Giao diện
30.4. Mạch R-L
Cuộn dây thông thường có điện trở dây quấn. Ngoại lệ là cuộn siêu dẫn trong miền làm việc thích hợp. Điện trở
Việc phân tích giúp ta hiểu rõ quy luật biến thiên của dòng điện theo thời gian và hằng số thời gian của mạch. Đồng thời, phân tích này làm sáng tỏ sự phân bổ năng lượng giữa công suất phát của nguồn, nhiệt lượng tỏa ra trên điện trở và năng lượng tích lũy trong từ trường của .
Cách phân tích mạch có cuộn cảm
Điện áp, dòng và điện tích có thể biến thiên theo thời gian, nhưng các định luật Kirchhoff vẫn áp dụng tại từng thời điểm trong mô hình mạch tập trung. Quy trình phân tích gồm các bước sau:
- Vẽ sơ đồ, đặt tên các đại lượng đã biết và chưa biết. Dùng định luật nút sớm để giảm số dòng độc lập.
- Xác định đại lượng cần tìm và điều kiện đầu, đặc biệt dòng qua từng cuộn ngay trước chuyển mạch.
- Chọn chiều vòng và viết định luật vòng. Khi đi qua cuộn theo chiều dòng giả định, số hạng điện áp trong tổng biến thiên thế là
. Đi ngược chiều đó cho số hạng . - Giải phương trình cho các đại lượng đích. Dùng và các giới hạn đầu, cuối để xét chiều điện áp cuộn có chống biến thiên dòng hay không.
Dòng tăng sau khi đóng nguồn
Xét mạch điện ở Hình 30.11. Mạch gồm một nguồn điện có suất điện động

Chú thích:
- Đóng công tắc S1 nối cụm R-L nối tiếp với nguồn suất điện động E. (Closing switch S1 connects the R-L combination in series with a source of emf E.)
- Đóng công tắc S2 đồng thời mở công tắc S1 ngắt cụm R-L khỏi nguồn. (Closing switch S2 while opening switch S1 disconnects the combination from the source.)
Tại thời điểm
Để tìm dòng
- Đi qua nguồn từ cực âm sang cực dương: Điện thế tăng một lượng
. - Đi qua điện trở
theo chiều dòng điện: Điện thế giảm một lượng . - Đi qua
theo chiều dòng điện đang tăng: Suất điện động có chiều ngược chiều dòng điện, làm điện thế giảm một lượng .
Tổng các độ biến thiên điện thế quanh vòng kín bằng không:
Phương trình (30.12) là phương trình vi phân cơ bản mô tả sự tăng dòng điện trong . Tại thời điểm ban đầu
Tốc độ tăng dòng ban đầu hoàn toàn do suất điện động
Khi dòng điện
Sau một thời gian đủ dài, dòng điện đạt trạng thái dừng ổn định. Khi dòng điện không còn biến thiên, tốc độ tăng dòng bằng không (
Lúc này hoạt động như một dây dẫn thuần túy (với điện trở bằng không), và dòng điện hoàn toàn bị giới hạn bởi điện trở

Chú thích:
- Đóng công tắc S1 tại thời điểm t = 0. (Switch S1 is closed at t = 0.)
Để tìm biểu thức chính xác của
Lấy hai vế từ thời điểm ban đầu
Thực hiện ở vế trái:
Lấy hàm mũ hai vế của phương trình:
Từ đó, ta giải ra cường độ dòng điện
phương trình (30.14) theo thời gian cho ta tốc độ tăng dòng điện tại mọi thời điểm:
Quan sát phương trình (30.15), ta thấy tại
Hằng số thời gian của mạch R-L
Trong phương trình (30.14) và (30.15), đại lượng
Ta có thể kiểm tra thứ nguyên của
Ý nghĩa vật lý của hằng số thời gian
Sau khoảng thời gian
, dòng điện trong mạch đạt giá trị:
i(\tau) &= I(1 - e^{-1}) \ &\approx I(1 - 0{,}368) \ &= 0{,}632 I \end
\mathcal E i = i^2 R + Li\frac{di}{dt} \tag
\frac{d}{dt}\left(\frac{1}{2}Li^2\right) = Li\frac{di}
-iR - L\frac{di}{dt} = 0
\frac{di}{i} = -\frac{R}{L}dt
\int_{I_0}^i \frac{di'}{i'} = -\frac{R}{L}\int_0^t dt'
\ln\left(\frac{i}{I_0}\right) = -\frac{R}{L}t
i(t) = I_0 e^{-(R/L)t} = I_0 e^{-t/\tau} \tag
0 = i^2 R + Li\frac{di}{dt} \tag
\begin{aligned} \mathcal E &= IR \ &= (0{,}036\text{ A})(175\ \Omega) \ &= 6{,}3\text{ V} \end
1 - \frac{iR}{\mathcal E} = e^
\begin{aligned} \ln &\left(1 - \frac{iR}{\mathcal E}\right) = -\frac{Rt}{L} \ L &= \frac{-Rt}{\ln(1 - iR/\mathcal E)} \end
\begin{aligned} 1 - \frac{iR}{\mathcal E} &= 1 - \frac{0{,}8575\text{ V}}{6{,}3\text{ V}} \ &= 1 - 0{,}13611 \ &= 0{,}86389 \end
\begin{aligned} L &= \frac{-(175\ \Omega)(58\ \mu\text{s})}{\ln(0{,}86389)} \ &= \frac{-0{,}01015}{-0{,}14631} \ &\approx 0{,}06937\text{ H} \ &\approx 69\text{ mH} \end
\begin{aligned} \tau &= \frac{L}{R} \ &= \frac{69 \times 10^{-3}\text{ H}}{175\ \Omega} \ &\approx 3{,}9 \times 10^{-4}\text{ s} = 390\ \mu\text{s} \end
\begin{aligned} i(t) &= I_0e^{-t/\tau}, \ U(t) &= \frac12Li(t)^2 \ &= U_0e^{-2t/\tau}, \ U_0 &= \frac12LI_0^2. \end
\begin{aligned} \frac{U(t)}{U_0} &= e^{-4{,}6} \ &\approx 0{,}010, \ \frac{U_{\mathrm{diss}}}{U_0} &= 1-e^{-4{,}6} \ &\approx 0{,}990. \end
\begin{aligned} U_0 &= \frac12LI_0^2 \ &\approx 4{,}5\times10^{-5},\mathrm J, \ U_{\mathrm{diss}} &\approx 0{,}990U_0 \ &\approx 4{,}4\times10^{-5},\mathrm J, \ t &= 2{,}3\tau \ &\approx 0{,}90,\mathrm{ms}. \end