Bài 17. Máy phát điện xoay chiều trang 72, 73, 74 Vật lý 12 Kết nối tri thức: Dòng điện xoay chiều được sử dụng rất phổ biến trong đời sống...

Câu hỏi:

Dòng điện xoay chiều được sử dụng rất phổ biến trong đời sống. Dòng điện xoay chiều được tạo ra bằng cách nào?

Hướng dẫn giải :

Vận dụng kiến thức đời sống

Lời giải chi tiết :

Dòng điện xoay chiều (AC) được tạo ra bằng cách biến đổi từ thông qua cuộn dây dẫn kín.

Câu hỏi:

1. Khung dây dẫn trong Hình 17.2 ở vị trí nào thì suất điện động có giá trị cực đại?

Giải thích.

2. Giả sử tại thời điểm t, từ thông qua khung dây dẫn phẳng MNPQ là:

Ф = BScosα = BScosωt

Hãy chứng tỏ, suất điện động cảm ứng xuất hiện trong khung dây này có dạng:

e = BSωcos(ωt + φ₀) (V)

Hướng dẫn giải :

Vận dụng công thức: e = -NBSωcos(ωt + α)

Lời giải chi tiết :

1. Khung dây dẫn trong Hình 17.2 ở vị trí vuông góc với từ trường (α = 90°) thì suất điện động có giá trị cực đại.

Giải thích:

- Suất điện động cảm ứng trong khung dây dẫn được xác định theo công thức:

e = -NBSωcos(ωt + α)

- Từ công thức trên, ta thấy suất điện động cảm ứng phụ thuộc vào góc α.

- Khi α = 90°, cosα = 1, do đó suất điện động cảm ứng đạt giá trị cực đại.

2. Từ công thức từ thông qua khung dây dẫn phẳng:

Φ = BScosα = BScosωt

Ta có tốc độ biến thiên từ thông:

\(\frac{{d\phi }}{{dt}} = - NBS\omega \sin \omega t\)

Theo định luật Faraday, suất điện động cảm ứng xuất hiện trong khung dây:

\(e = - \frac{{d\phi }}{{dt}} = NBS\omega \sin \omega t = NBS\omega \cos (\omega t + \frac{\pi }{2}) = BS\omega \cos (\omega t + {\varphi _0})\)

Với \({\varphi _0} = \frac{\pi }{2}\)

Vậy, suất điện động cảm ứng xuất hiện trong khung dây có dạng:

e = BSωcos(ωt + φ₀) (V)

Câu hỏi:

Dựa trên nguyên tắc tạo ra dòng điện xoay chiều, hãy thực hiện các nhiệm vụ sau:

1. Làm thế nào để dẫn dòng điện ra mạch ngoài khi khung dây dẫn quay đều trong từ trường (Hình 17.2)?

2. Thảo luận về:

- nguyên tắc tạo ra suất điện động xoay chiêu.

- các yếu tố cần để tạo ra dòng điện xoay chiều.

- thiết kế phương án tạo ra dòng điện xoay chiều.

Hướng dẫn giải :

Dựa trên nguyên tắc tạo ra dòng điện xoay chiều

Lời giải chi tiết :

1.

Để dẫn dòng điện ra mạch ngoài khi khung dây dẫn quay đều trong từ trường (Hình 17.2), ta cần sử dụng chổi quét và vành khuyên.

- Chổi quét: là hai thanh kim loại tiếp xúc với vành khuyên.

- Vành khuyên: là hai vòng kim loại được gắn vào hai đầu của khung dây dẫn.

Khi khung dây dẫn quay trong từ trường, dòng điện cảm ứng sẽ xuất hiện trong khung dây. Dòng điện này sẽ đi qua chổi quét và vành khuyên, tạo thành mạch kín. Do đó, dòng điện sẽ được dẫn ra mạch ngoài.

2.

- Nguyên tắc tạo ra suất điện động xoay chiều dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Khi khung dây dẫn quay trong từ trường, từ thông qua khung dây sẽ biến thiên. Theo định luật Faraday, sự biến thiên từ thông này sẽ làm xuất hiện suất điện động cảm ứng trong khung dây.

- Để tạo ra dòng điện xoay chiều, cần có các yếu tố sau:

• Khung dây dẫn: Khung dây dẫn phải được làm bằng vật liệu dẫn điện tốt.
• Từ trường: Từ trường có thể được tạo ra bởi nam châm vĩnh cửu hoặc điện nam châm.
• Chuyển động quay: Khung dây dẫn phải quay đều trong từ trường.

- Có hai phương án chính để tạo ra dòng điện xoay chiều:

+ Máy phát điện xoay chiều:

• Cấu tạo: Máy phát điện xoay chiều bao gồm phần cảm (rotor) và phần ứng (stator). Phần cảm tạo ra từ trường, phần ứng gồm các cuộn dây dẫn kín đặt trong từ trường của phần cảm.
• Nguyên tắc hoạt động: Khi phần cảm quay trong từ trường, từ thông qua các cuộn dây dẫn kín trong phần ứng sẽ biến thiên, làm xuất hiện dòng điện cảm ứng trong các cuộn dây.

+ Biến áp:

• Cấu tạo: Biến áp gồm hai cuộn dây dẫn kín: cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp.
• Nguyên tắc hoạt động: Khi đặt điện áp xoay chiều vào cuộn sơ cấp, sẽ xuất hiện từ trường biến thiên xung quanh cuộn sơ cấp. Từ trường biến thiên này sẽ gây ra hiện tượng cảm ứng điện từ trong cuộn thứ cấp, làm xuất hiện dòng điện xoay chiều trong cuộn thứ cấp.

Câu hỏi:

Dựa vào đồ thị biểu diễn cường độ dòng điện xoay chiều theo thời gian như

Hình 17.3, hãy thực hiện các yêu cầu sau:

- Xác định chu kì T (s) và tần số f (Hz) của dòng điện xoay chiều.

- Xác định giá trị cực đại, giá trị hiệu dụng và pha ban đầu của cường độ dòng điện xoay chiều.

- Viết biểu thức cường độ dòng điện theo thời gian.

Hướng dẫn giải :

Dựa vào đồ thị biểu diễn cường độ dòng điện xoay chiều theo thời gian

Lời giải chi tiết :

- Chu kì T = 0,02 s, f = 50 Hz

- I₀ = 4 A, \(I = \frac{{{I_0}}}{{\sqrt 2 }} = \frac{4}{{\sqrt 2 }} = 2\sqrt 2 A\), \({\varphi _0} = - \frac{\pi }{2}\)

- \(i = {I_0}\cos (\omega t + {\varphi _0}) = 4\cos (100\pi t - \frac{\pi }{2})A\)

Câu hỏi:

1. Hãy viết biểu thức suất điện động của máy phát điện xoay chiều trong trường hợp khung dây có N vòng dây, quay với tốc độ góc ω trong từ trường đều có cảm ứng từ \(\overrightarrow B \) (\(\overrightarrow B \) vuông góc với trục quay của khung).

2. Vì sao cần sử dụng vành khuyên và chổi quét để dẫn điện ra mạch ngoài đối với các máy phát điện xoay chiều hoạt động theo cách thứ nhất?

Hướng dẫn giải :

Vận dụng biểu thức: e = NBSωcos(ωt + α)

Lời giải chi tiết :

1. \(e = NBS\omega \cos (\omega t + \varphi ) = NBS\omega \cos (\omega t)\)

2. Cần sử dụng vành khuyên và chổi quét để dẫn điện ra mạch ngoài đối với các máy phát điện xoay chiều hoạt động theo cách thứ nhất vì:

- Khung dây dẫn quay trong từ trường, do đó cần có cách để dẫn điện ra mạch ngoài.

- Vành khuyên và chổi quét là hai bộ phận giúp dẫn điện từ khung dây ra mạch ngoài.

Câu hỏi:

Thảo luận để thực hiện các yêu cầu sau:

1. Ngoài thắp sáng, chạy máy thì dòng điện xoay chiều còn được sử dụng vào những việc gì?

2. Tìm hiểu thông qua sách báo, internet về các biện pháp giảm hao phí trong truyền tải điện năng đi xa bằng dòng điện xoay chiều.

Hướng dẫn giải :

Thảo luận để thực hiện các yêu cầu

Lời giải chi tiết :

1. Dòng điện xoay chiều (AC) có nhiều ứng dụng trong đời sống và sản xuất. Ngoài việc thắp sáng và chạy máy, AC còn được sử dụng vào các mục đích sau:

- Truyền tải điện năng đi xa: AC có thể truyền tải điện năng đi xa với hiệu suất cao hơn so với dòng điện một chiều (DC).

- Điều khiển tốc độ động cơ: Tốc độ của động cơ điện xoay chiều có thể được điều khiển dễ dàng bằng cách thay đổi tần số của dòng điện AC.

- Hệ thống điện tử: AC được sử dụng trong hầu hết các hệ thống điện tử, bao gồm máy tính, điện thoại di động, và tivi.

- Hàn điện: AC được sử dụng trong hàn điện để tạo ra nhiệt độ cao cần thiết để nung chảy kim loại.

- Lò nung: AC được sử dụng trong lò nung để tạo ra nhiệt độ cao cần thiết để nung nóng các vật liệu.

- Y tế: AC được sử dụng trong các thiết bị y tế như máy X-quang và máy chụp MRI.

2. Trong quá trình truyền tải điện năng đi xa, một phần năng lượng sẽ bị hao phí dưới dạng nhiệt. Để giảm hao phí này, người ta sử dụng các biện pháp sau:

- Tăng điện áp truyền tải: Khi điện áp truyền tải tăng, cường độ dòng điện sẽ giảm, dẫn đến giảm hao phí trên đường dây.

- Giảm tiết diện dây dẫn: Khi tiết diện dây dẫn giảm, điện trở của dây dẫn sẽ tăng, dẫn đến tăng hao phí trên đường dây. Tuy nhiên, tiết diện dây dẫn không thể giảm quá nhỏ vì sẽ ảnh hưởng đến khả năng dẫn điện của dây.

- Sử dụng dây dẫn có điện trở suất thấp: Dây dẫn có điện trở suất thấp sẽ giúp giảm hao phí trên đường dây.

- Bù công suất phản kháng: Công suất phản kháng là một phần công suất không tiêu thụ năng lượng nhưng lại làm tăng hao phí trên đường dây. Bù công suất phản kháng sẽ giúp giảm hao phí trên đường dây.

- Sử dụng hệ thống truyền tải điện ngầm: Hệ thống truyền tải điện ngầm có thể giảm hao phí do tác động của môi trường.

Ngoài ra, người ta cũng cần thường xuyên kiểm tra và bảo dưỡng đường dây tải điện để đảm bảo hiệu quả truyền tải.

Câu hỏi:

Thảo luận để thực hiện các yêu cầu sau:

1. Nhận biết được ý nghĩa của những biển báo an toàn điện.

2. Vì sao không nên sử dụng thiết bị điện trong quá trình sạc pin?

3. Vì sao cần lựa chọn và lắp đặt thiết bị đóng, ngắt điện ở vị trí phù hợp, dễ tiếp cận nhất tại gia đình

4. Vì sao cần lựa chọn thiết bị điện có chất lượng, có công suất phù hợp với mạng lưới điện?

5. Nêu tầm quan trọng của việc tuân thủ quy tắc an toàn khi sử dụng dòng điện xoay chiều trong cuộc sống.

Hướng dẫn giải :

Thảo luận để thực hiện các yêu cầu

Lời giải chi tiết :

1. Ý nghĩa của biển báo an toàn điện:

Biển báo an toàn điện là những hình ảnh, ký hiệu được sử dụng để cảnh báo nguy hiểm về điện, hướng dẫn sử dụng điện an toàn và thông báo vị trí các thiết bị điện. Biển báo an toàn điện có ý nghĩa quan trọng trong việc:

- Cảnh báo nguy hiểm về điện: Giúp mọi người nhận thức được nguy cơ tiềm ẩn của điện và có biện pháp phòng tránh.

- Hướng dẫn sử dụng điện an toàn: Cung cấp thông tin về cách sử dụng điện an toàn, tránh các sự cố về điện.

- Thông báo vị trí các thiết bị điện: Giúp mọi người dễ dàng xác định vị trí các thiết bị điện để sử dụng và bảo trì.

2. Việc sử dụng thiết bị điện trong quá trình sạc pin có thể dẫn đến nguy cơ cháy nổ cao do:

- Pin lithium-ion: Loại pin được sử dụng phổ biến trong các thiết bị điện tử hiện nay có thể bị cháy nổ nếu bị quá nhiệt. Việc sử dụng thiết bị điện khi đang sạc pin sẽ làm tăng nhiệt độ của pin, dẫn đến nguy cơ cháy nổ.

- Nguy cơ chập điện: Khi sử dụng thiết bị điện trong quá trình sạc pin, điện áp từ ổ cắm có thể đi ngược vào pin, dẫn đến nguy cơ chập điện.

- Giảm tuổi thọ pin: Việc sử dụng thiết bị điện khi đang sạc pin sẽ làm giảm tuổi thọ của pin.

3. Thiết bị đóng, ngắt điện (cầu dao, cầu chì, aptomat) đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ hệ thống điện và người sử dụng khỏi nguy cơ cháy nổ, chập điện. Do đó, cần lựa chọn và lắp đặt thiết bị đóng, ngắt điện ở vị trí phù hợp:

- Dễ tiếp cận: Vị trí lắp đặt thiết bị đóng, ngắt điện phải dễ dàng tiếp cận để có thể thao tác nhanh chóng khi cần thiết.

- An toàn: Vị trí lắp đặt thiết bị đóng, ngắt điện phải khô ráo, thoáng mát, tránh xa các nguồn nước và nhiệt độ cao.

- Phù hợp với công suất: Lựa chọn thiết bị đóng, ngắt điện có công suất phù hợp với tải trọng của mạch điện.

4. Việc lựa chọn thiết bị điện có chất lượng, công suất phù hợp sẽ giúp đảm bảo an toàn cho người sử dụng và hệ thống điện:

- Chất lượng: Lựa chọn thiết bị điện có nguồn gốc xuất xứ rõ ràng, thương hiệu uy tín để đảm bảo chất lượng và độ an toàn.

- Công suất: Lựa chọn thiết bị điện có công suất phù hợp với nhu cầu sử dụng và tải trọng của mạch điện.

5. Tuân thủ quy tắc an toàn khi sử dụng điện là việc làm vô cùng quan trọng để đảm bảo an toàn cho bản thân, gia đình và cộng đồng. Việc tuân thủ quy tắc an toàn khi sử dụng điện sẽ giúp:

- Giảm thiểu nguy cơ cháy nổ, chập điện: Nguyên nhân chính dẫn đến các sự cố về điện là do sử dụng điện không an toàn.

- Bảo vệ hệ thống điện: Sử dụng điện an toàn sẽ giúp bảo vệ hệ thống điện, tăng tuổi thọ của các thiết bị điện.

- Nâng cao ý thức an toàn: Tuân thủ quy tắc an toàn khi sử dụng điện sẽ giúp nâng cao ý thức an toàn cho bản thân và cộng đồng.