BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

Chương trình giáo dục đại học
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC
Hanoi Architectural University
Giảng viên
Vũ Hữu Thắng
Chương 1. Những khái niệm cơ bản về mạch điện
v1.1. Mạch điện
Ø 1.1.1. Định nghĩa:
Mạch điện là một hệ thống các thiết bị điện ghép lại thành
những vòng kín, gồm một số nhánh, trong đó những quá trình
truyền động năng lượng điện từ được thực hiện nhờ sự phân
bố dòng điện và điện áp trên các nhánh
Hình 1.1. Sơ đồ mạch điện
Ø 1.1.2. Các thành phần cấu tạo của mạch điện
- Nhánh: Là một đoạn mạch gồm những phần tử ghép nối tiếp
trong đó có cùng một dòng điện chạy qua từ đầu đến cuối.
- Nút: Điểm găp nhau của 3 nhánh trở lên
- Vòng hay mạch vòng: Là một lối đi khép kín qua các nhánh.
Ø 1.1.3. Thiết bị trong mạch điện
— Gồm có 3 nhóm:
-Nguồn điện: Là thiết bị dùng để biến đổi các dạng năng lượng
khác sang năng lượng điện.
Ví dụ: pin, ác qui, máy phát điện.
- Phụ tải: Là thiết bị dùng để biến đổi điện năng sang các dạng
năng lượng khác.
Ví dụ: bàn là, bếp điện, quạt, bóng đèn
-Dây dẫn: Là dây kim loại dùng để truyền tải dòng điện từ
nguồn điện đến phụ tải.
v 1.2. Đại lượng đặc trưng cho quá trình truyền động năng
lượng trong mạch điện
— Gồm các đại lượng:

-Dòng điện
- Điện áp
-Công suất
Ø1.2.1. Dòng điện
- Dòng điệnivềtrị số bằngtốcđộ biếnthiêncủađạilượng
điệntíchq qua tiếtdiệnngangcủamộtvậtdẫnbấtkỳtrong
thờigian:
Hình1.2. Chiềudươngcủai, u
- q: Là điệntíchqua tiếtdiệnngangcủavậtdẫntrongthờigian
t : q=f (t).
-Chiềudòng điệnquy ướclàchiềuchuyển độngcủacác điện
tíchdươngtrong điệntrường.
dt
dq
i =
Ø1.2.2. Điện áp
Điện trường do điện tích q gây nên (hình vẽ 1.3). Thông qua
điện trường này mà điện tích dương q tác dụng một lực lên
các điện tích khác q
1
đặt trong trường của nó một lực tính
bằng công thức:
Hình 1.3. Điện trường của điện tích q
k: là hằng số tỷ lệ
r: là khoảng cách giữa q và q
1
2
1
r
q.q

.kF =
+ Nếu q
1
đặt xa vô cực thì lực F = 0 tức là lực tác dụng của
điện trường lên nó bằng 0. Khi ta chuyển dịch diện tích q
1
đến điểm A cách q là r ta phải tiêu tốn một công là WA, để
khắc phục lực đẩy của điện trường lên điện tích q tại điểm A,
ta nói tại A điện tích điểm q có thế năng WA.
+ Điện thế tại một điểm là thế năng của một đơn vị điện tích
dương đặt tại điểm đó so với điểm xa vô cực là điểm được
coi là có điện thế bằng 0.
+ Điện thế tại một điểm kí hiệu là ϕ⇒ϕ
A
= ϕ
A
- ϕ
0
= ϕ
A
ϕ
B
= ϕ
B
- ϕ
0
= ϕ
B
+ Hiệu số điện thế giữa 2 điểm gọi là điện áp: U
AB

= ϕ
A
- ϕ
B
Về trị số thì điệnápbằngcôngdo lực điệntrườngsinhrakhi
chuyểndịchmộtđơnvịđiệntíchdươngtừđiểmcó điệnthế caotới
điểmcó điệnthế thấp.
+ Chiềuquy ước điệnáplàchiều đitừđiểmcó điệnthế cao đến điểm
có điệnthế thấp
Ø 1.2.3. Côngsuất
Nếu điệnáp đặtvào2 cựccủamộtnhánhlàu(t) thìnănglượng
nhánhtiếpnhận đượckhicó điệntíchdqchạyqua nhánhlà:
dw= u(t).dq
Côngsuấtnhánhtiếpnhậnlà:
(W)
Vậycôngsuấtnhánhtiếpnhận đượccũnglàhàmsốcủathờigian.
)t(i).t(u
dq
dt
).t(u
dt
dw
)t(p ===
v1.3. Những thông số cơ bản của mạch điện
Ø1.3.1. Những hiện tượng năng lượng cơ bản trong mạch
điện
Quá trình truyền động năng lượng trong mạch điện được quy
ra 2 nhóm hiện tượng năng lượng cơ bản là:
-Nhóm hiện tượng biến đổi năng lượng.
-Nhóm hiện tượng tích, phóng năng lượng.

Nhóm hiện tượng biến đổi gồm có hiện tượng nguồn và hiện
tượng tiêu tán:
-Hiện tượng nguồn là hiện tượng biến đổi từ những dạng
năng lượng khác sang năng lượng điện.
VD: hiện tượng nguồn xảy ra trong pin, ắc quy, máy phát.
- Hiện tượng tiêu tán năng lượng là hiện tượng chuyển hoá năng
lượng điện từ thành các dạng năng lượng khác như nhiệt
năng, quang năng, cơ năng.
VD: hiện tượng tiêu tán năng lượng xảy ra trong quạt, bếp
điện
§ Hiện tượng tích luỹ năng lượng điện từ trường là hiện tượng
cất năng lượng điện từ vào không gian có tồn tại một trường
điện từ mà không tiêu tán, chuyển hoá. Khi trường điện từ
tăng lên, năng lượng điện từ do các nguồn cung cấp tích luỹ
thêm vào không gian xung quanh. Khi trường điện từ giảm đi
năng lượng điện từ do các nguồn cung cấp tích luỹ trong
không gian xung quanh lại đưa trở lại nguồn và cấp cho các
phần tử tiêu tán.
— Có thể coi một điện từ trường duy nhất bao gồm hai thành
phần là từ trường và điện trường, vì vậy hiện tượng tích luỹ
năng lượng cũng bao gồm hiện tượng tích luỹ năng lượng
điện trường và từ trường.
Ø 1.3.2. Những thông số cơ bản của mạch điện
-Trị số dòng điện và điện áp trên các nhánh của mạch điện chỉ
cho ta thấy cường độ chung của quá trình truyền động năng
lượng điện từ trong một nhánh mà không nêu được bản chất
của quá trình truyền động năng lượng điện từ trong nhánh
như biến đổi hay tích phóng
Hình 4a. Nêu lên hiện tượng nguồn
Hình 4b. Nêu lên hiện tượng tiêu tán năng lượng

Hình 4c. Nêu lên hiện tượng tích phóng năng lượng từ trường
Hình 4d. Nêu lên hiện tượng tích phóng năng lượng điện trường
- Để đặc trưng cho các hiện tượng năng lượng và cường độ của
các hiện tượng đó trong mạch điện, người ta đưa ra các thông
số cơ bản của mạch là:
+ Nguồn sức điện động e(t), đặc trưng cho hiện tượng nguồn.
+ Điện trở R đặc trưng cho hiện tượng và mức độ tiêu tán năng
lượng của một nhánh.
+ Điện cảm L đặc trưng cho hiện tượng và mức độ tích phóng
năng lượng từ trường của một nhánh.
+ Điện dung C đặc trưng cho hiện tượng và mức độ tích phóng
năng lượng điện trường của một nhánh.
a.Thôngsốđặctrưngchocấutạonguồnnguồnsức
điệnđộnge(t)
Hình1-5. Chiềudươngcủanguồn điệnápU(t) vàdòng điện
i(t), chiềunguồnsứcđiệnđộnge(t)
- Đểđặctrưngchocác đặctínhtạonên điệnápcủanguồnvà để
phùhợpvớithóiquenkhinóicôngsuấtcủanguồnphátralà
số dương, ngườita đưarakháiniệmvềnguồnsứcđiệnđộng
e(t):
+ Về trị số thì e(t) bằng điện áp của nguồn khi không tải u(t)
(hở mạch)
+ Chiều của nó ngược chiều nguồn áp, nghĩa là: e(t) = -u(t).
-Như vậy nguồn sức điện động về trị số bằng năng lượng điện
từ mà nguồn sinh ra khi một đơn vị điện tích dương chạy từ
cực âm tới cực dương của nguồn. Công suất của nguồn phát
ra: p(t) = e(t) . i(t) > 0
- Trong quá trình chuyển hoá năng lượng, nguồn tiêu tán mất
một phần năng lượng điện với công suất ∆p dưới dạng nhiệt
làm nguồn nóng lên. Do đó công suất nguồn phát ra ngoài

cho phụ tải là:
)t(i).t(uP)t(P)t(P
e
=
∆
−
=
- Có trường hợp dưới tác dụng của điện áp mạch ngoài, dòng
điện qua nguồn ngược chiều nguồn sức điện động.
VD : khi nạp điện ác quy, khi máy điện làm việc ở chế độ
động cơ, lúc này ác quy và động cơ là phụ tải, công suất phụ
tải tiêu thụ của mạch ngoài cấp cho là:
b. Thông số đặc trưng hiện tượng tiêu tán
-Hiện tượng tiêu tán trong một nhánh được đặc trưng bằng
thông số gọi là điện trở của nhánh.
Theo định luật Ohm:
Theo định luật Jun-Lenxe : p = ui = ri
2
hoặc p = ui = gu
2
P)t(i).t(e)t(i).t(u)t(P
∆
−
=
=
i.ru
=
Hình 1-6 Hình 1-7
Mạch thuần trở Đồ thị quan hệ điện áp,dòng điện
Trong đó: r là điện trở đơn vị là (Ω), g là điện dẫn đơn vị là

Siemen (S)
- Điện trở r và điện dẫn g nêu lên mức độ công suất tiêu tán
dưới tác dụng của dòng điện 1A và điện áp 1V để biến đổi từ
điện năng sang nhiệt năng
c. Thông số đặc trưng hiện tượng tích luỹ năng lượng từ
trường của cuộn dây
-Khi có dòng điện chạy qua cuộn dây thì xung quanh cuộn dây
có một từ trường. Từ trường này xuyên qua cuộn dây với một
thông lượng gọi là từ thông móc vòng ψ. Đồng thời xung
quanh cuộn dây tích luỹ một năng lượng từ trường Wtt
-Hệ số tỷ lệ giữa từ thông móc vòng ψ và dòng điện i là điện
cảm L của cuộn dây:
-Sức điện động cảm ứng trong cuộn dây, có chiều được xác
định theo quy tắc vặn nút chai, chiều quay của cái vặn nút
chai là chiều dương của Sđđ
i
L
ψ
=
— Ta có
Hình 1-8. Mạch thuần cảm
§ Mặt khác năng lượng cuộn dây:
Đơn vị ψ [v.giây] gọi là Weber kí hiệu Wb
Đơn vị L [V.S/A] gọi là Henry kí hiệu H.
Trị số điện cảm động được xác định Lđ(i) = dψ/di.
dt
di
L
dt
d

eu
LL
=
ψ
−=−=
dt.i.Ldt/di.dt.i.Ldt.i.udW
tt
=
=
=
∫ ∫
===
I
0
I
0
2
tttt
2
I.L
di.i.LdWW
Hình 1-9. Hỗ cảm giữa hai cuộn dây
Hỗ cảm:
M = ψ
12
/i
1
= ψ
21
/i

2
= hằng số
Hỗ cảm nêu lên khả năng tích luỹ năng lượng của 2 cuộn dây
d. Thông số đặc trưng hiện tượng tích luỹ năng lượng điện
trường. Điện dung C của một cặp vật dẫn
Hình 1-10. Mạch điện thuần điện dung
- Đặt điện áp Uc lên 2 bản một tụ điện, trên 2 bản cực tụ điện sẽ
nạp điện tích q trái dấu, trong không gian giữa bản tụ điện sẽ
có một điện trường, tích chứa một năng lượng điện trường
Wđt . Uc Tăng thì q, Wđt cũng tăng theo.
- Ta có hệ số tỷ lệ giữa điện tích q trên bản cực tụ điện và điện
áp trên tụ là điện dung của tụ ký hiệu là C:
-Khi Uc tăng từ 0 đến U nào đó thì điện tích q cũng tăng theo
do đó điện trường tăng theo, qua tụ điện có dòng điện iơc
chuyển dịch, nếu coi C là hằng số, ta có:
Năng lượng tụ điện tích lũy:
∫
=>−=>−== dt.i
C
1
udt.i.
C
1
du
dt
du
.C
dt
dq
i

cc
c
c
cc
c
ccdtr
du.u.C
dt
du
.u.dt.Cdt.i.udW ===
2
u
0
cc
u
0
dtrdtr
U
2
C
du.u.CdWW
∫∫
===
v1.4. Sơđồ thaythế củamạch điện
- Để tiệnchoviệctínhtoánvàmiêutảcáchiệntượng
nănglượngtrongmạch điện, tathaythế mạch điệnbằng
mộtsơđồ gọilàsơđồ thaythế kếtcấucủasơđồ thaythế
giốngnhư kếtcấucủamạch điệnthực. Nhữnghiện
tượngnănglượngtrongcácmạchnhánh được đặctrưng
bởicácthôngsốe(t), R, L, C trênsơđồ.

Vídụ:Vềthànhlậpsơđồ thaythế củamạch điện.
Hình1.11. Sơđồ mạng điện Hình1.12. Sơđồ tương đương
v1.5. Hai định luật Kirchhoff cơ sở của việc giải mạch điện
Bài toán về giải mạch điện có nhiều dạng nhưng được phân
thành 2 loại chủ yếu là:
-Bài toán phân tích mạch điện: Đã biết kết cấu và các thông số
về nguồn R, L, C của mạch tìm u, i, p phân bố trên các nhánh
-Bài toán tổng hợp mạch điện: Đã biết thông số về nguồn, dòng
điện i, điện áp u, công suất p trên các mạch nhánh. Tìm kết
cấu và các thông số của mạch là R, L, C.
Cơ sở của việc giải mạch điện vẫn là 2 định luật K.H1 và K.H2.
Ø1.5.1. Định luật Kichhoff 1
-Tổng đại số các dòng điện ở một nút bằng 0∑ i = 0.
-Nếu quy ước các dòng điện đi tới nút là dương, thì các dòng
điện khỏi nút sẽ mang dấu âm hoặc ngược lại.
i
1
+ i
2
-i
3
-i
4
-i
5
= 0
Hoặc -i
1
-i
2

+ i
3
+ i
4
+ i
5
= 0
- Định luật K.K1 nêu lên tính liên tục của dòng điện, tổng các
dòng điện đi tới nút bằng tổng các dòng điện rời khỏi nút
Hình 1.13. Chiều dòng điện vào và ra khỏi nút