Bài giảng học phần Cơ sở vật lý cho tin học - Chương 4: Dòng điện và nguồn điện

Nội dung text: Bài giảng học phần Cơ sở vật lý cho tin học - Chương 4: Dòng điện và nguồn điện

1. Chương 4. Dòng điện và nguồn điện Bài 4.1. Khái niệm về dòng điện và nguồn điện Dòng điện không đổi Dòng điện Dòng điện không đổi Cường độ dòng điện Mật độ dòng điện Xác định bằng Có giá trị bằng - Là dòng Là dòng điện có thương số giữa điện lượng chuyển dịch chuyển chiều và cường độ có hướng điện lượng chuyển qua 1 đơn vị diện không đổi theo qua tiết diện dây tích đặt vuông góc của các điện thời gian. tích. dẫn trong một đơn với chiều dòng - Chiều dòng vị thời gian điện điện được I q J quy ước là I n S chiều chuyển t động của các Dạng vi phân: Dạng vi phân: điện tích dq dI dương. I J I J. dS dt nndS Đơn vị là Ampe (A) Đơn vị là A/m2
2. Chương 4. Dòng điện và nguồn điện Bài 4.1. Khái niệm về dòng điện và nguồn điện Nguồn điện - Điều kiện để có dòng điện chạy trong vật dẫn là phải có một hiệu điện thế đặt vào hai đầu vật dẫn (cần có một điện trường). - Dưới tác dụng của lực điện trường các electron tự do ở vật dẫn chuyển động ngược chiều điện trường, các điện tích dương dịch chuyển cùng chiều điện trường, hình thành dòng điện trong dây dẫn. Dòng điện có chiều từ nơi có điện thế cao sang nơi có điện thế thấp.
3. Chương 4. Dòng điện và nguồn điện Bài 4.1. Khái niệm về dòng điện và nguồn điện Nguồn điện - Tuy nhiên, đầu có điện thế thấp sẽ mất dần electron nên điện tích âm đầu này bị giảm. Ngược lại, đầu có điện thế cao do nhận thêm electron nên điện tích dương của đầu này cũng sẽ giảm. Cực âm Cực dương - Để duy trì dòng điện ta cần có một thiết bị tạo ra hiệu điện thế đó, gọi thiết bị đó là nguồn điện. - Hai thành phần quan trọng của nguồn điện là cực dương (+) và cực âm (-).
4. Chương 4. Dòng điện và nguồn điện Bài 4.1. Khái niệm về dòng điện và nguồn điện Nguồn điện Nguyên tắc tạo ra cực dương và cực âm của nguồn điện - Cần có một lực tách các electron ra khỏi nguyên tử trung hòa, đồng thời lực này chuyển các electron hoặc các ion dương ra khỏi mỗi cực. Cực thừa electron gọi là cực âm, cực còn lại mất electron gọi là cực dương. - Lực này bản chất không phải là lực tĩnh điện mà gọi là lực lạ (vì nếu là lực tĩnh điện thì giữa electron và ion dương là lực hút do đó ko thể tách chúng ra xa nhau ). Lực lạ trong pin, acquy là lực hóa học, còn trong máy phát điện là lực từ
5. Chương 4. Dòng điện và nguồn điện Bài 4.1. Khái niệm về dòng điện và nguồn điện Nguồn điện - Nối hai đầu vật dẫn với hai cực của nguồn điện ta tạo được mạch kín. Dưới tác dụng của lực điện trường các electron tự do ở vật dẫn chuyển động ngược chiều điện trường từ cực âm qua vật dẫn đến cực dương, còn các hạt tải điện dương ngược lại từ cực dương sang cực âm. - Bên trong nguồn điện, dưới tác dụng của lực lạ, các hạt tải điện dương lại dịch chuyển ngược chiều điện trường từ cực âm đến cực dương. - Trong mạch kín hình thành một dòng điện chạy liên tục và được duy trì.
6. Chương 4. Dòng điện và nguồn điện Bài 4.1. Khái niệm về dòng điện và nguồn điện Nguồn điện Pin khô- Leclanché Cực dương: Thanh Cacbon được bao quanh Mangan dioxit (MnO2) Cực âm: Kẽm. Dung dịch điện phân: amoni clorua (NH4Cl) trộn với hồ đặc Do tác dụng hóa học: - Tại cực dương xảy ra phản ứng hóa học (oxi hóa) tạo ra hợp chất giải phóng electron - Tại cực âm xảy ra phản ứng khử để hấp thụ các electron đó. Kết quả electron chạy từ cực dương sang cực âm
7. Chương 4. Dòng điện và nguồn điện Bài 4.1. Khái niệm về dòng điện và nguồn điện Nguồn điện Định nghĩa Các đặc điểm Suất điện động Công suất của nguồn Đặc trưng cho khả Là thiết bị tạo và - Không tạo thêm Công suất của nguồn năng thực hiện công duy trì hiệu điện điện tích mà có điện có trị số bằng thế nhằm duy trì của nguồn điện (công vai trò như một công của nguồn điện dòng điện trong máy bơm điện của lực lạ). thực hiện trong một mạch điện. tích. Sđđ xác định bằng Nguồn điện có đơn vị thời gian - Duy trì và tạo thương số giữa công khả năng thực dòng điện trong A của lực lạ dịch A I t hiện công khi đưa  .I mạch chuyển một điện tích ng các điện tích dương q ngược chiều tt dương chạy - Nguồn điện là điện trường và độ lớn ngược chiều điện nguồn năng của điện tích đó trường hoặc các lượng, có thể điện tích âm chạy chuyển từ dạng A năng lượng khác  cùng chiều điện q trường. sang dạng năng lượng điện.(pin, Đơn vị là Vôn (V) 1V=1 J/C  acquy )
8. Chương 4. Dòng điện và nguồn điện Bài 4.1. Khái niệm về dòng điện và nguồn điện Nguồn điện Các cách ghép nhiều nguồn thành bộ nguồn b 1 2 3 n rb r1 r2 r3 rn b  r r b n b m mr r b n
9. Chương 4. Dòng điện và nguồn điện Bài 4.2. Định luật Ohm Định luật Ohm cho đoạn mạch chỉ có điện trở Liên hệ giữa I và U: IU .  gọi là độ dẫn điện Độ dẫn điện là đại lượng đặc trưng cho khả năng di chuyển của các hạt điện tích qua một môi trường vật chất khi có lực tác động vào các hạt điện tích. Điện trở suất là đại lượng đặc trưng cho sự cản trở chuyển động có hướng của các hạt điện tích trong mỗi chất 0 0 1 (t t ) 0 o 0 là điện trở suất ở t = 20 C, là hệ số nhiệt điện trở của chất Điện trở là đại lượng đặc trưng cho khả năng ngăn cản dòng điện trong mạch và tỷ lệ nghịch với độ dẫn điện, tỷ lệ thuận với điện trở suất 1 U R Suy ra I  R 0 0 R R0 1 (t t ) R0 là điện trở của dây dẫn ở nhiệt độ t0 = 20 C. l R l là chiều dài dây dẫn, S là tiết diện dây dẫn S
10. Chương 4. Dòng điện và nguồn điện Bài 4.2. Định luật Ohm Định luật Ohm cho đoạn mạch chỉ có điện trở Cách ghép điện trở
11. Chương 4. Dòng điện và nguồn điện Bài 4.2. Định luật Ohm 4.2.1. Định luật Ohm tổng quát cho mạch kín ,r  A q It  A Q  I(R r) 2 2  Q RI t rI t  Suy ra I R Rr Cường độ dòng điện chạy trong mạch điện kín tỉ lệ thuận với suất điện động của nguồn điện và tỉ lệ nghịch với điện trở toàn phần của mạch đó. Gọi U= R U  Ir A U r Hiệu suất của nguồn H coich 1 I A  
12. Chương 4. Dòng điện và nguồn điện Bài 4.2. Định luật Ohm 4.2.1.Định luật Ohm tổng quát cho đoạn mạch có nguồn điện ,r R A  B U AB  I(R r) A B  ,r R Lưu ý: - Đi từ A đến B gặp cực dương của nguồn thì lấy dấu + - Đi từ A đến B gặp cực âm của nguồn thì lấy dấu – - Đi từ A đến B cùng chiều dòng điện thì lấy + - Đi từ A đến B ngược chiều dòng điện thì lấy - Nếu dòng điện đi vào cực âm của nguồn thì ta nói đây là nguồn phát điện. Ngược lại thì ta nói là nguồn thu điện. * Nếu chưa biết chiều dòng điện chạy qua đoạn mạch thì ta giả thiết chiều dòng điện chạy từ A đến B. Sau khi áp dụng định luật Ohm, ta tính được kết quả tìm được dòng điện có giá trị dương thì chiều dòng điện giả thiết là đúng với chiều dòng điện chạy trong đoạn mạch; nếu dòng điện có giá trị âm thì chiều dòng điện chạy qua đoạn mạch ngược chiều với chiều đã giả thiết.
13. Chương 4. Dòng điện và nguồn điện Bài 4.2. Định luật Ohm 4.2.1. Định luật Ohm tổng quát cho mạch kín Ví dụ minh họa Cho mạch điện như hình vẽ : trong đó 1 = 6V; r1=1Ω; r2=3Ω; R1=R2=R3=6Ω. Vôn kế V (điện trở rất lớn) chỉ 3V. Tính suất điện động 2. E1,r1 E2,r2 D I 1,r1 2,r2 Giải V R (R R ) R3 R 2 1 3 4 R1 R R R A I1 B 2 1 3 C I1 R2 1 I U AB I1(R1 R2 ) I2 R2 ; I I1 I2 I1 I2 I2 R1 R3 2 3 R2 UCD = UCA + UAD = -R1I1+  1 – r1I = 6 -3I H.1 UCD 3V 6 3I 3 I 1A; I 3A - Với I= 1A: 1 + 2 = ( R + r1 +r2 )I = 8 => 2 = 2V - Với I = 3A: 1 + 2 =8 *3 = 24 => 2 = 18V
14. Chương 4. Dòng điện và nguồn điện Bài 2. Định luật Ohm 4.2.2. Định luật Ohm dạng vi phân
15. Chương 4. Dòng điện và nguồn điện Bài 4.3. Dòng điện trong các vật liệu điện 4.3.1.Dòng điện trong kim loại Dòng điện trong kim loại là dòng dịch chuyển có hướng của các electron tự do dưới tác dụng của lực điện trường
16. Chương 4. Dòng điện và nguồn điện Bài 4.3. Dòng điện trong các vật liệu điện 4.3.2. Dòng điện trong chất bán dẫn Dòng điện trong chất bán dẫn là dòng dịch chuyển của các electron và các lỗ trống dưới tác dụng của lực điện trường
17. Chương 4. Dòng điện và nguồn điện Bài 4.4. Định luật Kirchhoff 4.4.1. Định luật Kirschoff 2 về điện thế (Kirchhoff's Voltage Law, KVL) Còn gọi là hệ quả của nguyên lý bảo toàn năng lượng: Công của lực điện dịch chuyển 1 đơn vị điện tích dương (1C) theo một đường cong kín bằng không. Phát biểu: Đi theo một vòng mạch kín (mắt mạch) với chiều f tùy ý, tổng đại số các suất điện động và tổng đại số các độ giảm điện thế luôn bằng 0.  IRkk 0 Quy ước: Chọn 1 chiều đi của vòng mạch (chiều f), dòng điện nào có cùng chiều đi với chiều đi của vòng sẽ mang dấu (+) và ngược lại sẽ mang dấu (-). Sđđ mang dấu (+) nếu chiều từ cực dương sang cực âm trùng với chiều f và ngược lại sẽ mang dấu (-).
18. Chương 4. Dòng điện và nguồn điện Bài 4.4. Định luật Kirchhoff 4.4.2. Định luật Kirschoff 1 về dòng điện cho 1 nút (Kirchhoff's Current Law, KCL) Còn gọi là định luật bảo toàn điện tích viết cho dòng điện không đổi. Lưu ý: Một mạch điện gồm hai hay nhiều phần tử nối với nhau, các phần tử trong mạch tạo thành những nhánh. Giao điểm của hai hay nhiều nhánh được gọi là nút. Phát biểu: Tổng đại số những dòng điện đi qua 1 nút phải bằng 0  Ik 0 Quy ước: Dòng điện đi vào nút có dấu (+) và dòng điện đi ra khỏi nút có dấu (-). Hoặc ta có thể quy ước ngược lại. Tổng các dòng điện đi vào một nút bằng tổng các dòng điện đi ra khỏi nút đó. IIIII1 5 2 3 4 0 IIIII1 5 2 3 4
19. Chương 4. Dòng điện và nguồn điện Bài 4.4. Định luật Kirchhoff Ví dụ áp dụng Cho mạch như hình vẽ. Tìm dòng điện chạy qua mỗi điện trở, biết điện trở trong của mỗi nguồn không đáng kể. - Dòng điện đi qua nhánh ABC là i1 , qua nhánh CA là i2, qua nhánh CDA là i3 . -Áp dụng KCL : Tại nút C thì i1= i2 + (i1-i2). Tại nút A thì i1=i2+i3, do vậy i3=i1-i2 Áp dụng KVL cho vòng kín ABC: 10i1 + 4i2 - 20 = 0 (1) và áp dụng cho vòng kín ACD: – 4i2 + 8i3 -12=0 hay -4i2+8(i1-i2)=12 suy ra: 8i1 – 12i2 - 12 =0 (2) Giải hệ (1) và (2) i1 = 1.895 A i2 = 0.263 A i3 = i1 – i2 = 1.895 – 0.263 = 1.632 A
20. Chương 4. Dòng điện và nguồn điện Bài 4.5. Các loại nguồn điện Các loại nguồn điện
21. Chương 4. Dòng điện và nguồn điện Bài 4.6. Nguồn điện áp và nguồn dòng Định nghĩa Hai thông số đặc trưng cho một nguồn điện là : • Giá trị điện áp giữa hai đầu lúc hở mạch (khi không nối với bất kì một phần tử nào khác từ mạch ngoài đến hai đầu của nó) gọi là điện áp lúc hở mạch của nguồn kí hiệu là  • Giá trị dòng điện của nguồn đưa ra mạch ngoài (lúc mạch ngoài dẫn điện hoàn toàn) gọi là giá trị dòng điện ngắn mạch của nguồn kí hiệu là Im . Gọi U và I là các giá trị điện áp và dòng điện do nguồn cung cấp khi có tải ở mạch ngoài R Trên thực tế, với những tải có giá trị khác nhau, điện áp trên hai đầu nguồn hay dòng điện do nó cung cấp có giá trị khác nhau và phụ thuộc vào tải. Nghĩa là tồn tại điện trở bên trong nguồn gọi là r  Một nguồn điện áp càng gần lí tưởng khi điện trở trong r của nó có giá trị càng nhỏ.Khi đó U   Nếu r → ∞, ta có I → Im nguồn khi đó có dạng là một nguồn dòng điện lí tưởng
22. Chương 4. Dòng điện và nguồn điện Bài 4.6. Nguồn điện áp và nguồn dòng Định nghĩa Một nguồn điện được coi là lý tưởng nếu điện áp hay dòng điện do nó cung cấp cho mạch ngoài không phụ thuộc vào tính chất của mạch ngoài (mạch tải).  Nguồn dòng là nguồn luôn cung cấp ra một dòng điện không đổi không phụ thuộc tải (cho dù tổng trở của tải mạch ngoài thay đổi >> (dòng điện có thể 1 chiều hoặc xoay chiều)  Nguồn áp là nguồn luôn cung cấp ra một điện áp không đổi không phụ thuộc tải. Chiều mũi tên là chiều tăng của điện áp Nguồn dòng và nguồn áp đều là lý tưởng, trong thực tế không có nguồn nào như thế khi mà điện trở trong bằng không (với nguồn áp) và bằng vô cùng (với nguồn dòng) mà người ta chỉ tạo ra các bộ nguồn gần với lý thuyết.
23. Chương 4. Dòng điện và nguồn điện Bài 4.6. Nguồn điện áp và nguồn dòng Ứng dụng - Nguồn dòng tín hiệu khi cần truyền đi xa: để tránh sai số do điện trở đường dây, nhiễu điện áp cảm ứng - Nguồn dòng trong các mạch nạp xả tụ điện, nhằm tuyến tính hóa điện áp nạp và xả. - Nguồn dòng trong các mạch cấp điện cho diode zenner. - Nguồn dòng cho các mạch đo lường kiểu điện trở như RTD,
24. Chương 4. Dòng điện và nguồn điện Bài 4.6. Nguồn điện áp và nguồn dòng Ứng dụng - Đường dây điện thoại kéo đến nhà thuê bao ứng dụng nguồn dòng 20mA. Như ta đã biết đường dây điện thoại ngoài tính năng truyền dẫn tín hiệu thoại, nó còn có chức năng cấp nguồn cho máy điện thoại hoạt động. Khi gác máy-> điện trở tải bằng vô cùng ->dòng bằng 0. Khi nhấc máy, điện trở tải nằm trong phạm vi cho phép dẫn tới dòng qua tải bằng 20mA .Điện thế giữa hai đầu dây thay đổi tùy theo điện trở R của máy điện thoại nhưng dòng qua máy luôn ổn định.
25. Chương 4. Dòng điện và nguồn điện Bài 4.6. Nguồn điện áp và nguồn dòng Ứng dụng -Nguồn dòng thường được ứng dụng trong các thiết bị đo lường. Tùy theo mạch mà bạn có nguồn dòng ổn định trong một khoảng cho phép nào đó. Ví dụ trong ứng dụng mạch đo nhiệt độ dùng sensor PT100. Khi nhiệt độ thay đổi thì điện trở của Sensor sẽ thay đổi. Nếu bạn cung cấp một nguồn dòng cho PT100 thì khi đó dựa vào điện thế 2 đầu Sensor sẽ biết được điện trở từ đó xác định được nhiệt độ là bao nhiêu. Vì I không đổi (nguồn dòng) nên khi đó U tỉ lệ thuận với R. Nếu bạn cung cấp cho Sensor một nguồn dòng là 1mA khi đó U=R/1000 (V) hay U(mV) = R . Vậy ta có thể đo được điện trở.