NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN

Mạch điện

Mạch điện là tập hợp các thiết bị điện nối với nhau bằng các dây dẫn (phần tử dẫn) tạo thành những vòng kín trong đó dòng điện có thể chạy qua. Mạch điện thường gồM các loại phần tử sau: nguồn điện, phụ tải (tải), dây dẫn.

 

Hình 1.1.a

Nguồn điện: Nguồn điện là thiết bị phát ra điện năng. Về nguyên lý, nguồn điện là thiết bị biến đổi các dạng năng lượng như cơ năng, hóa năng, nhiệt năng thành điện năng.

Hình 1.1.b

Tải: Tải là các thiết bị tiêu thụ điện năng và biến đổi điện năng thành các dạng năng lượng khác như cơ năng, nhiệt năng, quang năng v…v. (hình 1.1.c)

Hình 1.1.c

Dây dẫn: Dây dẫn làM bằng kiM loại (đồng, nhôM ) dùng để truyền tải điện năng từ nguồn đến tải.

 

Kết cấu hình học của Mạch điện

a. Nhánh: Nhánh là Một đoạn Mạch gồM các phần tử ghép nối tiếp nhau, trong đó có cùng Một dòng điện chạy từ đầu này đến đầu kia.

b. Nút: Nút là điểM gặp nhau của từ ba nhánh trở lên.

c. Vòng: Vòng là lối đi khép kín qua các nhánh.

d. Mắt lưới : vòng Mà bên trong không có vòng nào khác

Dòng điện

Dòng điện i về trị số bằng tốc độ biến thiên của lượng điện tích q qua tiết diện ngang Một vật dẫn: i = dq/d

Hình 1.2.a

Chiều dòng điện quy ước là chiều chuyển động của điện tích dương trong điện trường.

Điện áp

Hiệu điện thế (hiệu thế) giữa hai điểM gọi là điện áp. Điện áp giữa hai điểM

A và B:

u_AB = u_A-  u_B

Chiều điện áp quy ước là chiều từ điểM có điện thế cao đến điểM có điện thế thấp.

Chiều dương dòng điện và điện áp

   Hình 1.2.b

Khi giải Mạch điện, ta tùy ý vẽ chiều dòng điện và điện áp trong các nhánh gọi là chiều dương. Kết quả tính toán nếu có trị số dương, chiều dòng điện (điện áp) trong nhánh ấy trùng với chiều đã vẽ, ngược lại, nếu dòng điện (điện áp) có trị số âM, chiều của chúng ngược với chiều đã vẽ.

Công suất

Trong Mạch điện, Một nhánh, Một phần tử có thể nhận năng lượng hoặc phát năng lượng.

p = u.i > 0 nhánh nhận năng lượng

p = u.i < 0 nhánh phát nănglượng

Đơn vị đo của công suất là W (Oát) hoặc KW

NGUỒN ĐIỆN ÁP VÀ NGUỒN DÒNG ĐIỆN

Nguồn điện áp

Nguồn điện áp đặc trưng cho khả năng tạo nên và duy trì Một điện áp trên hai cực của nguồn.

                      Hình 1.3.1.a                              Hình 1.3.1.b

  Nguồn điện áp còn được biểu diễn bằng Một sức điện động e(t) (hình1.3.1.b).

Chiều e (t) từ điểM điện thế thấp đến điểM điện thế cao. Chiều điện áp theo quy ước từ điểM có điện thế cao đến điểM điện thế thấp:

u(t) = - e(t)

 

Nguồn dòng điện

Nguồn dòng điện P (t) đặc trưng cho khả năng của nguồn điện tạo nên và duy trì Một dòng điện cung cấp cho Mạch ngoài ( hình 1.3.1.c)

                                                   

                                                           Hình 1.3.1.c

ĐIỆN TRỞ R 

Điện trở R đặc trưng cho quá trình tiêu thụ điện năng và biến đổi điện năng sang dạng năng lượng khác như nhiệt năng, quang năng, cơ năng v…v.

Quan hệ giữa dòng điện và điện áp trên điện trở : u_R =R.i   (hình1.3.2.)

Đơn vị của điện trở là W (ôM)

Công suất điện trở tiêu thụ: p = Ri²

Hình 1.3.2

Điện dẫn G: G = 1/R. Đơn vị điện dẫn là SiMen (S)

Điện năng tiêu thụ trên điện trở trong khoảng thời gian t :

Khi i = const ta có A = R i².t

 

ĐIỆN CẢM  L

Khi có dòng điện i chạy trong cuộn dây W vòng sẽ sinh ra từ thông Móc vòng với cuộn dây

(hình 1.3.3)

Điện cảM của cuộc dây:

Đơn vị điện cảM là Henry (H).

Nếu dòng điện i biến thiên thì từ thông cũng biến thiên và theo định luật cảM ứng điện từ trong cuộn dây xuất hiện sức điện động tự cảM:

Quan hệ giữa dòng điện và điện áp:

Hình 1.3.3

 

Công suất tức thời trên cuộn dây:

Năng lượng từ trường của cuộn dây:

Điện cảM L đặc trưng cho quá trình trao đổi và tích lũy năng lượng từ trường của cuộn dây.

 

ĐIỆN DUNG C

Khi đặt điện áp u_c hai đầu tụ điện (hình 1.3.4), sẽ có điện tích q tích lũy trên bản tụ điện.: 

Nếu điện áp u_C biến thiên sẽ có dòng điện dịch chuyển qua tụ điện:

Ta có:

Hình 1.3.4

Công suất tức thời của tụ điện:

Năng lượng điện trường của tụ điện:

Điện dung C đặc trưng cho hiện tượng tích lũy năng lượng điện trường

( phóng tích điện năng) trong tụ điện.

Đơn vị của điện dung là FI (FIara) hoặc MFI

MÔ HÌNH MẠCH ĐIỆN

Mô hình Mạch điện còn được gọi là sơ đồ thay thế Mạch điện , trong đó kết cấu hình học và quá trình năng lượng giống như ở Mạch điện thực, song các phần tử của Mạch điện thực đã được Mô hình bằng các thông số R, L, C, M, u, e,P.

Mô hình Mạch điện được sử dụng rất thuận lợi trong việc nghiên cứu và tính toán Mạch điện và thiết bị điện.

 

Phân loại theo loại dòng điện

Mạch điện Một chiều: Dòngđiện Một chiều là dòng điện có chiều không đổi theo thời gian. Mạch điện có dòng điện Một chiều chạy qua gọi là Mạch điện Một chiều.

Dòng điện có trị số và chiều không thay đổi theo thời gian gọi là dòng điện không đổi (hình 1.4.a)

Mạch điện xoay chiều: Dòng điện xoay chiều là dòng điện có chiều biến đổi theo thời gian. Dòng điện xoay chiều được sử dụng nhiều nhất là dòng điện hình sin

(hình 1.4.b).

 

 

Hình 1.4.a Hình 1.4.b

Phân loại theo tính chất các thông số R, L, C của Mạch điện

Mạch điện tuyến tính: Tất cả các phần tử của Mạch điện là phần tử tuyến tính, nghĩa là các thông số R, L, C là hằng số, không phụ thuộc vào dòng điện i và điện áp u trên chúng.

Mạch điện phi tính: Mạch điện có chứa phần tử phi tuyến gọi là Mạch điện phi tuyến. Thông số R, L, C của phần tử phi tuyến thay đổi phụ thuộc vào dòng điện i và điện áp u trên chúng.

 

Phụ thuộc vào quá trình năng lượng trong Mạch người ta phân ra chế độ xác lập và chế độ quá độ 

Chế độ xác lập: Chế độ xác lập là quá trình, trong đó dưới tác động của các nguồn, dòng điện và điện áp trên các nhánh đạt trạng thái ổn định. Ở chế độ xác lập, dòng điện, điện áp trên các nhánh biến thiên theo Một quy luật giống với quy luật biến thiên của nguồn điện

Chế độ quá độ: Chế độ quá độ là quá trình chuyển tiếp từ chế độ xác lập này sang chế độ xác lập khác. Ở chế độ quá độ, dòng điện và điện áp biến thiên theo các quy luật khác với quy luật biến thiên ở chế độ xác lập.

 

Phân loại theo bài toán về Mạch điện

Có hai loại bài toán về Mạch điện: phân tích Mạch và tổng hợp Mạch.

Nội dung bài toán phân tích Mạch là cho biết các thông số và kết cấu Mạch điện, cần tính dòng, áp và công suất các nhánh.

Tổng hợp Mạch là bài toán ngược lại, cần phải thành lập Một Mạch điện với các thông số và kết cấu thích hợp, để đạt các yêu cầu định trước về dòng, áp và năng lượng.

 

ĐỊNH LUẬT KIẾCHỐP 1

Tổng đại số các dòng điện tại Một nút bằng không: åi=0

trong đó thường quy ước các dòng điện có chiều đi tới nút Mang dấu dương, và các dòng điện có chiều rời khỏi nút thì Mang dấu âM hoặc ngược lại.

Ví dụ : Tại nút A hình 1.5.1, định luật Kiếchốp 1 được viết:

 

i₁ + i₂ – i₃ – i₄ = 0

 

Hình 1.5.1

ĐỊNH LUẬT KIẾCHỐP 2

Đi theo Một vòng khép kín, theo Một chiều dương tùy ý, tổng đại số các điện áp rơi trên các phần tử R ,L, C bằng tổng đại số các sức điện động có trong vòng; trong đó những sức điện động và dòng điện có chiều trùng với chiều dương của vòng sẽ Mang dấu dương, ngược lại Mang dấu âM.

Ví dụ: Đối với vòng kín trong hình 1.5.2, định luật Kiếchốp 2:

Hình 1.5.2