Chuyên đề Mạch điện một chiều, mạch điện phi tuyến hỗ cảm, tự cảm

 ĐỀ TÀI KHOA HỌC KĨ THUẬT
 CHUYÊN ĐỀ VỀ 
MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU, MẠCH ĐIỆN PHI TUYẾN
 HỖ CẢM, TỰ CẢM
 Lớp 11 Lý
 Giáo viên hướng dẫn: Trương Đình Hùng
 Đồng hới,tháng 4 năm 2017 Phần I: Mở đầu
I. Lí do chọn đề tài:
 Việc học tập môn vật lí muốn đạt kết quả tốt trong quá trình nhận thức 
cần phải biết đối chiếu những khái niệm, định luật, mô hình vật lí – những sản 
phẩm do trí tuệ con người sáng tạo – với thực tiễn khách quan để nắm vững 
được bản chất của chúng; biết chúng được sử dụng để phản ánh, miêu tả, biểu 
đạt đặc tính gì, quan hệ nào của hiện thực khách quan cũng như giới hạn phản 
ánh đến đâu.
Đối với học sinh trung học phổ thông, bài tập vật lí là một phương tiện quan 
trọng giúp học sinh rèn luyện kỹ năng, kỹ xảo vận dụng lí thuyết đó học vào 
thực tiễn. Việc giải bài tập vật lí giúp học sinh ôn tập, cũng cố, đào sâu, mở 
rộng kiến thức, rèn luyện thói quen vận dụng kiến thức khái quát để giải quyết 
các vấn đềcủa thực tiễn. Ngoài ra, nó còn giúp học sinh làm việc độc lập, sáng 
tạo, phát triển khả năng tư duy cũng như tự kiểm tra mức độ nắm kiến thức của 
bản thân.
Tuy nhiên, nhiều học sinh còn gặp nhiều khó khăn trong việc giải bài tập vật lí 
như: Không tìm được hướng giải quyết vấn đề, không vận dụng được lí thuyết 
vào việc giải bài tập, không tổng hợp được kiến thức thuộc nhiều phần của 
chương trình đã học để giải quyết một vấn đề chung,...hay khi giải các bài tập 
thì thường áp dụng một cách máy móc các công thức mà không hiểu rõ nghĩa 
vật lí của chúng.
Ngoài ra, đề tài này có nội dung gần và thiết thực với nội dung kiến tập, thực 
tập cũng như công việc giảng dạy về sau của sinh viên. Do đó, chúng em đã 
chọn đề tài này.
Nếu nghiên cứu đề tài thành công sẽ góp phần giúp việc học tâp môn vật lí của 
học sinh tốt hơn, đồng thời cũng giúp cho việc học tập và việc giảng dạy vềsau 
của sinh viên.
II. Mục đích ngiên cứu:
 Việc nghiên cứu đề tài này nhằm đi sâu vào lí thuyết các bài học từ cơ 
bản đến nâng cao giúp học sinh hiểu được vấn đề trong các bài tập và có kỹ 
năng giải quyết tốt các bài tập, hiểu được ý nghĩa vật lí của từng bài đã giải, rèn 
luyện thói quen làm việc độc lập, sáng tạo, phát triển khả năng tư duy,...giúp các 
em học tập môn Vật lí tốt hơn.
III. Đối tượng nghiên cứu:
 Các bài tập Vật lí Điện học lớp 11 cơ bản và nâng cao PHẦN II: NỘI DUNG.
Mạch điện một chiều, Mạch điện phi tuyến
A:Phương pháp giải bài toán mạch điện 1 chiều
1. Phương pháp kiếp-xốp
a) Định luật kiếc-xốp 1 ( định luật về nút)
 Nội dung:Tổng các dòng điện đi vào một nút bằng tổng các dòng điện đi 
ra khỏi nút đó
Hoặc Tổng đại số các dòng điện tại một nút bằng 0
Quy ước đánh dấu “+” cho những dòng điện tới nút, và “-“ cho những dòng ra 
khỏi nút
b) Định luật kiếc-xốp 2 ( Định luật về mắt mạng)
 Nội dung: Tổng đại số các sụt áp trên phần tử thụ động của một vòng kín 
bằng tổng sức điện động có trong vòng kín đó, hoặc tổng đại số các sụt áp của 
nhánh trong 1 vòng kín bằng 0
c) Áp dụng định luật kiếc-xốp
 Bước 1: Nếu chưa biệt chiều của dòng điện trong một đoạn mạch không 
phân nhánh nào đó, ta giả thiết dòng điện trên nhánh đó chạy theo một chiều 
tùy ý nào đó. Nếu chưa biết các cực của nguồn điện mắc vào đoạn mạch, ta giả 
thiết vị trí các cực đó
 Bước2:Nếu có n ẩn số, cần lập n phương trình trên các định luật kiếc-xốp.
 Với mạch có m nút mạng, ta áp dụng định luật Kiếc-xốp 1 để lập m -1 
phương trình độc lập. Và lập n – m+1 phương trình còn lại bằng cách áp dụng 
định luật 2.
 Bước 3: Giải hệ các phương trình. B. Mạch điện phi tuyến
I. MẠCH PHI TUYẾN
1. Nhắc lại về mạch tuyến tính
Lưu ý: khái niệm mạch điện dùng trong chuyên đề này nếu không nói gì thêm 
thì ta hiểu là mạch điện có dòng điện một chiều và ta không xét đến mạch điện 
có dòng điện xoay chiều. Mạch tuyến tính 
Trước khi đến với khái niệm mạch phi tuyến, ta nắm khái niệm mạch tuyến tính. 
Mạch tuyến tính là mạch điện chỉ chứa các phần tử tuyến tính. Phần tử tuyến 
tính là các phần tử như các điện trở R,( có thể là cuộn dây L hay tụ điện C trong 
mạch xoay chiều) có trị số không đổi theo thời gian, hay đối với điện trở thì 
quan hệ giữa hiệu điện thế U giữa 2 đầu điện trở và I chạy qua điện trở thoả 
mãn định luật Ohm tức là 
 U
 I 
 R
Vì sao lại gọi các phần tử trên là tuyến tính? Bởi vì các phần tử trên có đặc 
tuyến vôn – ampe U(I) hay I(U) là một đường thẳng hay quan hệ giữa U và I 
của các phần tử trên là tuyến tinh nên chúng cho tên gọi là phần tử tuyến tính. 
Trường hợp của cuộn dây có độ tự cảm L không đổi hay tụ điện có điện dung C 
không đổi thì đặc tuyến vôn – ampe của chúng là đường thẳng khi mạch có 
dòng điện xoay chiều 
Một điện trở có trị số không đổi Thường được làm từ hợp kim constantan 
thường gồm 55% đồng và 45% niken hay các hợp kim ít chịu ảnh hưởng bởi 
 U
nhiệt như manganin Cu Mn Ni , U = IR hay I nên đặc tuyến vôn –
 86 12 2 R
ampe là một đường thẳng đi qua gốc toạ độ có hệ số góc là R Đặc tuyến vôn – ampe của 1 nhiệt điện trở Sự phụ thuộc giữa nhiệt độ và điện áp của 1 nhiệt điện 
 trở
+ điện trở phi tuyến varistor
 Thường có i = f(u) thể hiện qua đồ thị sau 
+ Đi-ốt điện tử hay đèn điện tử
 + Đi-ốt bán dẫn U
- Điện trở “tĩnh” R 
 T I
 U
- Điện trở trung bình tb U 
 TB I
 U
- Điện trở “động” ( hay điện trở tức thời) R U '
 d  I I
Cuộn dây
 F
- Độ tự cảm “tĩnh” L 
 T I
 
- Độ tự cảm trung bình L 
 TB I
 
- Độ tự cảm “động” L  '
 d  I I
Tụ điện
 Q
- Điện dung “tĩnh” C 
 T U
 Q
- Điện dung trung bình tb C 
 TB U
 Q
- Điện dung “động” C Q '
 d U I
Các thông số Rđ, Lđ, Cđ là hàm theo cường độ dòng điện I hoặc hiệu điện thế U 
của chúng nên nó đặc trưng cho phần tử phi tuyến tại mỗi điểm trên đặc tuyến 
vôn – ampe. 
Công suất: đối với các phần tử phi tuyến thì chỉ được sử dụng công thức P = U.I 
hay trong mạch điện có dòng xoay chiều thì P = U.I.cosφ 
Các cách để biểu diễn đặc trưng của một phần tử phi tuyến:
Cách 1: cho hàm số U = f(I) hay I = f(U) hoặc u = f(i) hay i = f(u) Với f không 
phải là một hàm tuyến tính Cách cho này là cách cho thuận lợi 
Cách 2: cho đặc tuyến vôn – ampe của phần tử đó Cách cho này tương đối 
không thuận lợi các dạng lý tưởng hoá đặc tuyến vôn – ampe của diode theo mức độ tiến lại gần 
với kết quả của thực nghiệm 
Lý tưởng hoá 1: diode “đóng –mở” Nếu U < U0 thì 
không có dòng chạy qua Diode Nếu U = U0 thì Diode là 
một phần tử phi tuyến có điện trở động là 
 U
 R 0
 d  I
Lý tưởng hoá 2: vẫn là diode “đóng - mở” Nếu U < U0 
thì không có dòng chạy qua Diode Nếu U ≥ U0 thì Diode 
coi như là 1 phần tử phi tuyến có điện trở động là 
 U U U
 R 0 const 0
 d  I I
Lí tưởng hoá 3: không còn dạng Diode “đóng – mở” Nếu U < U0 thì Diode coi 
như là 1 phần tử phi tuyến có điện trở động là
 U U
 R const 0
 d  I I
Nếu U ≥ U0 thì Diode coi như 1 phần tử phi tuyến có điện 
trở động 
là 
 U U U0
 Rd const 0
  I I I0
Lí tưởng hoá 4: đưa về dạng đường cong với hàm số giải 
tích ví dụ như hình bên I = kU2 Điều này xảy ra khi biến làm việc cps cường dộ nhỏ( quanh gốc hoặc giá trị 
biến thiên lớn nhưng trong quá trình làm việc biến chỉ thay đổi trong một phạm 
vi nhỏ( đoạn nhỏ coi như là đoạn thẳng) như biểu diễn ở hình (h.12-10) lúc đó
 = const
Vậy phi tuyến nhỏ thì điểm làm việc của mạch biến thiên trên đoạn thẳng, lúc 
đó mạch tuyến tính, là tinh thần phương pháp tuyến tính hóa. 
2.Tính quán tính của phần tử phi tuyến – quán tính hóa
 Có một số vật liệu có tính quán tính( ví dụ như tính quán tính nhiệt). Với vật 
liệu có tính quán tính nhiệt thì R(I), ứng với nhiệt độ nhất định sẽ có R nhất 
định ứng với , khi dòng điện thay đổi đủ nhanh(ứng với nói trên) thì do 
quán tính nhiệt thì thiệt độ ở đây sẽ hầu như là hằng số trong thời gian t, khiến 
R(I) hằng trong quan hệ tức thời giữa điện áp và dòng điện, tức là:
U(i)=R(I) mà R(I) là hằng nên u(i) là tuyến tính
ta có quan hệ tức thời u(i) là tuyến tính.
Còn quan hệ U(I)=R(I). I phi tuyến(12-4), quan hệ (12-4) nói lên tính quán tính.
Để tính hệ phi tuyến ở chế đọ chu kì có lúc coi các phần tử phi tuyến là có quán 
tính như tinh thần trên, tức là coi tồn tai U(I) phi tuyến nhưng với trị hiệu dụng 
xác định thì quan hệ tức thời là tuyến tính, lúc đó có thể viết hệ phương trình 
tức thời dưới dạng ảnh phức cu kỳ hình sin.
Đây là tinh thần phương pháp quán tính hóa – Coi là tuyến tính hóa đặc biệt 2. Phương pháp giải bài tập về mạch phi tuyến:
a. Phương pháp đồ thị:
Từ đặc tuyến của các phần tử ,ta vẽ đặc tuyến chung của mạch, sau đó xác định 
điểm làm việc theo dữ kiện bài tập:
* Các phần tử ghép nối tiếp: 
Cùng cường độ dòng điện, hiệu điện thế bằng tổng hiệu điện thế hai đầu các 
phần tử .
 I i(U1) i(U)
 i(U2)
 U i (U1) i (U2)
 V
* Các phần tử ghép song song:
 Cùng hiệu điện thế giữa hai đầu mỗi phần tử, cộng cường độ dòng điện. 
 I U 
 i(U1) i2(U)
 i1(U)
 b. Phương pháp đại số:
 Biểu diễn gần đúng đặc trưng V-A của các phần tử. u V
 Dựa vào mạch và đặc trưng V-A để giải quyết bài tập cụ thể.
c. Phương pháp lặp: 
 U 0 U (i) U 0 U (i)
Cường độ dòng điện: i = : i1 = 
 r r
 ,r
 C
 D Phân tích: ở bài này chưa cho chiều của nguồn nên có thể nhận nghiệm âm phải 
dùng những điều kiện vật lý để loại bỏ nghiệm trong bài. Giải a/ ta có các 
phương trình điện thế nút sau: để thuận tiện ta giải bài toán với các dòng điện đo 
bằng mA Giả sử dòng điện trong mạch chính đi từ A đến B 
 u u u
 1 2 30 u 30 2
 1 2 1 2
 u u u 2 u
 i i i i 1 2 3 ku I 30 3 2 2
 1 2 3 5 5 A1 ku5 30 u3 90 3ku5
 1 2 3 3
 u u u u u
 i i i 1 3 4 2 2 4 2
 1 3 4 30 30 3ku5 4ku5 2u2 u4 20(V )
 1 3 4 2 4
 u u u u U u 3u
 1 3 2 5 AB 30 2 90 3ku 2 u u 2 3ku 2 u 120
 u u u 2 5 2 5 2 5 5
 1 4 2 
 u2
 30 20 u2
 2
Nếu
 100
 u (V )
 2 3
 2 65
 ku5 (mA)
 u4 20 3
 2 3u2 2 1
 3ku5 u5 120 u5 5(V ) P u5.ku5 108 (W )
 2 3
 U AB 55(V )
Nếu
 20
 u (V )
 2 3
 20
 ku 2 (mA)
 5 3
 u4 20 
 3u 2
 3ku 2 2 u 120 u 130(V ) P u .ku 2 866 (W )
 5 2 5 5 5 5 3
 410
 U (V )
 AB 3
Tuy nhiên khi u5 > 0 mà i5 < 0 thì vô lý đối với varistor 
Vậy ta có kết quả sau: UAB = 55V và Px = 108.33W 
ở câu a liệu có phức tạp hơn nếu đổi vị trí R4 và varistor X hay không???
 b/ giả sử VD> VB
i1 + i2 = i3 + i5 = 30