Giáo trình Kỹ thuật điện: Phần 1

Giáo trình Kỹ thuật điện

Nguyễn Thành Nam
Lời nói đầu

Nng lng in l ngun ng lc ch yu ca nn sn xut hin i, nc
ta cng nh cỏc nc khỏc trờn th gii ang khụng ngng phỏt trin ngnh k
ngh sn xut truyn ti, s dng in nng. Sn lng in tớnh theo u ngi
l mt trong nhng ch tiờu c bn ỏnh giỏ trỡnh phỏt trin kinh t ca
mt nc. K thut in nghiờn cu nhng ng dng ca cỏc hin tng in t
nhm bin i nng lng v tớn hiu. bao gm vic phỏt, truyn ti v phõn
phi, s dng in nng trong sn xut v i sng.
Ngy nay in nng c s dng rng rói trong mi lnh vc vỡ nhng u
im c bn sau:
- in nng c sn xut tp trung vi cỏc ngun cụng sut ln.
- in nng cú th truyn ti i xa vi hiu sut cao.
- D dng bin i in nng thnh cỏc dng nng lng khỏc.
- Nh in nng cú th t ng hoỏ mi quỏ trỡnh sn xut, nõng cao nng
sut lao ng
So vi cỏc dng nng lng khỏc nh c, nhit, thu, khớ... in nng c
phỏt hin chm hn vỡ con ngi khụng cm nhn trc tip c cỏc hin tng
in t. Tuy nhiờn vi vic phỏt hin v s dng in nng ó thỳc y cỏch
mng khoa hc cụng ngh tin nh v bóo sang k nguyờn in khớ hoỏ, t ng
hoỏ.
Vit Nam cú tim nng to ln v nng lng nhng do hu qu chin tranh
kộo di v c ch qun lý quan liờu bao cp nờn sn xut cũn lc hu. Nm 1975
c nc ch sn xut 1,5 t kWh, nm 2003 t ti 41 t kWh vi sn lng in
bỡnh quõn 500 kWh / 1 ngi 1 nm. Theo l trỡnh phỏt trin ti nm 2010 s t
70 t kWh, nm 2020 s t 170 t kWh. ỏp ng nhu cu ph ti in n
nm 2015 Vit Nam s tin hnh xõy dựng 61 nh mỏy in vi tng cụng sut
21.658 MW, trong ú cú 32 nh mỏy thu in vi tng cụng sut 7.975 MW,

17 nh mỏy in tuabin khớ vi tng cụng sut 9.783 MW v 12 nh mỏy nhit
in than vi tng cụng sut 3.900 MW. H thng truyn ti in siờu cao ỏp
500 kV Bc- Nam ó i vo vn hnh, tuyn 500 kV th hai ang c xõy
dng. Vn u t trung bỡnh 2,16 t USD mi nm.
Ngnh sn xut cỏc thit b in ang c u t phỏt trin. Cỏc mỏy bin
ỏp 110 kV, 25 MVA v 63 MVA đang c sn sut hng lot. Mỏy bin ỏp 220
kV, 125 MVA u tiờn i vo sn xut t nm 2004 ti cụng ty Thit b in
Khoa Điện - Điện Tử

1

CĐ Nghề Nam Định


Giáo trình Kỹ thuật điện

Nguyễn Thành Nam

ụng Anh. Cỏc ng c in vi cụng sut ti 1000 kW c ch to cỏc
Cụng ty ch to Vit Hung, Cụng ty ch to in c H Ni, Th c.
Giỏo trỡnh c biờn son da trờn c s ngi hc ó hc mụn Vt lý
bc ph thụng, ngoi ra cũn cỏc kin thc liờn quan nh mụn Gii tớch...
Nhm ỏp ng nhu cu ca ngi hc v thun tin cho vic hc tp ca
sinh viờn h cao ng ngh hc khoa in t c kt qu cao. Giỏo trỡnh
Mch in c biờn son da trờn chng trỡnh khung ca B Giỏo Dc và
đào tạo, vi kinh nghim ging dy nhiu nm b mụn K thut in của
trường Cao đẳng nghề Nam Định cựng vi s k tha nhng tinh hoa ca cỏc tỏc
gi cú nhiu nm kinh nghim biờn son chng trỡnh nh PGS. TS ng Vn
o, PGS. TS Lờ Vn Doanh. gs Hoàng Hữu Thận.
Biờn son cho ln u xut bn, trỡnh hiu bit còn cú hn, kinh nghim

ging dy cha nhiu, chc chn cũn nhiu hn ch. Rt mong c s gúp ý
ca cỏc thy cô giỏo, bạn đồng nghiệp v cỏc bn sinh viờn cun sỏch ngy
cng tt hn.
Xin bày tỏ lòng cảm ơn đến các thầy cô giáo Khoa Điện - Điện tử. Trường
CĐ nghề Nam Định đã đóng góp ý kiến và kinh nghiệm, để cuốn sách được hoàn
thành đúng thời gian.

Tác giả
Nguyễn Thành Nam

Khoa Điện - Điện Tử

2

CĐ Nghề Nam Định


Gi¸o tr×nh Kü tht ®iƯn

Ngun Thµnh Nam
Ch­¬ng 1

C¸c kh¸i niƯm c¬ b¶n vỊ m¹ch ®iƯn
Bµi 1.1. M¹ch ®iƯn vµ m« h×nh
1. M¹ch ®iƯn
Mạch điện là tổ hợp các thiết bò điện bao gồm nguồn, phụ tải được nối với
nhau bằng dây dẫn theo một cách thức nhất đònh thông qua các thiết bò phụ trợ
.

NGN

§IƯN

thiÕt bÞ
phơ trỵ

pHơ
T¶I

H×nh 1-1
M¹ch ®iƯn

Ngn ®iƯn : Nơi sản sinh ra năng lượng điện để cung cấp cho m¹ch. 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 lưới điện, máy phát điện xoay chiều.
Các nguồn điện côn g suất lớn thườn g được truyền tải từ các nhà máy
điện (nhiệt điện, thủy điện, điện nguyên tử...).
Các nguồn điện mộ t chiều thường được đặc trưng bằng suất điện động E,
điện trở nội r (®iƯn trë trong). Với nguồn xoay chiều thường biểu diễn bằng công
suất P (công suất máy phát) và hiệu điện thế lối ra U.
* Phơ t¶i: Là các thiết bò sử dụng điện năng để chuyển hóa thành một dạng
năng lượng khác, như dùng để thắp sáng (quang năng), chạy các độn g cơ
điện (cơ năng), dùng để chạy các lò điệ n (nhiệt năng)... . Các thiết bò tiê u
thụ điệ n thường được gọi là phụ tải (hoặc tải) và ký hiệ u bằng điện trở R
hoặc bằng trở kháng Z.
* D©y dÉn: Có nhiệm vụ liên kết và truyền dẫn dòng điện từ nguồn điện
đến nơi tiêu thụ.
* C¸c thiÕt bÞ phơ trỵ : như các thiết bò đóng cắt (cầu dao, công tắc...), các
máy đo (ampekế, vôn kế, o¸t kế …), các thiết bò bảo vệ (cầu chì, aptômát ..)
2. C¸c hiƯn t­ỵng ®iƯn tõ .

Khoa §iƯn - §iƯn Tư

3

C§ NghỊ Nam §Þnh


Giáo trình Kỹ thuật điện

Nguyễn Thành Nam

a) Hiện tượng biến đổi năng lượng.
* Biến đổi cơ năng thành điện:
Cho một dây dẫn thẳng dài l, chuyển động với tốc độ là v trong mặt phẳng
vuông góc với các đường sức của một từ trường đều. Trong dây dẫn có sđđ cảm ứng
E = B.v.l, chiều xác định theo quy tắc bàn tay phải. Nối dây dẫn với một mạch ngoài
có điện trở r, trong mạch có dòng điện là I. Dòng điện này đi trong dây dẫn, làm
xuất hiện lực điện từ F có trị số: F = B.I.l, chiều xác định theo quy tắc bàn tay trái.

F
I

r

Ta thấy lực F ngược chiều với chiều chuyển động, nên có tác dụng hãm chuyển
động của dây dẫn. Để dây dẫn tiếp tục chuyển động đều, ta phải tác dụng vào dây
dẫn một lực bằng và ngược chiều với lực F, nhờ một động cơ sơ cấp. Công suất cơ
động cơ sơ cấp truyền cho dây dẫn là:
Pcơ = F.v = BI.l.v = Bvl. I = E.I = Pđiện
Như vậy, dây dẫn chuyển động trong từ trường đã có tác dụng biến công suất cơ

của động cơ sơ cấp thành công suất điện cung cấp cho phụ tải. Đó là nguyên tắc mới
của máy phát điện.
* Biến đổi điện năng thành cơ năng:

rF

EF

I
E

Giả sử có dây dẫn đặt trong từ trường đều, cường độ từ cảm là B. Nối dây dẫn
với một nguồn ngoài có s đ đ là Ef điện trở nguồn là rf . Trong dây dẫn có dòng điện
Khoa Điện - Điện Tử

4

CĐ Nghề Nam Định


Giáo trình Kỹ thuật điện

Nguyễn Thành Nam

là I, làm xuất hiện lực điện từ tác dụng lên dây dẫn:
F = B.I.l
Chiều xác định theo quy tắc bàn tay trái.
Giả sử, dưới tác dụng của lực F, dây dẫn chuyển động với tốc độ v theo phương
của lực. Phương này cắt vuông góc với đường sức, nên trong dây dẫn sẽ xuất hiện
sđđ cảm ứng có trị số là:

E = Bvl.
Chiều xác định theo quy tắc bàn tay phải. Ta thấy E có chiều ngược với dòng
điện I (và do đó ngược với chiều s đ đ EF của nguồn) gọi là sức phản điện . Gọi điện
trở của dây dẫn là ro , ta có:
U - E = I.r0 hay U = E + I.r0
Nhân hai vế với dòng điện I ta có:
UI = EI + I2.ro = B.v.l.I + I2.ro = F.v + I2.ro
Hay:
Pđiện = Pcơ + Po
Trong đó: Pđiện = UI là công suất của nguồn cấp cho động cơ.
Pcơ = F.v là công suất cơ của động cơ.
Po = I2.ro là tổn thất trên điện trở trong của động cơ.
Như vậy: dây dẫn mang dòng điện đặt trong từ trường đã nhận công suất điện
của nguồn biến thành công suất cơ. Đó là nguyên lý làm việc của động cơ điện.
b) Hiện tượng tích phóng năng lượng
Quá trình nạp điện và phóng điện của tụ.
* Quá trình nạp điện
+
i
C
U

r
D

Đóng mạch gồm tụ điện C chứa điện tích nối tiếp với điện trở r vào nguồn điện
áp một chiều U. Tụ điện bắt đầu quá trình nạp điện. Điện tích ở 2 cực tăng từ giá trị
Khoa Điện - Điện Tử
CĐ Nghề Nam Định
5

Giáo trình Kỹ thuật điện

Nguyễn Thành Nam

không trở lên. Giả sử trong thời gian vô cùng nhỏ dt, điện tích tăng được một lượng
là dq, thì dòng điện trong mạch (dòng điện nạp) có trị số là:

i

dq
dt

Điện tích nạp vào tụ, nên ở 2 bản cực của tụ có trị số điện áp là UC = q.C, ở đây
q là điện tích trên cực tụ tại thời điểm xét. Từ đó:
q = C.UC
Thay vào biểu thức dòng điện:

i C

dUC
dt

Nghĩa là: dòng điện nạp của tụ điện tỉ lệ với tốc độ biến thiên điện áp trên tụ.
U = i.r + UC
Thay vào ta có:
U - UC = r . C

dUC

dU
= C
dt
dt

Trong đó: ( tô) = r.C là hằng số thời gian của mạch.
Tại thời điểm đầu t = 0, UC = 0, nên U - UC = U nên tốc độ tăng điện áp là lớn
nhất. Dòng điện nạp có trị số lớn nhất. Khi UC đã tăng lên, hiệu U - UC giảm, nên
tốc độ tăng điện áp UC giảm dần, dòng điện nạp cũng giảm dần.
Như vậy: trong quá trình tụ điện nạp điện, dòng điện nạp giảm dần từ cực đại
về không, còn điện áp trên tụ tăng dần từ không lên giá trị ổn định là U.
Điện áp trên điện trở:
Ur = i.r = U - UC
Dòng điện trong mạch:

i

Ur
r

Điện áp trên tụ không tăng tức thời tới giá trị điện áp nguồn, mà phải trải qua
một quá trình quá độ. Về lý thuyết quá trình kéo dài vô tận. Trên thực tế, khi t =5
thì UC = 0,99U, và có thể coi quá trình quá độ đã kết thúc.

* Quá trình phóng điện:
Khoa Điện - Điện Tử

6

CĐ Nghề Nam Định

Gi¸o tr×nh Kü tht ®iƯn

Ngun Thµnh Nam
100%

+
i

i,UC

80
+
-

+
-C

60

U

40

r

20

D

-

t
0
S¬ ®å m¹ch

 2  3  4
§å thÞ dßng ®iƯn phãng

Tơ ®iƯn ®ang n¹p ®Çy, ®iƯn ¸p trªn tơ lµ U. KhÐp kÝn m¹ch qua ®iƯn trë r, ®iƯn tÝch trªn c¸c
cùc sÏ phãng qua m¹ch, t¹o thµnh dßng ®iƯn phãng i.
Gi¶ sư trong thêi gian dt, ®iƯn tÝch trªn cùc tơ gi¶m 1 l­ỵng lµ dq, dßng ®iƯn phãng sÏ lµ:

i 

dq
dt

DÊu ©m biĨu thÞ cho ®iƯn tÝch gi¶m trong qu¸ tr×nh phãng. BiÕt q = c.UC , trong ®ã UC lµ
®iƯn ¸p trªn 2 cùc ë thêi ®iĨm xÐt. Tõ ®ã;
dU C
i  C
dt
Nh­ vËy: dßng ®iƯn phãng ®iƯn cđa tơ tû lƯ víi tèc ®é biÕn thiªn ®iƯn ¸p trªn tơ, nh­ng tr¸i
dÊu. Ta thÊy dßng ®iƯn phãng ng­ỵc chiỊu víi dßng ®iƯn n¹p .
BiÕt ®iƯn ¸p trªn tơ ®iƯn còng lµ ®iƯn ¸p gi¸ng trªn ®iƯn trë: UC = i.r. Ta cã:
UC = i.r = - rc

dU

dUC
 C
dt
dt

DÊu ©m thĨ hiƯn lµ ®iƯn ¸p UC gi¶m dÇn trong qu¸ tr×nh phãng. Nh­ vËy, tèc ®é
gi¶m ®iƯn ¸p trªn tơ tû lƯ víi ®iƯn ¸p trªn tơ. T¹i thêi ®iĨm ®Çu khi míi phãng ®iƯn, ®iƯn
¸p UC cã gi¸ trÞ lín nhÊt UC = U, nªn ®iƯn ¸p gi¶m nhanh nhÊt, dßng ®iƯn phãng cã
gi¸ trÞ lín nhÊt. Khi ®iƯn ¸p UC gi¶m dÇn, tèc ®é gi¶m sÏ chËm l¹i, trÞ sè dßng ®iƯn
phãng còng gi¶m theo. (H×nh vÏ). Khi tơ ®iƯn phãng ®iƯn, ®iƯn ¸p trªn tơ còng nh­ dßng ®iƯn
phãng gi¶m dÇn tõ trÞ sè lín nhÊt vỊ kh«ng.

3. M« h×nh m¹ch
Để tiện lợi khi tính toán thiết kế và khảo sát các quá trình điện từ xảy ra
trong mạc h điện ngườ i ta sử dụng phương pháp mô hình. Mạc h điện thực tế
Khoa §iƯn - §iƯn Tư
C§ NghỊ Nam §Þnh
7


Gi¸o tr×nh Kü tht ®iƯn

Ngun Thµnh Nam

với các thiết bò điện được thay thế bằng mô hình mạch với các phần tử lý
tưởng đặc trưng cho một quá trình nào đó. Mô hình mạch chứa các phần tử tích
cực (active): nguồn áp u(t), nguồn dòng i(t) và các phần tử thụ động (passive):
điện trở R, điện cảm L và điện dung C.
Mô hình mạch là sơ đồ thay thế tương đương các phần tử mạch bằng các
phần tử mô hình lý tưởng e, i, R, L, C sao cho kết cấu hình học và các quá trình

năng lượng xảy ra trong mạch giống như ở mạch điện thực.
Để thiết lập mô hình mạch ta phân tích các quá trình năng lượng xảy ra
trong từng phần tử mạch và thay thế chúng bằng các phần tử tương đương.
Khi phân tích cần chú ý rằng, tùy thuộc vào điều kiện làm việc củ a mạch
điện , đặc biệt là dải tần công tác mà sơ đồ thay thế sẽ khác nhau.
VÝ dơ: Ta hãy xét một mạch điện thực tế gồm một máy phát cung cấp điện
cho phụ tải là một bóng đèn mắc song song với một cuộn dây theo sơ đồ (hình
Khi chuyển sang sơ đồ thay thế đối với dòng điện xoay chiều, máy phát điện
được thay thế bằng (Ef ,Lf ,Rf). Phụ tải là bóng đèn thay thế bằng Rz, còn cuộn
dây bằng (L , R), D©y dÉn thay thÕ b»ng( Rd, Ld) (hình b). Tuy nhiên khi chuyển
sang sơ đồ thay thế đối với điện mộ t chiều, do các phần tử kháng bằng không
nên sơ đồ thay thế có dạng đơn giản hơn (hình c).

Khoa §iƯn - §iƯn Tư

8

C§ NghỊ Nam §Þnh


Gi¸o tr×nh Kü tht ®iƯn

Ngun Thµnh Nam

a. §iƯn trë.
Điện trở R đặc trưng cho vật dẫn về mặt cản trở dòng điện. Về mặt năng lượng
điện trở R đặc trưng cho quá trình tiêu thụ điện năng và biến điện năng thành
các dạng năng lượng khác như nhiệt năng, quang năng, cơ năng, …
Hình dáng và ký hiệu : Trong thiết bị điện tử điện trở là một linh kiện quan
trọng, chúng được làm từ hợp chất cacbon và kim loại tuỳ theo tỷ lệ pha trộn

mà người ta tạo ra được các loại điện trở có trị số khác nhau.

Hình dạng của điện trở trong thiết bị điện tử.

Ký hiệu của điện trở trên các sơ đồ ngun lý.
Quan hệ giữa dòng điện và điện áp trên điện trở là:
uR = R.i

Công suất thoát ra trên điện trở:
p = R.i2
Trong hệ đơn vò SI đơn vò điện trở là ôm (. )

b. §iƯn c¶m L

Khoa §iƯn - §iƯn Tư

9

C§ NghỊ Nam §Þnh


Gi¸o tr×nh Kü tht ®iƯn

Ngun Thµnh Nam

Cấu tạo của cuộn cảm.
Cuộn cảm gồm một số vòng dây quấn lại thành nhiều vòng, dây quấn được sơn
emay cách điện, lõi cuộn dây có thể là khơng khí, hoặc là vật liệu dẫn từ như
Ferrite hay lõi thép kỹ thuật .

Cuộn dây lõi khơng khí

Cuộn dây lõi Ferit

Ký hiệu cuộn dây trên sơ đồ : L1 là cuộn dây lõi
khơng khí, L2 là cuộn dây lõi ferit, L3 là cuộn
dây có lõi chỉnh, L4 là cuộn dây lõi thép kỹ thuật
Mét cn d©y cã dßng ®iƯn ch¹y qua sÏ sinh ra tõ tr­êng. Tõ th«ng gưi qua n
vßng cđa cn d©y ψ = n.Φ. §iƯn c¶m cđa cn d©y ®­ỵc ®Þnh nghÜa lµ:

Khi dòng điện biến thiên trong cuộn dây xuất hiện một sức điện động tự
cảm eL
Khoa §iƯn - §iƯn Tư
C§ NghỊ Nam §Þnh
10


Gi¸o tr×nh Kü tht ®iƯn

Ngun Thµnh Nam

Quan hệ giữa dòng ®iƯn vµ ®iƯn áp trên cuộn cảm:

C«ng st trªn cn d©y:

N¨ng l­ỵng tõ tr­êng tÝch lòy trong cn d©y

Trong hƯ ®¬n vÞ SI: ®¬n vÞ ®iƯn c¶m lµ henry (H)
c. §iƯn dung C
Cấu tạo của tụ điện .

Cấu tạo của tụ điện gồm hai bản cực đặt song song, ở giữa có một lớp cách điện
gọi là điện mơi.
Người ta thường dùng giấy, gốm , mica, giấy tẩm hố chất làm chất điện mơi
và tụ điện cũng được phân loại theo tên gọi của các chất điện mơi này như Tụ
giấy, Tụ gốm, Tụ hố.

Khoa §iƯn - §iƯn Tư

11

C§ NghỊ Nam §Þnh


Giáo trình Kỹ thuật điện

Nguyễn Thành Nam
Cu to t gm

Cu to t hoỏ

Hỡnh dỏng thc t ca t in.

Hỡnh dng ca t gm.

Khoa Điện - Điện Tử

12

CĐ Nghề Nam Định

Gi¸o tr×nh Kü tht ®iƯn

Ngun Thµnh Nam
Hình dạng của tụ hố

Khi nèi hai ®Çu cđa mét tơ ®iƯn cã ®iƯn dung C vµo ngn ®iƯn ¸p u, tơ ®iƯn sÏ
®­ỵc tÝch ®iƯn. §é lín cđa ®iƯn tÝch q :
q = Cu

Quan hƯ gi÷a dßng ®iƯn vµ ®iƯn ¸p trªn tơ ®iƯn lµ:

N¨ng l­ỵng tÝch lòy trªn tơ ®iƯn:

Trong hƯ ®¬n vÞ SI: ®¬n vÞ ®iƯn dung lµ Fara (F)
d. PhÇn tư ngn
* Ngn ®iƯn ¸p
Nguồn áp u(t) hay máy phát điện áp cò n được gọi là nguồ n sức điệ n
động e(t) đặc trưng cho khả năng tạo nê n và duy trì mộ t điệ n áp không đổi
trên hai cực của nguồn.
Đặc tính quan trọng của nguồ n áp là có điệ n trở nộ i r = 0, hiệu điện thế
trên hai cực của nguồn là không đổi và không phụ thuộc vào giá trò của phụ tải.
Ký hiệu quy ước của nguồn áp như hình a. Ta có giá trò của nguồn áp:
u(t) = - e(t)
* Ngn dßng ®iƯn i(t).
Nguồn dòng điện i(t) hay máy phát dòng đặc trưng cho khả năng tạo nên
Khoa §iƯn - §iƯn Tư

13

C§ NghỊ Nam §Þnh


Gi¸o tr×nh Kü tht ®iƯn

Ngun Thµnh Nam

và duy trì một dòn g điện khôn g đổi trong mạch. Đặc tính quan trọng của
nguồn dòng là có nội trở r = và giá trò của dòng điện trong mạch không phụ
thuộc vào phụ tải. Ký hiệu quy ước của nguồn dòng chỉ ra trên hình b.
Trong thực tế, các bộ nguồn đều có một điện trở nội hữu hạn nào đó. Do
vậy, khi thay thế trong mô hình mạch chún g đượ c biể u diễn ở dạng một
nguồn sức điện động e(t) mắc nối tiếp với một một điện trở r (hình c), hoặc ở
dạng một nguồn dòng điện i (t) mắc song song với một điện trở r (hình d).

Bµi 1.2. c¸c kh¸i niƯm c¬ b¶n trong m¹ch ®iƯn
1. Dßng ®iƯn vµ chiỊu qui ­íc cđa dßng ®iƯn.
Dßng ®iƯn : §Ỉt vËt dÉn trong ®iƯn tr­êng, d­íi t¸c dơng cđa lùc ®iƯn tr­êng,
c¸c ®iƯn tÝch d­¬ng sÏ di chun tõ n¬i cã ®iƯn thÕ cao ®Õn n¬i cã ®iƯn thÕ thÊp h¬n,
cßn c¸c ®iƯn tÝch ©m di chun ng­ỵc l¹i, tõ n¬i cã ®iƯn thÕ thÊp ®Õn n¬i cã ®iƯn thÕ
cao h¬n, t¹o thµnh dßng ®iƯn.
VËy: Dßng ®iƯn lµ dßng c¸c ®iƯn tÝch chun dêi cã h­íng d­íi t¸c dơng cđa
lùc ®iƯn tr­êng
ChiỊu dßng ®iƯn : Ng­êi ta quy ­íc chiỊu dßng ®iƯn lµ chiỊu di chun cđa c¸c
®iƯn tÝch d­¬ng, tøc lµ h­íng tõ n¬i cã ®iƯn thÕ cao ®Õn n¬i cã ®iƯn thÕ thÊp h¬n.
§ã còng lµ chiỊu cđa ®iƯn tr­êng. Nh­ vËy trong vËt dÉn, dßng ®iƯn sÏ ®i tõ n¬i
cã ®iƯn thÕ cao ®Õn n¬i cã ®iƯn thÕ thÊp. Ng­ỵc l¹i, trong ngn ®iƯn, dßng ®iƯn ®i
tõ cùc cã ®iƯn thÕ thÊp ®Õn cùc cã ®iƯn thÕ cao h¬n.
Khoa §iƯn - §iƯn Tư
C§ NghỊ Nam §Þnh

14


Giáo trình Kỹ thuật điện

Nguyễn Thành Nam

2. Cường độ dòng điện
Để xác định độ lớn của dòng điện, người ta dùng đại lượng gọi là cường độ
dòng điện, được định nghĩa như sau:
Định nghĩa: Cường độ dòng điện là lượng điện tích qua tiết diện của dây dẫn
trong một đơn vị thời gian (tính bằng giây).
Nếu trong thời gian t, lượng điện tích qua tiết diện dây dẫn q, thì cường độ dòng
điện xác định bằng biểu thức:

i

q
t

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 điện tích dq qua tiết
diện dây thì cường độ dòng điện sẽ là:

i

dq
dt

Trong hệ đo lường SI đơn vị điện tích là Cu lông, thời gian là giây, thì đơn vị
dòng điện là Am pe ( kí hiệu là A )
Bội số của Am pe là ki lô ampe (kA), ước số là mili ampe (mA), và micro ampe
(A)
1 kA = 1000 A; 1 mA = 0,001 A; 1A = 0,000 001 A
Ví dụ: Tụ điện tích điện đến trị số q = 5. 10- 6 C, rồi phóng trong thời gian 0.001 s.
Tính cường độ dòng điện trung bình trong thời gian phóng.
Giải: áp dụng công thức:

q
5 . 10 6
i

5 . 10
t
10 3

3

A

3. Mật độ dòng điện
Cường độ dòng điện qua một đơn vị diện tích tiết diện được gọi là mật độ dòng
điện, kí hiệu là ( đen ta)



i
s

S là diện tích tiết diện dây.
Đơn vị mật độ dòng điện trong hệ SI là: A/mm2 hoặc A/cm2
Cường độ dòng điện dọc theo một đoạn dây dẫn là như nhau ở mọi tiết diện nên
Khoa Điện - Điện Tử
CĐ Nghề Nam Định
15


Giáo trình Kỹ thuật điện

Nguyễn Thành Nam

chỗ nào tiết diện nhỏ thì mật độ dòng điện sẽ lớn, và ngược lại.

Bài 1.3: Các định luật và biểu thức cơ bản
trong mạch một chiều
1. Định luật Ôm.
a) định luật Ôm cho một đoạn mạch.
Nếu 2 đầu vật dẫn có một hiệu điện thế thì có dòng điện chạy qua vật dẫn.
Cường độ dòng điện I trong vật dẫn phụ thuộc vào hiệu điện thế U ở hai đầu của
nó. Đối với mỗi vật dẫn, người ta phát hiện thấy có một sự phụ thuộc hàm số xác
định( gọi là đặc trưng vôn- am pe)
Giữa I và U . Giooc Ôm , người Đức là người đầu tiên thiết lập được bằng thực
nghiệm mối liên hệ giữa I và U đối với vật dẫn đồng chất bằng kim loại, có dạng
đơn giản
I = kU
Trong đó k là hệ số tỉ lệ và là một đại lượng không đổi đối với đoạn mạch
chứa vật dẫn đã cho ( k được gọi là độ dẫn điện )
Làm thí nghiệm với dung dịch điện phân

I

( với cực dương tan ) ta cũng thu được kết quả
tương tự . Đó là định luật Ôm cho một đoạn mạch

I = k.U

phát biểu như sau:
U

Cường độ dòng điện trong một đoạn mạch tỉ lệ 0
thuận với hiệu điện thế giữa hai đầu đoạn mạch đó

Đại lượng nghịch đảo của k đặc trưng cho vật dẫn về tính cản trở dòng điện
được gọi là điện trở R của vật dẫn.

1
k
Do đó công thức của định luật Ôm được viết như sau
U
I
R
R

Vậy: Cường độ dòng điện trong một đoạn mạch tỉ lệ thuận với điện áp U và
tỉ lệ nghịch với điện trở của đoạn mạch.
Khoa Điện - Điện Tử

16

CĐ Nghề Nam Định


Giáo trình Kỹ thuật điện

Nguyễn Thành Nam

* Điện trở, đơn vị điện trở.
Dòng điện tử di chuyển trong vật dẫn sẽ va chạm với các nút mạng tinh thể
mất bớt động năng do diện trường cung cấp, và do đó sẽ giảm tốc độ di chuyển,
kết quả là dòng điện sẽ nhỏ. Như vậy dòng điện sẽ gặp một sức cản trở, gọi là
điện trở của vật dẫn. Với cùng một cường độ điện trường nếu điện trở vật dãn
càng lớn thì dòng điện càng nhỏ. Tức dòng điện tỉ lệ nghịch với điện trở vật dẫn.
R=

U
I

Điện trở vật dẫn đặc trưng cho tính chất điện của nó. Vì vậy thông thường
đáng lẽ nói vật dẫn có điện trở R ta có thể nói gọn điện trở R. Trong các
mạch điện người ta cũng hay dùng các biến trở, là những dụng cụ có điện trở
thay đổi được.
Trong công thức trên nếu U = 1V, I = 1 A thì R bằng một đơn vị điện trở.
Trong hệ SI, đơn vị điện trở là Ôm kí hiệu là
1 ôm () =

1von (V )
1ampe ( A)

Kilôôm (K) = 1000

Mêgaôm (M) = 1.000.000
1
Miliôm ( m) = 10-3 =

1.000
1
Micrôôm ( ) = 10-6 =

1.000.000
Bài tập ví dụ 1
Một bóng đèn có điện trở 20 đặt vào điện áp U = 6 V, tính dòng điện qua
bóng đèn.
Giải:
Dòng điện qua bóng đèn.
6
U
I=
=
= 0,3 A.
20
R
Bài tập ví dụ 2
Để xác định điện trở của cuộn dây, người ta đặt nó vào điện áp 120 V, thấy
dòng điện qua là 2,5 A. tính điện trở.
Giải: Điện trở cuộn dây:
Khoa Điện - Điện Tử

R=

U 120

48()
I 2,5
17

CĐ Nghề Nam Định


Giáo trình Kỹ thuật điện

Nguyễn Thành Nam

b) Định luật Ôm cho toàn mạch.
rd
D

I

A

Ud
U

E

R
ro

U0
C

B

Giả sử có mạch điện với nguồn điện có sức điện động E, nội trở ro
Cung cấp cho phụ tải R qua đường dây có điện trở rd , dòng diện trong mạch
là I, áp dụng định luật Ôm cho từng đoạn mạch ta có :
- Điện áp đặt trên tải:

U= I. R

- Sụt áp trên đường dây : Ud = I. rd
- Sụt áp trên điện trở trong của nguồn : U0 = I. ro .
Muốn duy trì dòng điện I thì sđđ của nguồn phải cân bằng với các sụt áp
trong mạch.
E= U + Ud + U0 = I ( R + rd + r0 ) = I.R
Trong đó: R = R + rd + r0
Vậy: Dòng điện trong mạch tỉ lệ thuận với sđđ của nguồn và tỉ lệ nghịch với
điện trở toàn mạch.
I

E
R

Bài tập ví dụ:
Cho mạch điện như hình vẽ trên, với E=231 V, r0 =0,1 ,

rd = 1 ,

R=

2,
Hãy xác định dòng điện trong mạch, điện áp đặt vào phụ tải, sụt áp trên đường
dây, sụt áp trong nguồn.
Bài giải :
Dòng điện trong mạch:

I
Khoa Điện - Điện Tử

E
231

10( A)
R rd r0 22 1 0,1
18

CĐ Nghề Nam Định


Giáo trình Kỹ thuật điện

Nguyễn Thành Nam

Điện áp đặt vào tải
U= I . R = 10 . 22 = 220 V
Sụt áp trên đường dây
Ud = I . rd = 10.1 = 10 V
Sụt áp trong nguồn
U0 = I . r0 = 10 . 0,1 = 1 V
2. Công suất và điện năng trong mạch một chiều

a) Công của dòng điện.
Trong mạch điện kín bao giờ cũng có 2 quá trình chuyển hoá năng lượng
khác nhau: tại nguồn điện các dạng năng lượng khác như hoá, cơ, nhiệt, quang,
được biến đổi thành điện năng, còn ở ngoài nguồn điện, điện năng lại được biến
đổi thành các dạng năng lượng khác như nhiệt, cơ, hoá, quang, Số đo năng lượng
chuyển hoá ấy biểu thị công của dòng điện .
Công của dòng điện là công của lực điện chuyển dịch các điện tích trong
mạch điện.
Giả sử trên một đoạn mạch có điện áp U, dòng điện là I, trong thời gian t,
lượng điện tích chuyển qua mạch điện là :
q = I.t
Từ định nghĩa về điện áp ta có :
A = q . U =U.I.t
Trong hệ đo lường SI thì công A tính ra jun ( J )
Vậy : Công của dòng điện sản ra trên 1 đoạn mạch tỉ lệ với điện áp hai đầu
đoạn mạch, với dòng điện qua mạch và thời gian duy trì dòng điện
b) Công suất của dòng điện
Công suất là công trong một đơn vị thời gian .
kí hiệu là P
P

A U.I.t

U.I
t
t

Trong đó: Điện áp U tính bằng (V), Dòng điện I tính bằng (A)
Đơn vị công suất tính bằng oát, kí hiệu là W
Khoa Điện - Điện Tử

19

CĐ Nghề Nam Định


Giáo trình Kỹ thuật điện

Nguyễn Thành Nam

1kW = 1000 W
1MW = 1.000.000 W
Từ công thức trên ta có công thức tính công theo công suất
A = P.t
Trong ngành điện ta thường dùng đơn vị là oát- giờ ( Wh ), hay kilôoát- giờ
( kWh )
Oát giờ là công của dòng điện sản ra trên một đoạn mạch có công suất là 1
oát trong thời gian là 1 giờ
Quan hệ giữa các đơn vị công như sau:
1Wh = 1W . 3600s = 3600 Ws = 3600 J
c) Quan hệ giữa công, công suất, và điện trở trong một đoạn mạch
Xét một đoạn mạch, có điện trở r điện áp U và dòng điện I, ba đại lượng này
quan hệ với nhau bằng định luật Ôm. Công suất của dòng điện trên đoạn mạch
là:
U U2
P U.I U.
I 2 .r
r
r
Ta có biểu thức tính điện năng.

U2
2
A = P.t = I .r.t =
.t
r

Bài tập ví dụ1:
Một bóng đèn có điện áp định mức 220 V, công suất định mức 100 W
a, Tính điện trở bóng đèn ( ở trạng thái làm việc).
b, Nếu bóng đó đặt vào điện áp U =110 V thì công suất tiêu thụ là bao
nhiêu( giả thiết điện trở bóng là không đổi )
Bài giải:
a, Điện trở của đèn ở trạng thái làm việc.
R U

2
dm

Pdm

220 2
484

100

b, Khi đặt vào điện áp U = 110 V ta có
Khoa Điện - Điện Tử

20

CĐ Nghề Nam Định


Giáo trình Kỹ thuật điện

Nguyễn Thành Nam

110 2
P
25(W )
484
d) Công suất của nguồn điện
- Công của nguồn điện là số đo năng lượng chuyển hoá các dạng năng lượng
khác thành điện.
kí hiệu là: Ang
Ang = E.q = E.I.t
Công suất của nguồn :
Pt

E.I
t
Pt = P + Pd + P0 = P

Có
P:

Ang

là công suất tiêu thụ trên tải

Pd: là công suất tổn hao trên đường dây
P0: là công suất tổn thất trong nguồn.
Nghĩa là: trong mạch điện công suất của nguồn phát ra bằng tổng công suất
của dòng điện (công suất tiêu thụ ) trên toàn mạch.
Bài tập ví dụ 2:
Một bộ pin có sđđ E = 6 V, cung cấp cho bóng đèn điện trở 10. Dòng
điện qua mạch là 0,4 A.
Tính công suất tiêu thụ trên điện trở trong của bộ pin, và trị số điện trở đó.
Điện trở dây nối không đáng kể.
Bài giải:
Công suất phát của nguồn:
Pf = E.I = 6.0,4 = 2,4 W.
Công suất tiêu thụ của bóng đèn.
P = I2.r = 0,42. 10 = 1,6 W.
Công suất tiêu thụ trên điện trở trong
P0 = Pf P = 2,4 1,6 = 0,8 W.
Biết P0 = I2 .r0 , từ đó điện trở trong là:
P 0,8
r0 2 2 5()
I 0,4
Bài tập ví dụ 3:
Khoa Điện - Điện Tử

21

CĐ Nghề Nam Định


Giáo trình Kỹ thuật điện

Nguyễn Thành Nam

Bếp điện mắc vào điện áp 120 V có dòng điện 3A qua trong 20 phút. Xác
định công suất, điện năng.
Đáp số: P = 360 W, A = 120 Wh
Bài tập ví dụ 4: Bếp điện mắc vào điện áp 120 V, có dòng điện 3 A qua trong
thời gian 20 phút. Xác định công suất, điện năng và nhiệt lượng.
Đáp số P = 360 W. A = 120 Wh, Q = 104 kCal.
3. Định luật Jun-Lenxơ
a) Sự phát nhiệt của dòng điện , định luật Jun - Lenxơ
Dòng điện tích chuyển động trong vật dẫn làm va chạm với các phân tử vật
dẫn, truyền bớt năng lượng cho các phân tử, làm tăng mức chuyển động nhiệt
trong vật dẫn. Như vậy, dòng điện qua vật dẫn sẽ làm nóng vật dẫn, tức điện
năng đã chuyển hoá thành nhiệt.
Gọi điện trở vật dẫn là r, thì công của dòng điện qua vật dẫn trong thời gian
t là: A= I2.r.t (J). biết 1 J = 0,24 calo, nên nhiệt lượng do công A chuyển hoá là:

Hoặc

Q = 0,24 A = 0.24 I2.r.t ( calo)
U2
t (calo)
Q = 0,24
r

Định luật này do 2 nhà bác học là Jun (người Anh) và Len xơ (người Nga)
tìm ra bằng thực nghiệm, nên gọi là định luật Jun- Len xơ.
Định luật: Nhiệt lượng do dòng điện toả ra trên điện trở tỉ lệ với bình
phương cường độ dòng điện, với trị số điện trở và thời gian dòng điện chạy qua.
ứng dụng : Tác dụng nhiệt của dòng điện được ứng dụng rất rộng rãi để làm

các dụng cụ đốt nóng bằng dòng điện, như đèn điện có sợi nung, bếp điện, bàn là
điện, lò sấy, mỏ hàn điện.
Nguyên tắc cơ bản của các dụng cụ này là dùng một phần tử đốt nóng để
cho dòng điện chạy qua. Nhiệt toả ra ở phần tử đốt nóng sẽ ra nhiệt cho các bộ
phận chính của dụng cụ, hoặc sẽ phát sáng (đèn điện ).
b) Sự đốt nóng dây dẫn
Nhiệt độ làm việc của dây dẫn phụ thuộc vào các yếu tố sau:
- Trị số dòng điện qua dây dẫn, vì nhiệt lượng tỉ lệ với bình phương dòng
điện
- Điện trở của dây dẫn.
Khoa Điện - Điện Tử

22

CĐ Nghề Nam Định


Giáo trình Kỹ thuật điện

Nguyễn Thành Nam

- Đường kính dây dẫn. Nếu đường kính dây dẫn càng lớn thì nhiệt lượng toả
ra môi trường càng dễ và nhiệt độ làm việc càng thấp.
- Nhiệt độ của môi trường, nếu môi trường càng lạnh thì nhiệt độ làm việc
càng thấp
Nếu nhiệt độ làm việc cao quá thì thiết bị sẽ nóng quá mức, cách điện dễ bị
hỏng, bị cháy, cơ tính của dây bị yếu đi, thậm chí dây có thể bị chảy đứt. Do đó
mỗi loại thiết bị điện đều có quy định một nhiệt độ làm việc giới hạn, gọi là
nhiệt độ cho phép . Dòng điện tương ứng với nhiệt độ cho phép gọi là dòng điện
cho phép . Khi làm việc bình thường không được để dòng điện làm việc vượt quá

dòng điện cho phép.
ILV ICP
Trong đó: ILV là dòng điện làm việc
ICP là dòng điện cho phép
đối với thiết bị điện dòng điện cho phép cũng là dòng điện định mức
c) Hiện tượng ngắn mạch, cầu chì
Ngắn mạch là hiện tượng nối tắt 2 điểm của mạch có điện thế khác nhau
bằng một dây dẫn có điện trở không đáng kể . Khi đó dòng điện qua điểm ngắn
mạch sẽ rất lớn, làm nóng quá mức dây dẫn, vượt quá nhiệt độ cho phép , dẫn
đến cháy hỏng dây dẫn và thiết bị
A

I

cc

E

R

IN

ro
B

- Khi chưa xảy ra ngắn mạch thì dòng điện trong mạch là:
I

E
R0 R

- Khi ngắn mạch hai điểm AB, dòng điện trong mạch là
IN =

E
R0

Thường thì R R0 nên IN I.
Để tránh khi có dòng điện vượt quá dòng điện cho phép như khi ngắn mạch,
dễ làm cháy dây dẫn, hỏng thiết bị, người ta phải dùng các thiết bị bảo vệ Thiết
Khoa Điện - Điện Tử

23

CĐ Nghề Nam Định


Giáo trình Kỹ thuật điện

Nguyễn Thành Nam

bị bảo vệ đơn giản nhất và phổ biến nhất là cầu chì, đặt nối tiếp trong mạch điện
cần bảo vệ. Bộ phận chính của cầu chì là dây chảy, làm bằng các chất dễ chảy
đứt như Chì, Kẽm, Nhôm, Đồng. Khi dòng điện qua mạch tăng cao, nhiệt lượng
toả ra ở dây chảy đủ làm chảy đứt nó, làm mạch điện bị ngắt.
Bài tập ví dụ:
ác qui có sđđ 2,2 V, nội trở 0,05 , cung cấp cho phụ tải có r =0,95 , tính
dòng điện qua tải và dòng điện ngắn mạch.
( Đáp số I = 2,2 A, IN = 44 A )

4. các định luật kirchooff
a. các yếu tố kết cấu của mạch điện.
Các yếu tố kết cấu của mạch điện đó là nút và nhánh.
- Nhánh là phần đoạn mạch chỉ có một dòng điện duy nhất chạy qua.
- Nút là điểm gặp nhau của ít nhất 3 nhánh trở lên. Mạch không có điểm nút gọi là
mạch không phân nhánh. Mạch không phân nhánh chỉ tạo thành 1 nhánh duy nhất,
tức là chỉ tạo thành 1 dòng điện duy nhất chạy qua tất cả các phần tử của nó. Ngược
lại mạch có điểm nút gọi là mạch điện phân nhánh.
H

+
-

I

A

B

r4

rd

E

E

r

r0

Mạch điện không phân
nhánh

r1

r3

r2

r5

E1

E2
G

D
C
Mạch điện phân nhánh

F

Trên hình vẽ, các điểm A, B, C, D là các điểm nút. Thực ra, bốn điểm G, D, C, F
chỉ là một điểm nút duy nhất, vì chúng có cùng một điện thế. Cũng vây, các điểm H,
A là một, các điểm B, E là một. Nên mạch điện này có 3 điểm nút là A, B, C (hoặc
A, B, D).
Tợp hợp tất cả các nhánh tạo thành một vòng kín , gọi là một mạch vòng.
Chẳng hạn mạch vòng AHGD, ABCD, HEFG...
Các mạch vòng không chứa nhánh bên trong gọi là mắt lưới hay mắt.
Ví dụ : mắt BEFC, ABCD.

Khoa Điện - Điện Tử

24

CĐ Nghề Nam Định


Giáo trình Kỹ thuật điện

Nguyễn Thành Nam

b. Các định luật Kirchooff.
Định luật Kirchooff 1.
Ta xét một nút của mạch điện. Có 1 số dòng điện đi tới nút và 1 số dòng điện
rời khỏi nút. Trong 1 giây, điện tích di chuyển đến nút phải bằng điện tích rời khỏi
nút. Thực vậy, nếu giả thiết này không thỏa mãn thì điện tích tại nút A sẽ thay
đổi,(tăng hoặc giảm), làm điện thế ở A thay đổi, phá vỡ trạng thái cân bằng của
mạch. Vì thế tổng số học các dòng điện đến nút phải bằng tổng số học các dòng
điện rời khỏi nút. Đó là nội dung của định luật Kirchooff 1

I3
I2
A

I4

I1
I5

Đối với nút A có : I1 + I3 + I5 = I2 + I4

Nếu ta quy định dòng điện hướng tới nút là dương, dòng điện ròi khỏi nút là âm
thì ta có:
I1 + I3 + I5 - I2 - I4 = 0.
Tổng quát ta có định luật Kirchooff 1 phát biểu như sau.
Định luật: Tổng đại số các dòng điện đi đến 1 điểm nút bằng 0
I=0
Định luật Kirchooff 2.
Trong mỗi mạch vòng của mạch điện, nếu ta xuất phát từ một điểm, đi qua tất
cả các phần tử của vòng ( gồm các s đ đ và các sụt áp trên từng đoạn mạch ) rồi trở
lại điểm xuất phát thì ta lại có điện thế ban đầu. Như vậy, ta có nhận xét là tổng các
s đ đ trong mạch vòng sẽ cân bằng với sụt áp trên từng đoạn mạch. Đó là cơ sở của
định luật Kirchooff 2.
Định luật: Đi theo một vòng bất kỳ , tổng đại số các s đ đ bằng tổng đại số các
sụt áp trên các phần tử của vòng.
Khoa Điện - Điện Tử
CĐ Nghề Nam Định
25