Bài giảng Điện kỹ thuật - Nghề đào tạo: Điện công nghiệp
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
Mục lục
1
3
6
CHƯƠNG 1: TĨNH ĐIỆN
6
1. Hiện tượng nhiễm điện
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
1.4. Nhiễm điện do hưởng ứng
8
8
8
2. Khái niệm về điện trường
2.1. Định luật Cu lông
8
2.2. Định nghĩa và tính chất của điện trường;
2.3. Cường độ điện trường và đường sức điện trường
3. Điện thế - hiệu điện thế
9
9
11
11
12
12
13
13
14
18
3.1. Công của lực điện trường
3.2. Điện thế;
3.2. Hiệu điện thế .
4. Tác dụng của điện trường lên vật dẫn và điện môi
4.1. Vật dẫn trong điện trường
4.2. Điện môi trong điện trường
Câu hỏi ôn tập chương 1
CHƯƠNG 2: MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU
1. Khái niệm về dòng điện một chiều
1.1. Dòng điện và dòng điện một chiều
1.2. Chiều quy ước của dòng điện
1.3. Cường độ và mật độ dòng điện
2. Mạch điện và các phần tử của mạch điện
2.1. Mạch điện
2.2. Các phần tử cấu thành mạch điện.
3. Các định luật và biểu thức cơ bản trong mạch điện một chiều
3.1 Định luật Ôm;
19
19
19
20
20
20
20
22
22
23
25
26
27
29
29
3.2 Công suất và điện năng trong mạch điện một chiều
3.3 Định luật Jun - Len xơ
3.4 Định luật Pha ra đây
3.5 Hiện tượng nhiệt điện
4. Các phương pháp giải mạch điện một chiều
4.1 Phương pháp biến đổi điện trở
3
4.2 Phương pháp xếp chồng dòng điện
4.3 Các phương pháp ứng dụng định luật Kiếc Khốp
Câu hỏi ôn tập chương 2
34
35
43
CHƯƠNG 3: TỪ TRƯỜNG VÀ CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ
1. Đại cương về từ trường
45
45
46
46
47
47
48
50
50
50
50
51
51
52
52
52
52
53
53
53
54
54
55
55
1.1. Tương tác từ
1.2. Khái niệm về từ trường
1.3. Đường sức từ
2. Từ trường của dòng điện
2.1. Từ trường của dây dẫn thẳng
2.2. Từ trường của vòng dây và từ trường trong ống dây
3. Các đại lượng đặc trưng của từ trường
3.1. Sức từ động
3.2. Cường độ từ trường
3.3. Cường độ từ cảm
3.4. Hệ số từ thẩm
3.5. Vât liệu từ
4. Lực từ
4.1. Công thức Am pe
4.2. Quy tắc bàn tay trái
4.3. Lực từ tác dụng lên 2 dây dẫn thẳng
4.4. Ứng dụng
5. Hiện tượng cảm ứng điện từ
5.1. Từ thông
5.2. Công của lực điện từ
5.3. Hiện tượng cảm ứng điện từ
5.4. Sức điện động cảm ứng trong vòng dây có từ thông biến thiên;
5.5. Sức điện động cảm ứng trong dây dẫn thẳng chuyển động cắt
từ trường
5.6. Ứng dụng
56
57
57
58
58
58
59
60
61
6. Hiện tượng tự cảm và hỗ cảm
6.1. Từ thông móc vòng và hệ số từ cảm
6.2. Sức điện động tự cảm
6.3. Hệ số hỗ cảm
6.4. Sức điện động hỗ cảm
6.5. Ứng dụng: Nguyên lý máy biến áp
6.6. Dòng điện Phu cô và ứng dụng
Câu hỏi ôn tập chương 3
4
CHƯƠNG 4: DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU
1. Khái niệm về dòng điện xoay chiều
62
62
62
62
63
64
66
67
67
73
74
75
78
82
82
83
88
89
91
91
93
97
98
102
103
1.1. Dòng điện xoay chiều
1.2. Chu kỳ và tần số của dòng điện xoay chiều
1.3. Dòng điện xoay chiều hình sin
1.4. Pha và sự lệch pha
1.5. Biểu diễn lượng hình sin bằng đồ thị véc tơ
2. Các đại lượng đặc trưng
3. Giải mạch xoay chiều không phân nhánh
3.1. Giải mạch xoay chiều thuần trở, thuần cảm và thuần dung
3.2. Giải mạch xoay chiều RLC
3.3. Giải mạch xoay chiều có nhiều phần tử mắc nối tiếp
3.4. Công suất và hệ số công suất trong mạch xoay chiều
3.5. Cộng hưởng điện áp.
4. Giải mạch xoay chiều phân nhánh
4.1. Giải mạch bằng phương pháp đồ thị vec tơ
4.2. Giải mạch bằng phương pháp tổng dẫn
4.3. Cộng hưởng dòng điện
4.4. Phương pháp nâng cao hệ số công suất
5. Mạch xoay chiều 3 pha
5.1 Hệ thống 3 pha cân bằng
5.2 Sơ đồ đấu dây trong mạng 3 pha
5.3 Công suất mạng 3 pha
5.4 Phương pháp giải mạch ba pha cân bằng
Câu hỏi ôn tập chương 4
Tài liệu tham khảo
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
r2
F k.
(1.1)
Trong đó: q1,q2 là độ lớn của hai điện tích
8
N.m2
C2
là hệ số tỉ lệ, k 9.109
, r là khoảng cách giữa hai điện tích.
k
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
.r2
F k.
(1.2)
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
A MN q.E.d
Mà ta có: F = E.d và
thì
(1.5)
s.cos d
Trong đó α là góc giữa lực F và độ dời , d là hình chiếu của độ
s
dời trên một đơn vị đường sức điện.
s
+ 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 VM > 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
+ Điện thế tại điểm M gây bởi điện tích q: VM K
q
r
(1.7)
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
VM
Hiệu điện thế giữa hai điểm M và N là hiệu giữa điện thế tại M
và
V
điện thế tại N
:
N
UMN VM VN
AM AN
UMN VM VN
Mà AM AMN AN
q
q
AMN AN AN
AMN
q
=>UMN
UMN
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
UMN
(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
q.E.d
U
d
UMN
E.d E
(1.9)
q
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
mỗi lưỡng cực phân tử sẽ chịu
E0
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 nếu điện trường đủ lớn thì
E0
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
các trọng tâm điện tích dương và
E0
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 . Quá trình xảy ra
E0
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
Tải về để xem bản đầy đủ
106 trang
16840
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Điện kỹ thuật - Nghề đào tạo: Điện công nghiệp", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- bai_giang_dien_ky_thuat_nghe_dao_tao_dien_cong_nghiep.pdf
