Bài 17. Máy phát điện xoay chiều trang 72, 73, 74 Vật Lí 12 Kết nối tri thứcDòng điện xoay chiều được sử dụng rất phổ biến trong đời sống. Dòng điện xoay chiều được tạo ra bằng cách nào? Quảng cáo
Lựa chọn câu để xem lời giải nhanh hơn
Câu hỏi tr 72 CHMĐ Trả lời câu hỏi mở đầu trang 72 SGK Vật lí 12 Kết nối tri thức Dòng điện xoay chiều được sử dụng rất phổ biến trong đời sống. Dòng điện xoay chiều được tạo ra bằng cách nào? Phương pháp 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 tr 72 CH Trả lời câu hỏi trang 72 SGK Vật lí 12 Kết nối tri thức 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) Phương pháp 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 tr 73 HĐ Trả lời câu hỏi hoạt động trang 73 SGK Vật lí 12 Kết nối tri thức 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. Phương pháp 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:
- Có hai phương án chính để tạo ra dòng điện xoay chiều:+ Máy phát điện xoay chiều:
+ Biến áp:
Câu hỏi tr 74 HĐ Trả lời câu hỏi hoạt động trang 74 SGK Vật lí 12 Kết nối tri thức 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.
Phương pháp 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 tr 75 HĐ Trả lời câu hỏi hoạt động trang 75 SGK Vật lí 12 Kết nối tri thức 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? Phương pháp 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 tr 76 HĐ 1 Trả lời câu hỏi hoạt động 1 trang 76 SGK Vật lí 12 Kết nối tri thức 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. Phương pháp 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 tr 77 HĐ 2 Trả lời câu hỏi hoạt động 2 trang 76 SGK Vật lí 12 Kết nối tri thức 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. Phương pháp 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.
Bài đọc
>> Xem chi tiết: Lý thuyết Máy phát điện xoay chiều - Vật lí 12 Kết nối tri thức
+
Bài 17. Máy phát điện xoay chiều I. Nguyên tắc tạo ra dòng điện xoay chiều - Xét một khung dây dẫn MNPQ có diện tích S, quay đều với tốc độ góc \(\omega \) quanh một trục OO’ vuông góc với các đường sức của một từ trường đều có cảm ứng từ \(\overrightarrow {\rm{B}} \). - Theo hiện tượng cảm ứng điện từ, trong khung dây xuất hiện một suất điện động biến đổi theo thời gian: \(e = {E_0}\cos \left( {\omega t + {\varphi _0}} \right)\) (*) Trong đó: +) \({E_0} = BS\omega \) là suất điện động cực đại trong khung dây +) \({\varphi _0}\) là pha ban đầu của suất điện động. - Nếu khung dây dẫn MNPQ có N vòng dây thì suất điện động cực đại của khung dây là \({E_0} = NBS\omega \). - Suất điện động biến đổi theo thời gian theo định luật dạng cosin (hoặc sin) trong biểu thức (*) được gọi là suất điện động xoay chiều. Chu kì T và tần số f của suất điện động liên hệ với tần số góc \(\omega \) bởi các công thức: \({\rm{T}} = \frac{{2\pi }}{\omega }({\rm{s}}),{\rm{f}} = \frac{\omega }{{2\pi }}({\rm{Hz}})\) - Khi nối hai đầu khung dây dẫn trên với điện trở thuần R tạo thành mạch kín, thì dòng điện trong khung dây dẫn biến thiên theo thời gian với tần số bằng tần số của suất điện động xoay chiều. Dòng điện này gọi là dòng điện xoay chiều. Do đó, nguyên tắc tạo ra dòng điện xoay chiều dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ là làm cho từ thông qua khung dây dẫn biến thiên điều hoà theo thời gian. II. Dòng điện xoay chiều 1. Biểu thức dòng điện xoay chiều - Trong trường hợp tổng quát, biểu thức của điện áp xoay chiều giữa hai đầu đoạn mạch và cường độ dòng điện xoay chiều chạy trong mạch có dạng: \(\begin{array}{l}u = {U_0}\cos \left( {\omega t + {\varphi _u}} \right)\,\left( V \right)\\i = {I_0}\cos \left( {\omega t + {\varphi _i}} \right)\,\left( A \right)\end{array}\) Trong đó: + \(\omega \) là tần số góc của dòng điện xoay chiều, bằng tần số góc của suất điện động cảm ứng do máy phát điện xoay chiều tạo ra. + \(u\) và \(i\) là giá trị tức thời của điện áp giữa hai đầu đoạn mạch và cường độ dòng điện trong mạch. + \({U_0}\) và \({I_0}\) là độ lớn cực đại (biên độ) của điện áp và cường độ dòng điện xoay chiều. + \({\varphi _u}\) và \({\varphi _i}\) là pha ban đầu của điện áp và cường độ dòng điện xoay chiều. - Dòng điện có cường độ biến thiên điều hòa với thời gian theo quy luật của hàm cosin (hoặc sin) gọi là dòng điện xoay chiều 2. Giá trị hiệu dụng - Cường độ hiệu dụng của dòng điện xoay chiều bằng cuờng độ của một dòng điện không đổi, nếu cho hai dòng điện đó lần luợt đi qua cùng một điện trở trong những khoảng thời gian bằng nhau thì nhiệt luợng toả ra bằng nhau: \(I = \frac{{{I_0}}}{{\sqrt 2 }}\) - Ngoài ra, đối với dòng điện xoay chiều, người ta cũng định nghĩa giá trị hiệu dụng của điện áp ở hai đầu đoạn mạch là: \(U = \frac{{{U_0}}}{{\sqrt 2 }}\) Và suất điện động hiệu dụng của nguồn điện là: \(E = \frac{{{E_0}}}{{\sqrt 2 }}\) III. Máy phát điện xoay chiều 1. Cấu tạo - Máy phát điện xoay chiều hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, có hai bộ phận chính là phần cảm và phần ứng. + Phần cảm: là nam châm điện hoặc nam châm vĩnh cửu dùng để tạo ra từ trường. + Phần ứng: là các cuộn dây dẫn, trong đó xuất hiện suất điện động cảm ứng khi máy hoạt động. - Một trong hai bộ phận chính được đặt cố định gọi là stato; phần còn lại quay quanh một trục gọi là roto. 2. Nguyên tắc hoạt động Các máy phát điện xoay chiều một pha có thể hoạt động theo hai cách: - Cách 1: Phần ứng quay, phần cảm cố định
+ Các máy hoạt động theo cách này có stato là nam châm đặt cố định, roto là khung dây quay quanh một trục trong từ trường tạo bởi stato. + Để dẫn dòng điện ra mạch ngoài, người ta dùng hai vành khuyên đặt đồng trục và cùng quay với khung dây (Hình vẽ). + Mỗi vành khuyên có một thanh quét ép sát. Khi khung dây quay, hai vành khuyên trượt trên hai thanh quét, dòng diện truyền từ khung dây qua hai thanh quét ra mạch ngoài. - Cách 2: Phần cảm quay, phần ứng cố định
+ Các máy hoạt động theo cách này có roto là nam châm, thường là nam châm điện với từ trường được tạo bởi dòng điện một chiều. Các cuộn dây của roto có lõi sắt và xếp thành vòng tròn, quay quanh trục qua tâm vòng tròn. + Stato của máy gồm nhiều cuộn dây có lõi sắt, được sắp xếp cách đều nhau thành một vòng tròn (Hình vẽ). IV. Ứng dụng và quy tắc an toàn khi sử dụng dòng điện xoay chiều 1. Ứng dụng của dòng điện xoay chiều trong cuộc sống - Dòng điện xoay chiều có ưu thế trong việc truyền tải điện năng đi xa, dẫn điện đến các nhà máy, xí nghiệp sản xuất, nơi tiêu thụ có sử dụng dòng điện xoay chiều. - Dòng điện xoay chiều được sử dụng rộng rãi trong cuộc sống là nhờ vào các tác dụng nhiệt, tác dụng từ, tác dụng phát sáng và tác dụng sinh lí của nó. - Các thiết bị như quạt điện, động cơ điện, đèn điện,... đã chuyển hoá năng lượng điện thành các dạng năng lượng khác nhằm đáp ứng các nhu cầu sống, sinh hoạt, lao động, sản xuất,... của con người. - Trong y học, dòng điện xoay chiều được sử dụng để vận hành các thiết bị y tế bao gồm: máy chẩn đoán hình ảnh (như máy chụp cộng hưởng từ, máy siêu âm, máy chụp X- quang) hoặc các máy hỗ trợ điều trị bệnh nhân (như máy sốc điện, máy điện tim),... 2. Quy tắc an toàn khi sử dụng dòng điện xoay chiều Để đảm bảo an toàn khi sử dụng điện xoay chiều, cần tuân thủ những quy tắc an toàn điện dưới đây: + Lắp đặt thiết bị đóng ngắt điện (cầu dao hay aptomat) đúng cách để ngắt dòng điện khi có chập điện hay quá tải. + Lựa chọn thiết bị đóng/ngắt điện phù hợp với công suất sử dụng. + Nơi lắp đặt cầu dao, cầu chì, công tắc, ổ điện phải ở những vị trí cao, khô ráo, thuận tiện. + Giữ khoảng cách an toàn với những khu vực có điện áp cao. + Nối đất vỏ kim loại cho các thiết bị điện (máy giặt, tủ lạnh, bếp điện,...). + Thường xuyên kiểm tra các thiết bị, đường dây điện, thiết bị đóng ngắt bảo vệ điện trong nhà để phòng tránh các sự cố giật diện, cháy nổ,... + Khi nhà bị ngập hoặc bị mưa bão làm tốc mái, cần ngắt cầu dao điện để đảm bảo an toàn. Sơ đồ tư duy về “Máy phát điện xoay chiều”
- Thu gọn
 Chia sẻ Bình luận
Group ôn Thi ĐGNL & ĐGTD Miễn Phí
|
Danh sách bình luận