương trình đang sử dụng ò một số trường trung học để nội dưng cuốn sách bám sát với tình hình thực tế. Cuốn sách đê cập đến những vấn đê chính sau đây : 1. Xây dựng các khái niệm, hiện tượng, định luật và qui luật cơ bẩn của mạch điện ở chế độ xác lập bao g'ôm chi yếu là mạch điện tuyến tính có ngúồn một chỉêu và nguồn xoay chĩêu hình sin. Ngoài ra có giới thiệu ỗ mức độ cân thiết một sô'mạch phi tuyến và mạch tuyến tính có nguồn chu kỳ. 2. Xây dựng các phương pháp cơ bản đề phân tích mạch điện, chủ yếu là mạch diện tuyên tính có ngùồn một chỉêu và ngúốn xoay chiêu hình sin ò chê độ xác lập. Đối với các mạch phi tuyến, mạch tuyên tính có nguồn không hình sin, chỉ giới thiệu một số phương pháp cần thiết và dơn giản, can cho việc phân tích các quá trình điện tử trong máy điện, khí cụ điện và mạng diện theo chương trình qui định 3. Cuốn sách dành riêng một chương trình để bày các vấn đê đơn giằn quá trĩnh quá độ trong mạch điện, với mục đích là phân tích một cách cơ bản và khái quất bản chất của quá trình quá độ trong mạch điện. Điêu đồ sẽ giúp cho bạn đọc dễ dàng tiếp thu nội dung có quan hệ trực tiếp trong các 3
tài liệu chuyền mổn như quá trình quá độ trong máy diện, tính toán ngắn mạch hệ thống diện. Ngoài các nội dung chương trình qui định, cuốn sách có giới thiệu thêm một số vấn đè cần thiết cho việc tìm hiểu nội dung hoặc vấn đi mới của kỹ thuật, đề tham kháo. Về phương pháp trình bày, cuốn sách chú ỷ đến hiện tượng là bản chất vật lý của vấn đè, với mong muốn đề bạn đọc dễ nắm được nội dung dễ cụ thể hóa các vấn đè trừu tượng. Bên cạnh đó, công cụ toán học được sã dụng để hệ thống hóa và xây dựng cổng thức định lượng cân cho việc tính toán phân tích mạch điện. Vì trình độ hiểu biết có hạn, kinh nghiệm giảng dạy và trình bày chưa nhĩỀu, chắc chấn rằng cuốn sách còn nhiều thiếu sót. Rất mong bạn đọc góp ' ý đề cuốn sách ngày càng phục vạ tốt hơn. Tác giả 4
CHƯƠNG ì KHÁI NIỆM CHUNG VỀ DÒNG ĐIÊN VÀ MẠCH ĐIỆN LI. KHÁI NIỆM MỞ ĐẦU a. Khái niệm về điện tích và điện trường Tất cả các vật the đều được cấu tạo bởi các nguyên tử. Mỗi nguyên tử gồm một hạt nhân tích điện dương và các điện tử tích điện âm, quay quanh hạt nhân. Khi các điện tử quay quanh hạt nhân, nó ỏ Ưạng thái liên kết. Ngược lại, điên tử cũng có thể thoát khỏi sự ràng buộc vđi hạt nhân, trở thành điện tử tự do, chuyển động hỗn loạn giữa các phân tử và nguyên tử. Bình thường, nguyên tử và phân tử trung hòa vồ điện. Khi mất bđt điện tử, chúng trở thành các ion dương. Ngược lại, nguyên tử và phân tử cũng có thể nhận thêm các điện tử, trở thành tích điện âm, gọi là các ion ăm. Điện tử, ion dương và ion âm gọi chung là các điện tích. Các vật thể bình thường đều trung hòa về điện, các điện tích âm và dương phân bổ đồng đều trong vật thể. Do đó, đặc tính điện của vật thể không biểu hiện ra ngoài. Nếu dùng một tác nhân nào đó, chẳng hạn dùng phương pháp ma sát, để ưuyền thêm hay làm mất bđt một số điện tử của vật thể, nó sẽ mất tính trung hòa, và trở thành vật tích điện. Lượng điện tích mà vật thể nhận thêm hay mất bđt, để ưd thành vật tích điện, được gọi là điện lượng, hay cũng gọi là điện tích, ký hiệu là q hoặc Q. Trong hệ đơn vị đo lường hợp pháp của nưđc ta cũng như hệ SI đơn vị của điện tích là culông (ký hiệu là C). 5
Đặc tính cơ bân 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 một điện tích, mà ỏ đó có lực tác dụng của điện tích có lên các điện tích khác, gọi là điện trường của điện tích. Tất cả các điện tích dù đứng yên hay chuyển động đều tạo ra điện trường xung quanh nó. Điện trường của điện tích không chuyển động gọi là trường tĩnh điện. Cường độ điện trường, ký hiệu là e (epxilon), là đại lượng đặc trưng cho độ mạnh của điện trường, đo bằng tỷ số giữa tực tác dụng của điện trường lên điện tích điểm đặt trong trường tại điềm tích cưởng độ, với chính điện tích điểm đó : F (1.1) q ở đây F là lực điện trường tốc dụng lên diện tích điểm q. Điện tích diểm là vật tích điện cố kích thước rất nhỏ so với khoảng cách giữa vật và diên tích gây ra diện trường. Vì lực là đại lượng vectơ, nên cường độ điên trường E cũng là đại lượng vectơ. Phương và chiều của cường độ điện trường cùng phương và chiều vđi lực tốc dụng lên diện tích dương. Hình 1.1 vẽ vectơ E tại diểm M của điện trường tạo nên bởi hai bản phẳng tích điện trái Để dùng hình ảnh biểu diễn điện trường, người ta đưa vào khái niệm đường sức diện. Đó là các đường cong vẽ ưong trường mà tiếp tuyến tại mỗi điểm của nó trùng vđi vectơ cường độ điên trường tại điểm đó (hình 1.1). Chiều của đường sức điện là chiều rời khỏi điện tích dương và hưđng tới diện tích âm. Hình 1.1 : Điện tniĩtng Nếu cường độ điện trường ở tất cả các gift* hai bin phỉng điểm dều bằng nhau (cả phương, chiều và trị song song tích điện trái díu số) thì diện trường dó là điện trường đêu.
Giải sử đật điện tích điểm q tại điểm M trong điện trường đều có cường độ là 8, nó sê chịu tác dụng một lực là F tính theo (1.1) F=eq. (1.2) Dưới tác dụng của lực này, điện tích q di chuyểntừ M đến N (hình 1.2), và do đó, điện ưường đã thực hiện một công A : A = FZ=sq/ (1.3) Ớ đây, l là khoảng cách giữa hai điểm M và N, không phụ thuộc vào cách di chuyển của q từ M đốn N, nghĩa là khổng phụ thuộc vào dạng quỹ đạo của điện tích q. Đại lượng do bằng công dị chuyển một đơn vị điện tích từ M đến N gọi là điện áp của điện trường, ký hiệu là ư : U = Umn= ặ (1.4) Hình 1.2 : Sự dị q chuyển của điên Điện áp là đại lượng vô hướng. Trong điện tích trong điện trường trường đều, ta có A 8ứ/ U = - = — e/ (1.5) q q Từ đó, ta xác định được cường dộ của điện trường đều : u e" l (1.6) Trong hệ Sl, điện áp tính ra von (V), l tính ra mét (m) còn 8 tính ra von/met (V/m). Ngoài v/m, ngưùi ta còn dùng đơn vị von/cm (1 v/cm = 100 v/m). 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 khổng. Như vậy, tại điểm M trong trường, điện tích q có một 7
thế năng là WM. Nếu đặt d điểm N, có thể thế năng là WN. Đại lượng đặc trưng cho khả năng sinh công của trường tại mỗi điểm gọi là điện thế, ký hiệu là (p (phi). Điện thế của trường tại mỗi điểm là thế năng của trường truyền cho một đơn vị điện tích điểm tại điểm đó : _Wụ_ Ọm" q ;
của phân tử, làm ưọng tâm điên tích dương và âm tách nhau ra, tạo thành một lưỡng cực điện (xem 6.3) Giữa vật dẫn và điện môi là các chất có tính dẫn điện trung gian, gọi là chất bán dẫn. Bản chất dẫn điện của vật liệu được giải thích bởi thuyết mỉên vật rắn. Mỗi điện tử ưong nguyên tử chỉ có thể chuyển động ưên những quĩ đạo xác định. Mỗi qũi đạo ứng vđi một mức năng lượng nhất định. Tập hợp các mức năng lượng của nguyên tử tạo thành phổ năng lượng (hình 1.3) Hình 1.3 : Mức nđng tượng : a. Chết dẫn ; b. Điện môi ; c. Chất bán dẫn 1. Miền dân ; 2. Miền cấm ; 3. Miền đầy. Cũng như mọi hệ vật chất, điện tử bao giờ cũng có xu hướng giữ các ưạng thái năng lượng thấp nhất, và ở đó, chúng chuyển động bền vững. Như vậy, các điện tử sẽ lần lượt chiếm các mức quĩ đạo thứ thấp lên cao. ở ưạng thái bình thường, các quĩ đạo ở mức dưđi được các điện tử chiếm chỗ tạo thành một miền gọi là miền đầy. ở ưong miền đầy, trạng thái liên kết của điện tử vđi hạt nhân là bền vững. 9
Khi bị kích thích bởi các tác nhân bên ngoài, chẳng hạn như lực điện trường, tia bức .ta, nhiệt độ ... các điện tử nhận thêm năng lượng, và chúng se chuyển sang các mức qũi đạo cao hơn, còn để trống. Tập hợp các quĩ đạo để trống gọi là miên trống, ở miền trống, điện tử liên hệ yếu vơi hạt nhân, và ở trạng thái không bền vững. Mó sẽ trở về mức quĩ đạo cũ ở miền đầy và giải phóng bđt năng lượng dưđi dạng bức xạ điện từ, hoặc dễ dàng thoát khỏi nguyên tử, trđ thành điện tử tự do (các phần tử dẫn điện). Vì thố, miền trống còn gọi là miễn dẫn. Giữa miền đầy và miền dẫn là miên cấm. Điện lử không thể ỗ trong miền này. Muốn 15n miền dẫn, điện tử phải nhận được một năng lượng AW đù cé vượt qua miền cấm. Dự rộng miền cấm AW đo bằng đơn vị diện tử - vôn (eV). Các chất dẫn điện là các chất có miền cấm rất nhỏ (AW w « 0,01 eV ). XO thế. miền đầy và miền dẫn coi như liền nhau (hình 1.3a), nên các điện tử dễ dàng chuyển từ miền đầy sang miền dẫn. Kết quả là vật liệu dẫn điện tốt. Các chất điện mối có miền cấm rất Iđn (AW = 2+10 eV). Vì thế, các điện tử từ miền Jầy rất khó vượt qua miền cấm để lên miền dẫn. Điện môi có rất ít điện lử tự do, và hầu như không dẫn điện. Các chất bán dẩn có miên cấm cỡ từ 0,01 đến 2 eV. ở nhiệt độ thấp, các điện tử nằm ở miền đầy, còn ở miền dẫn có rất ít. Vì thế, bán dẫn dẫn điện rất kém. Khi tăng nhiệt độ, hoặc khi bị kích thưđc bởi ánh sáng, bức xạ..., các điện tử có thể vượt qua miền cấm lên miền (íãy, và do đó, bán dẫn trỏ thành chất dẫn điện. Đặc tính thay đổi độ đẫn điện tùy theo các yếu tố bên ngoài (điện trường, nhiệt độ, bức xạ, tạp chất..) là tính chất đặc trưng của bán dẫn. 10
1.2. DÒNG ĐIỆN - PHÂN LOẠI VÀ MẬT ĐỘ DÒNG ĐIỆN a. Dòng điện - Cường độ dòng điện : Đặt vật dẫn trong điện trường, dưđi tác dụng của lực điện trường, các điện tích đương 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 điên thế cao hơn, tạo thành dòng điện. Vậy, dòng điện là dòng các điện tử chuyển dời có hưâng dưới tác dụng của lực điện trường. Người ta qui ước chĩêu dòng điện là chỉêu 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 của điện trường. Trong kim loại, dòng điện là dòng các điện tử chuyển dời có hưđng. Vì điện tử di chuyển từ nơi có điện thế thấp đến nơi có điện thế cao hơn, nên chiều dòng điện tử ngược vđi chiều qui ưđc của dòng điện (Hình 1.4a) Trong dung dịch điện li, dòng điện là dòng các ion chuyển dời có hướng (hình 1.4b). Nó gồm có hai dòng ngược chiều nhau : dòng ion dương có chiều theo chiều qui ước (chiều của Hình 1-4 : Dòng điện trong vật dẫn bằng kim loại (a) và trong dung dịch điện phản (b). 11
điện trường), và dòng ion âm có chiều ngược chiều qui ưđc. Như vậy, các ion dương sẽ di chuyển từ anôt (cực dương) về catốt (cực âm) nên được gọi là các cation (ion ờ catốt). Các ion âm di chuyển từ catốt về anôt,nên được gọi là các anion. Trong môi trường chất khí bị ion hóa, dòng điện là dòng các ion và điện tử chuyển dời có hướng. Nó gồm có dồng ion dương đi theo chiều của điện trường, từ anôt về catốt, và dòng ion âm và điện tử, đi ngược chiều của điện trường, từ catốt về anôt. Đại lượng đặc trưng cho đô lơn của dòng điện là cường độ dòng điện (đôi khi gọi tắt là dồng điện), ký hiệu là L Cường độ dòng điện là lượng điện tích qua tiết diện (thằng) của dây dẫn trong một đơn vị thời gian : Q 1=7 . (1.8) Ở đây, Q là điện tích qua tiết diện dây dẫn trong thời gian t. Nếu điện tích di chuyển qua dây dẫn 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 điên tích dQ qua tiết diện dây thì cường độ dòng điện sẽ là : Trong hệ SI, đơn vị của điện tích là culông, của thơi gian là giây, thì đơn vị cường độ dòng điện là ampe (ký hiệu là A). Ampe là cường độ của dòng điện cứ mỗi giây có một culông qua tiết diện dây dẫn : Is Bội số của ampe là kilô-ampe (kA), còn ưđc số là mili- ampe (mA) và micrổ-ampe ( A): 1 kA = 103 A ; 1 mA = lò'3 A ; 1 A = 10’3 mA = 10‘6 A 12
Ví dụ ỉ. ỉ : Trong thời gian At = 0,01 s, tụ điện nạp dược 10'3 culông trcn cực. Tìm giá trị trung bình của dòng điện nạp cho tụ. Giải: Trị số dòng điện nạp trung bình : Vi dụ 1.2 :Một acqui dược nạp bằng dòng diện s A trong thời gian 10 giờ. Tìm điện lượng đã nạp vào acqui. Giải: Điện lượng đã nạp vào acqui : Q = It = 5.10 ampe-giờ (Ah) = 50.3600 = 180.000 c Sự di chuyển điện tích theo một hưđng nhất định vđi tốc độ không đổi sẽ tạo thành dòng điện một chiều, hay còn Hình 1.5 : Dồ thị dòng diện không đổi (a), tắt dSn (b). chu kỳ (c) và xoay chiều hình sin (d) là dòng điện không đổi. Dòng điện một chiểu là dỏng điện có chiêu và trị số không đổi theo thời gian. Đồ thị của dòng điện một chiều là một đường thẳng song song vđi trục thời gian t (hình 1.5a). Nếu dòng điện có trị số hoặc cả chiều biến đổi theo thời gian được gọi là dòng điện biến đổi. Dòng điện biến đổi có thể 13
là dòng điện không chu kỳ hoặc dòng điện chu kỳ. Hình 1.5b vẽ đồ thị của dòng điện tắt dần. Đó là dòng điện không chu kỳ. Dòng điện chu kỳ là dòng điện biến đổi tuần hoàn, nghĩa là cứ sau một khoảng thời gian nhất định, nó lập lại trị số và dạng biến thiên như cũ (hình 1.5c). Trong các dòng điện chu kỳ quan ưọng nhất là dòng điện xoay chỉêu. hình sin (hình 1.5d). b. Mật độ dòng điện : Cường độ dòng điện qua một đơn vị diện tích tiết diện được gọi là mật độ dòng điện, ký hiệu là ô (đenta) : 5 =1 (1.9a) ở đây, s là diện tích tiết diện dây. Đơn vị mật độ dòng điện trong hê SI là A/m2. Đơn vị này quá nhỏ, nên ưong thực hành, thường dùng các đơn vị A/cm2 hoặc A/mm2, tùy theo s tính ra cm2 hay mm2. Cường độ dòng điện dọc theo một đoạn dây dẫn là như nhau ở mọi tiết diện nên ở chỗ nào tiết diện dây nhỏ, mật độ dòng điện sẽ ỉđn, và ngược lại. Ví dụ 1.3 : Dây dẫn tiết diện 95mm2 có dòng điện I = 200 A qua. Tính mật độ dòng điện. Giải: Mật độ dòng điện trong dây : o I 200 ỗ= = 2,05A mm s 95 1.3. ĐỊNH LUẬT ÔM 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 Ư đật vào hai đầu đoạn mạch (vật dẫn) dài l. nổ «ẽ tạo ra điện trường đều có cường độ là : 14
u 6 " / Dưđi tác dụng của điện trường, các phân tử dẫn điên sẽ di chuyển tạo thành dòng điện. Điện trường càng mạnh thì mật độ dòng điện càng lớn, tức mật độ dòng điện tỷ lệ vđi cường độ điện trường. e 8 = ỴE Ồ đây, Ỵ được gọi là điện dẫn suất, phụ thuộc vàn bản chất dẫn điện của từng vật liệu. Điện dẫn suất càng Iđn, vật liệu dẫn điện càng tốt. Thay giá trị của 8 vào e, ta có : I Ư s"Y l Rútra: I = yyU=gư (1.10) ở đây, g được gọi là điện dẫn của đoạn mạch : g = ry (1.11) Từ (1.10), ta thấy : dòng điện qua một đoạn mạch tỷ lệ với điện áp giữa hai đãu đoạn mạch và với điện dẫn của đoạn mạch đó. Đó là định luật Ôm cho một đoạn mạch. Nghịch đảo của điện dẫn gọi là điện ưđ, ký hiệu.r : =g t s ị vs 0.12) ồ đây, p (rổ) = — gọi là điện trở suất của vật liêu. Từ đó, ta có Y dạng khác của định luật Ôm : I=y 0-13) r phát biểu như sau : dòng điện qua một đoạn mạch tỷ lệ với điện áp hai dầu đoạn mạch, tỷ lệ nghịch với điện trỏ của đoạn mạch. 15
Định luật Ôm do nhà bác học G. Ôm người Đức, tìm ra bằng thực nghiệm ở nữa đầu thế kỷ 19, là một trong các định luật cơ bản của mạch điện. 1-4. ĐIỆN TRỞ - Sự PHỤ THUỘC CỦA ĐIỆN TRỞ VÀO NHIỆT ĐỘ a. Đơn vị của điện trở và điện dẫn : Từ biểu thức (1.13), ta có : u r= J (1.14) Nếu cho Ư = 1V,I = 1A thì r = 1 đơn vị trở ưong hệ SI gọi là Ôm, ký hiệu Q (ômêga) : _ IV 10 = 77- 1A Ôm là điện trỏ của một đoạn mạch mà muốn có dòng điện 1A qua nó, c'ân duy trì ở hai đầu một điện áp 1V. Đơn vị điện dẫn là nghịch đảo của đơn vị điện trở, gọi là simen, ký hiệu là s : 1 1A 18 = 777= O’1 =777 1O IV Simen là điện dẫn của một đoạn mạch khi đặt vào điện áp IV, sẽ có dòng điện 1A đi qua. Bôi và ưđc của ôm là kilôôm (kQ), mêgaổm (MỌ), miliôm (mil) và micrôôm ( Q): 1 kn= Ufa; 1 mÓ= io’kíl = 106Q lmíl = 103n;l íì = lữ mil = 106íl Ví dụ 1.4 : Khi đặt điện áp u = 24V vào một đoạn mạch, thấy có dòng điện I = 6A đi qua. Tĩnh điện trở và điện dẫn cỏa đoạn mạch đó. Giãi: ụ 24 Điện trở của đoạn mạch : r = - = — = 40 I 6 16
Điện dẫn cùa đoạn mạch : g = —= ~~ = 0,25S r 4 b. Bản chết câa điện trở : Ta biết dồng điện là dòng các điện tích chuyển dời có hương. Khi di chuyển trong vật dẫn, các điện tích sẽ va chạm vơi các nguyên tử và phân tử, truyền bđt động năng cho chúng. Điện trỏ của vật dẫn chính là biểu hiện của mức độ va chạm đó. Nếu tiết diện dẫn điện lơn, các điện tích sẽ di chuyển dễ dàng, ít gặp cản ưở, nên điện trđ tỷ lệ nghịch với tiết diện vật dẫn s. Ngược lại, nếu chiều dài vật dẫn càng lổn, điện tích càng gặp cản ưở lơn, nên điện trỏ tỷ lệ với chiêu dài vật dẫn l. Nếu vật dẫn có mật độ điện tích tự do no càng lơn nó dẫn điện càng tốt, tức điện trở suất p nhỏ và điên dẫn suất Ỵ lơn. Như vậy, điện trỏ còn phụ thuộc vào bẩn chất của từng vật liệu làm vật dẫn. Biểu thức (1.12) nêu lên mốì quan hệ bản chất của điện ưỏ, phát biểu như sau Điện trỏ của một vật dẫn tỷ lệ với chỉêu dài, tỷ lệ nghịch với tiết diện và phụ thuộc vào vật liệu làm vật dẫn đó. Từ (1.12), ta rút ra điện trở suất: s p=ry (1.15) Nếu cho s = 1 đơn vị điện tích, / = 1 đơn vị chiều dài thì p = 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 một đơn vị dài. Trong hệ SI, s tính ra m2, l tính ra m, r tính ra ôm thì đơn vị của điện ưở suất là : m2 í ỉi’4 r.ỉ Bựií [p ] = n = —— = íìm m 17 i_ THƯ
Trong thực hành, s thường tính ra mm2, nên đơn vị của p là : _ mm2 [p 1 = Q = ------ = 10’6 m Bảng 1.1 cho điện trở suất của một số vật liệu dẫn điên Ví dụ 1.5 : 'ĩ. ":ĩ> trà của 1 fail dày dĩùtg có tiết diện 50 nm2 Íĩ/íỉí : ___ mm2 Biết 1km = 1G\ Tra bảng l.ỉ, ‘a c6 ?r~ 0,0175 Q --------- m Điện trỏ của dây 1 ỉ H 1000 r =p „ “ 1 175 X = 0,35 Q p s 50 , c. Sự phụ thuộc của đis ' *’ vào nhiệt dộ : Khi nhiệt độ kim loại tănf các phân tử vật chất trong kim loại sẽ tăng mức độ chuyển .ụiig nhiệt. Do đó, các điện tử di chuyển trong kim loại sẽ va chạm nhiều hơn, gặp trở ngại nhiều hơn. Do đó, điện trỏ của vật liệu sẽ tăng lên khi nhiệt độ tăng. Trong phạm vi từ 0-100°C, đa số các dây kim loại đều có độ tăng điện trở Ar, tỷ lệ vđi độ tăng nhiệt độ A0 = 0 - 00. Ký hiệu ro và re íãn lượt là điện trở của dây ứng vđi các nhiệt độ ban đau 00 và nhiệt độ đang xét 0, ta có : ầi T. - r0 — = -?—^=a A0=a(0-eo) (1.16) r0 r9 Từ đó : re = ro + r0 a (0 - ôo) = r»[l + a (0 - 0o)] (1.17) Hệ số tỷ lệ a được gợi B hệ số nhiệt điện trỏ của vật liệu, đó bằng độ tăng tương đối của điện trd, khi nhiệt độ biến thiÔỊi 18 4>ạ-\ UhT
l°c. Đồì với kim loại nguyên chất, hệ số nhiệt điện ưỏ vào khoảng 0,001 °C1, nghĩa là khi nhiệt dô biến thiên l°c điện ưđ thay đổi 40%o . Các hợp kim như manganin, constantan ... có hệ số nhiệt điện ưở rất nhỏ, nên điện ưở của các vật dẫn bằng các vật liêu này rất ít biến đổi theo nhiệt độ. Chúng được dùng để chế tạo các điện trỏ mẫu và các điện trỏ cần có trị số ít biến thiên. Bẳng 1.1 có cho hệ số nhiệt điện trở của một số chất. Báng 1.1 ĐẶC TÍNH CỦA MỘT số VẬT LIỆU DAN điện Điện trđ Hệ số nhiệt Khối híỢng Giới hạn suất ở 20°C điện trở Vât Hệu Nhiệt độ riêng bền, kéo 1045 (trong phạm chảy, °C M bar íim. (hoặc W 0 - 100°C), g/cm2 Í2mm2/m) °C1 Nhôm 2,7 137-215 657 0,029 0,004 Đồng thanh 8,8-8,9 49 - 588 900 0,021 - 0,4 0,004 Vonfram 18,7 4067 3370 0,056 0,00464 Sất 7,7 - 1520 0,13 - 0,3 0,006 • Constantan 8,8 392 1200 0,4 - 0,51 0,000 005 Thau 8,1 392 900 0,07 - 0,08 0,002 Manganin 8,1 539 960 0,42 0,000 006 Đồng 8,9 245 - 392 1063 0,0175 0,004 Nicrom 8,2 683 1360 1.1 0,000 15 Thép 7,8 784-1470 1400 0,13-0,25 0,006 Fecrala 7,6 - 1450 1,4 0,000 28 croman 7,1 784 1500 1,3 0,000 04 Khi dung dịch điện phân và than bị nung nóng, thì mật độ các phần tử mang điện tăng lên, nên tuy mức độ va chạm giữa phần tử mang điện với các phin tử khác có tăng lên, độ dẫn điện của vật liệu vẫn tăng. Kết quả là điện trỏ của các vật dẫn làm bằng các vật liệu này giảm đi khi nhiệt độ tăng, và hệ số 19
nhiột điện trở của chất điện phân và than có giá trị âm, vào . * khoảng (X «- 0,02°C Ví dụ 1.6 : Xác định điện trở của một dây đồng dài 100km tiết diện 50mm2 có nhiệt độ - 5°c. Giải: Điện trở của dây đ 20°C : í '"- 100000 T, =p ^ = 0,0175-4^-= 35Q o Ju Điện trd của dầy ở - 5 °C r.5 = ro + ro aA9 = + 35.0,004 (-25) = 31,5 n Ví dụ 1.7: Xác định nhiệt độ cuộn õày đồng, biết ở 20°C nó có điện trở r0 = 1,2OQ, còn ở nhiệt độ đang xét, điện trở là IB= 1.44Q Gdìi: Từ(1.17)!a có : 1,44-1,20 + ùo- 0,604 x +20=70°C a r0 1,20 Tính siêu dẫn : Khi hạ nhiệt độ của mội íố kim loại và hợp kim, xuống gần độ không tuyệt đối (- 273°C), người Í2 !hấy xuất hiện ưạng thái dẫn điện đặc biệt, gọi là hiện tượng siêu dẫn. Nhiệt đô tương ứng làm vật liệu chuyển sang ưạng thái siêu dẫn gọi gọi là nhiệt độ tới hạn. Khi giảm nhiệt độ vật dẫn đến trị số tới hạn, điện trở vật dẫn trờ nên bằng không. Một dòng điện dù có trị số lơn, cũng tồn tại lâu dài mà không cân tới nguồn điện duy trì. Lúc đó, dây dẫn không bị đốt nóng. Đó là vì ở nhiệt độ tđi hạn, các phần tử vật chất hầu như không còn chuyển động nhiệt và các điện tử dễ dàng di chuyển ưong vật dẫn mà không bị va chạm, nên không gặp trở lực nào. Đặc tính thứ hai của chất siêu dẫn là không có từ trường tồn tại ưong lòng vật dẫn. Nếu ở ưên nhiệt độ tới hạn, trong vật dẫn có một từ trường thì khi tđi nhiệt độ tđi hạn, từ trường này bị mất đi. Điều đó được giải thích như sau. ở vật siêu dẫn, 20