Giáo trình Kỹ thuật điện - Nghề đào tạo: Điện dân dụng
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
2. MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU...............................................................................10
4. MẠNG BA PHA....................................................................................................51
4.1. KHÁI NIỆM CHUNG..................................................................................51
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƢƠNG I ............................................................................62
BÀI TẬP CHƢƠNG I............................................................................................63
CHƯƠNG 2: AN TOÀN ĐIỆN...............................................................................67
DỤNG ĐIỆN..........................................................................................................75
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƢƠNG II...........................................................................92
2
CHƢƠNG III: VẬT LIỆU ĐIỆN............................................................................93
1. VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN ...................................................................................93
ĐIỆN ..................................................................................................................99
2. VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN....................................................................................112
ĐIỆN ................................................................................................................115
3. VẬT LIỆU DẪN TỪ........................................................................................125
4. VẬT LIỆU BÁN DẪN.....................................................................................129
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 đo cac phần tƣ thƣc đƣơc thay thế bằng cac phần tƣ ly tƣơng: 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
Đơn vị của điện trở là Ω (ôm) ;
Công suất điện trở tiêu thụ: P = RI2 ;
(1.1)
(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:
(1.4)
w
- Điện cảm của cuộn dây đƣợc định nghĩa
i
w
i
L
(1.5)
(1.6)
di
dt
- Sức điện động tự cảm: eL L
- 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)
(1.9)
dt
i2
Năng lƣợng từ trƣờng tích lũy trong cuộn dây: WM = L.
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 CUC
(1.10)
7
- Quan hệ giữa dòng điện và điện áp trên điện dung C là:
1
dq d.C.UC
d.UC
1
i =
=
=
U =
C
(1.11)
c.
. i.dt
C
dt
dt
dt
0
- Công suất trên tụ điện:
d.UC
d.UC
pC = UC.i = C.UC.
= C.UC.
(1.12)
(1.13)
dt
dt
UC2 .C
- Năng lƣợng điện trƣờng của tụ điện: WE =
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(1F 106 F); nF(1nF 109 F) ; pF(1pF 1012 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)
u(t)
e
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.
2
A
I (A), S (mm ) nên j đơn vị là (
)
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:
Rd
Ud
I
- Nguồn điện có sức điện động là E, điện trở
trong của nguồn là r0
E
- 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 + Rd + r0
R
Vậy dòng điện trong mạch tỉ lệ thuận với sức điện động của nguồn và tỉ lệ nghịch với
điện trở toàn mạch.
E
E
I =
(1.14)
R r0
R
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 cua dong điên
̣
̉
̀
̉
Công cua dong điên
̣
là công của lực điện c huyên dic
̣ ̣ ̣
h cac điên tich trong mach
́
́
̉
̀
điên
̣
. Giả sử trên một đoạn mạch có điện áp là U , dòng điện là I , trong thơi gian t
̀
̉
lƣơn
̣
g điên
̣
tich chuyên qua đoan
̣
mac
̣
h la:
q = I.t.
(1.15)
̀
́
̉
Tƣ đin
̣
h nghia vê
̀
điên
̣
ap ta thâ
́
y công cua lƣc băng tich cua điên
̣
̀
̣
tich di chuyên
̉
̉
̀
́
̃
́
́
qua đoan
̣
mac
̣
h.
A = q.U = U.I.t
Trong đo lƣơng ta thƣơng dung đon vi
(1.16)
̣
̣
cua công la Jun ky hiêu la J.
̉
̀ ́ ̀
̀
̀
̀
Vây: Công cua dong điên
đoan mac
̣ ̣
̣
san ra trên môt
̣
đoan
h, dòng điện qua mạch và thời gian duy trì dòng điện.
b. Công suât cua dong điên
Công suất của dòng điện là công của dòng điện thực hiện đƣợc trong 1đơn vị
thời gian
̣ ̣ ̣ ̣
mach ty lê vơi điên ap hai đầu
̉
́ ́
̉
̉
̀
́
̣
̉
̀
A U.I.t
P
U.I
trên môt
(1.17)
t
t
Vây
̣
công suâ
́
t cua dong điên
̣
̣
đoan
̣
mac
̣
h ty lê
̣
vơi điên
̣
ap ơ hai đâ
̀
u
̉
̉
̉
̀
́
́
đoan
̣
mach va dong điên
̣
̣
̣
qua mach.
̀
̀
U 2
R
P = U.I = I2.R =
(1.18)
Đơn vi
c. Công suât cua nguô
Công cua nguô
̣ ̣
cua công suất ngƣơi ta dung đơn vi đo la: Oát ký hiệu W, KW, MW.
̉
̀ ̀ ̀
́
̀
n điên
̉
̣ ̣ ̣
n điên la số đo năng lƣơng chuyên hoa cac dang năng lƣơng
́ ́
̣
̉
̀
̣
̉
̀
khác thành điện năng, và đƣợc tính theo công thƣc:
́
Pt = E.I
(1.19)
Vây
qua nguô
d. Điện năng trong mạch điện 1 chiều
Điện năng tiêu thụ trong mạch điện 1 chiều ký hiệu là A: A = P.t
Trong đó:
̣
: công suâ
́
t cua nguô
̀
n điên
̣
bă
̀
ng tich sô
́
giƣa sƣc điên
̣
đôn
̣
g nguồn va dong
̉
̃
́
̀
̀
́
điên
̣
̀
n.
(1.20)
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 bong 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 bong
́
đèn là bao nhiêu? giả thiết khi đó điện trở của bong 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:
U 2 2202
r đm
484
P
100
đm
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:
U '2
Uđ2m
r
P' U '2
k2
Pđm =
và P‟ =
ta rút ra
r
P
Uđ2m
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
P‟ = Pđm.k2 = 100.(
)2 = 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
P
0,8
0
5
- Điện trở trong của pin: r0 =
I 2 0,42
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)
1J = 0,24 calo Q = R.I2.t (Jun)
(1.21)
(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+
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.
I
I
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
D
+
K2
K1
G
+ -
+
Utx
a)
K1
Utx2
K2
B
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)
(1.25)
Trong đó: T là nhiệt độ tuyệt đối của chỗ tiếp xúc, oK:
T(oK) 273 + (oC)
C là hệ số nhiệt điện, phụ thuộc vào kim loại tiếp xúc, chẳng hạn:
Tiếp xúc đồng – côngstangtan, C = 41,8V/độ ;
Tiếp xúc Platin- Platinpharod, C = 6,4V/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)
Utx2 = CT2 = C(273+2)
(1.26)
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.
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
điện trở (mạch điện không phân nhánh)
R2
U2
R1
R3
U3
I
B
C
D
A
U1
- Điện trở tƣơng đƣơng của các điện trở R1, 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 bong 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 ma ta phải đấu nối
̀
tiếp nhiều bong để đảm bảo điện áp trên mỗi bong đèn không vƣợt quá điện áp định
́
́
mức của bong đền là 24V.
́
Vì các bong đèn giống nhau nên khi đấu nối tiếp thì điện áp đặt vào các bong là
́
́
nhƣ nhau. Vậy số bong cần đấu là:
́
110
n ≥
5, ta lấy n = 5 bóng.
24
Điện trở của mỗi bóng:
U 2 242
r đm
48
P
12
đm
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
...
R
R
R2
Rn
td
1
(1.31)
*Các trƣờng hợp riêng:
- Hai điện trở đấu song song: (R1// R2)
R .R2
1
Rtđ =
R R2
1
(1.32)
- Ba điện trở đấu song song ( R1// R2//R3)
R .R2.R3
1
Rtđ =
R .R2 R .R3 R2.R3
1
1
(1.33)
- Các điện trở bằng nhau đấu song song
R
n
R1 = R2 = … = Rn = R;
Rtđ =
(1.34)
* Ví dụ 1:
Có 3 điện trở R1 = 60
;
R2 = 120
; R3 = 150
đấu song song. Tính điện
trở tƣơng đƣơng.
Giải:
R .R2.R3
60.120.150
1
= 31,6
Rtđ=
=
R .R2 R .R3 R2.R3 60.120 60.150 150.120
1
1
* 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
1
R1
R31
R3
3
3
R12
R2
R23
2
2
Hình 1.5: Mạch biến đổi điện trở sao thành tam giác
R .R
R2.R
R .R3
3 ; R31 R3 R
(1.35)
1
1
R R R2
2 ; R23 R2 R3
12
1
1
R3
R
R2
1
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
3
R12
2
R23
R2
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 giac trên thành các điện trở đấu với nhau theo hình sao theo
́
các công thức sau:
R .R31
R23.R
R31.R23
12
12
R
; R2
;
R3
(1.36)
1
R R23 R31
R R23 R31
R R23 R31
12
12
12
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
R2
RA
R1
R0
E
B
O
D
C
R2
R4
E
R1
B
C
R3
R4
R3
D
Giải:
R .R2
12.6
1
RA =
2
6
R R2 R0 12 6 18
1
R .R0
12.18
1
RB =
R R2 R0 12 6 18
1
R0.R2
18.6
RC =
3
R R2 R0 12 6 18
1
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
Điện trở tƣơng đƣơng toàn mạch:
6 6 3 21
19
Tải về để xem bản đầy đủ
136 trang
19/04/2022
1380
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Kỹ thuật điện - Nghề đào tạo: Điện dân dụng", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_ky_thuat_dien_nghe_dao_tao_dien_dan_dung.pdf
