Khái niệm chung về mạch điện

1. Các phần tử của mạch điện

Mạch điện là tập hợp các thiết bị điện nối với nhau bằng các dây dẫn tạo thành những mạch kín trong đó dòng điện có thể chạy qua.

Hình 1. Mô hình của một mạch điện đơn giản.

Mạch điện thường gồm các phần tử sau:

• Nguồn điện: là thiết bị biến đổi các dạng năng lượng khác điện thành điện năng. Ví dụ: pin, ắc quy, máy phát điện (MF)…
• Dây dẫn: là các dây kim loại như đồng, nhôm … dùng để truyền tải điện năng từ nguồn đến tải.
• Tải (phụ tải p): là các thiết bị tiêu thụ điện năng và biến điổi điện năng thành các dạng năng lượng khác điện. Ví dụ: động cơ điện (ĐC), bếp điện, bóng đèn điện (Đ)…

2. Cấu trúc của mạch điện

Ta xét mạch điện cơ bản sau:

Hình 2. Mạch điện cơ bản với các phần tử được nối với nhau.

Từ đó, ta được ra một số định nghĩa về kết cấu hình học của một mạch điện như sau:

• Nút là điểm gặp nhau của từ ba nhánh trở lên. Ở mạch trên có 2 nút (1) và (2).
• Vòng là tập hợp nhiều nhánh tạo thành một đường kín và chỉ đi qua mỗi nút một lần. Ở mạch trên có 3 vòng (I), (II), (III).
• Nhánh: Nhánh là một đoạn mạch có các phần tử ghép nối tiếp với nhau trong đó có cùng dòng điện chạy qua.

Hình 3. Một nhánh minh hoạ cho mạch điện.

Ngoài ra, còn một số khái niệm khác như:

• Mạch vòng độc lập là mạch vòng phải kép kín qua một nhánh mới chưa tham gia vào trong các vòng đã chọn.
• Mạch điện đơn giản là mạch điện có một nhánh, không có nút và có một mạch vòng.
• Mạch điện phức tạp là mạch điện có nhiều nhánh, nhiều mạch vòng và nhiều nút.

3. Các đại lượng cơ bản của mạch điện

Xét một phần tử hai đầu (còn gọi là mạch một cửa, hay lưỡng cực) như hình 4.

Các phần tử có thể là điện trở, cuộn cảm, tụ điện, pin, máy phát,… Ta sẽ kí hiệu u, i,… là các hàm của thời gian t.

3.1. Dòng điện

Hình 4. Kí hiệu của dòng điện và điện áp.

• Dòng điện là dòng chuyển dời có hướng của các điện tích (điện tích là hạt mang điện).
• Ta có thể phát biểu theo cách khác, dòng điện i là tốc độ biến thiên của lượng điện tích q qua tiết diện ngang một vật dẫn được biểu diễn dưới dạng công thức như hình 4.
• Chiều dòng điện quy ước là chiều chuyển động của các điện tích dương (ion dương), ngược với chiều chuyển động của các ion âm hoặc electron (điện tử). Trên một nhánh chiều dương quy ước của dòng điện được chọn tùy ý và ký hiệu bằng mũi tên như hình 4.

3.2. Điện áp

• Điện áp trên 2 đầu của 1 phần tử là công cần thiết làm dịch chuyển 1 đơn vị điện tích (coulomb) qua phần tử đó. Ký hiệu là u, Đơn vị là vôn (V).
• Điện thế chênh lệch (hay còn gọi hiệu điện thế) giữa 2 điểm A và B được định nghĩa là:

u = u_AB = u_A – u_B

• Lưu ý: Chiều điện áp quy ước là chiều từ điểm có điện thế cao đến điểm có điện thế thấp và u_AB = – u_BA.

3.3. Công suất

• Khi một phần tử của mạch điện có điện áp  giữa hai đầu là u và dòng qua phần tử là i, khi đó ta có công suất P của phần tử được định nghĩa là:

p(t) = u(t).i(t) = u.i

• Chúng ta cần chú ý thêm qui ước dấu như sau cho công suất:

Hình 5. Mô tả trạng thái phát và thu năng lượng trên phần tử mạch điện.

3.4. Điện năng

Nếu u và i phụ thuộc thời gian t, điện năng tiêu thụ bởi phần tử từ t₀ đến t là:

Trong đó:

• w: Điện năng, đơn vị là Joule (J).
• p: Công suất, đơn vị là Watt (W).
• i: Dòng điện, đơn vị là Ampe (A).
• u: Điện áp, đơn vị là Vôn (V).
• t: Thời gian, đơn vị thường là giây (s).