Giải chi tiết Vật lí 12 KNTT bài 17: Máy phát điện xoay

KHỞI ĐỘNG

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

Bài làm chi tiết:

Dòng điện xoay chiều được sử dụng rất phổ biến trong đời sống. Dòng điện xoay chiều được tạo ra dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ là làm cho từ thông qua khung dây dẫn biến thiên điều hoà theo thời gian.

I. NGUYÊN TẮC TẠO RA DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU

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?

Bài làm chi tiết:

Khung dây dẫn trong Hình 17.2 .Suất điện động có giá trị cực đại khi góc hợp giữa vecto pháp tuyến của mặt phẳng kín và vecto cảm ứng từ bằng 90°. 

Bởi Vì: Công thức của suất điện động cảm ứng: mà

Khi cảm ứng từ vuông góc với mặt phẳng vòng dây thì nên thì từ thông sẽ lớn nhất, từ đó suất điện động có giá trị cực đại.

Câu hỏi 2: Giải sử tại thời điểm t, từ thông qua khung dây dẫn phẳng MNPQ là:

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

Bài làm chi tiết:

Từ công thức này ta có:

Coi

Hoạt động: 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 (Hình17.2)?

2. Thảo luận về:

- Nguyên tắc tạo ra suất điện động xoay chiều.

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

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

Bài làm chi tiết:

1. Để dẫn dòng điện ra mạch ngoài khi khung dây dẫn quay đều trong từ trường (Hình17.2): ta cần sử dụng bộ góp điện. Bộp góp điện bao gồm: hai vành khuyên kim loại được gắn chặt vào trục quay của khung dây, hai chổi quét tì vào hai vành khuyên, mạch điện ngoài được nối với hai chổi than.

Khi khung dây quay trong từ trường, dòng điện cảm ứng sẽ xuất hiện trong khung dây. Dòng điện này sẽ chạy qau hai vành khuyên và hai chổi quét, tạo thành dòng điện trong mạch ngoài.

2. Nguyên tắc tạo ra suất điện động xoay chiều: 

- Cảm ứng điện từ: khi khung dây dẫn quay trong từ trường, suất điện động cảm ứng sẽ xuất hiện trong khung dây.

- Biến thiên từ thông: suất điện động cảm ứng tỉ lệ thuận với tốc độ biến thiên từ thông qua khung dây.

- Hướng của dòng điện cảm ứng: Theo định luật Lenz, chiều dòng điện cảm ứng sẽ chống lại sự biến thiên từ thông qua khung dây.

Các yếu tố cần để tạo ra dòng điện xoay chiều là:

- Khung dây dẫn: phải được quấn bằng dây dẫn điện.

- Từ trường: khung dây dẫn phải quay trong từ trường.

- Bộ góp điện: bộ góp điện giúp dẫn dòng điện từ khung dây ra mạch ngoài.

Thiết kế phương án tạo ra dòng điện xoay chiều:

- Chọn khung dây dẫn: khung dây dẫn có thể được quấn bằng nhiều vòng dây để tăng giá trị suất điện động cảm ứng.

- Chọn từ trường: có thể sử dụng nam châm vĩnh cửu hoặc điện nam châm để tạo ra từ trường.

- Chọn tốc độ quay: Tốc độ quay của khung dây càng lớn, suất điện động cảm ứng càng lớn.

- Thiết kế bộ góp điện: bộ góp điện phải được thiết kế phù hợp với tốc độ quay của khung dây.

II. DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU

Hoạt động: 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.

Bài làm chi tiết:

- Nhìn vào đồ thị ta xác định được chu kì T=0,02 s, tần số Hz

- Giá trị cực đại A, giá trị hiệu dụng là: A

Pha ban đầu là:

- Biểu thức cường độ dòng điện theo thời gian là: 

A

III. MÁY PHÁT ĐIỆN XOAY CHIỀU

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 trong từ trường đều có cảm ứng từ ( vuông góc với trục quay của khung).

Bài làm chi tiết:

Biểu thức suất điện động của máy phát điện xoay chiều là:

Câu hỏi 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?

Bài làm chi tiết:

Vành khuyên và chổi quét giúp dẫn điện từ khung dây ra mạch ngoài mà không bị xoắn do khung dây quay do đó 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.

IV. ỨNG DỤNG VÀ QUY TẮC AN TOÀN KHI SỬ DỤNG DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU

Hoạt động 1: 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.

Bài làm chi tiết:

1. Ngoài thắp sáng, chạy máy. Dòng điện xoay chiều được ứng dụng trong truyền tải điện năng, các thiết bị điện tử như ti vi, máy tính,…, động cơ điện,….

2. Các biện pháp giảm hao phí trong truyền tải điện năng đi xa bằng dòng điện xoay chiều là: tăng điện áp truyền tải, giảm tiết diện dây dẫn, sử dụng dây dẫn có độ dẫn điện cao, nâng cao hệ số công suất, giảm chiều dài đường dây, sử dụng phương pháp truyền tải điện năng hiện đại,…

Hoạt động 2: 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.

Bài làm chi tiết:

1. Ý nghĩa:Biển báo an toàn điện đóng vai trò quan trọng trong việc cảnh báo nguy hiểm, hướng dẫn sử dụng điện an toàn và phòng ngừa tai nạn điện. Hiểu rõ ý nghĩa của các biển báo này là điều cần thiết để đảm bảo an toàn cho bản thân và những người xung quanh.

Ví dụ: biểm cấm: “ cấm đụng chạm vào thiết bị điện”, “ cấm cắt điện trái phép”

Biển cảnh báo: “ điện cao áp nguy hiểm chết người”, “ chỗ nguy hiểm có thể xảy ra tai nạn điện”

Biển chỉ dẫn: “ cách sử dụng điện an toàn”, “ vị trí thiết bị điện”,…

2. Không nên sử dụng thiết bị điện trong quá trình sạc pin vì những lí do sau đây:

- Giảm tuổi thọ pin: khi vừa dùng vừa sạc khiến pin bị chai, nhanh hỏng, nhanh phải thay pin, có nguy cơ khiến pin bị phồng gây nổ.

- Nguy cơ an toàn: vừa dùng vừa sạc khiến pin nhanh nóng, gây chập điện, cháy nổ, nguy hiểm hơn là bị điện giật.

- Pin sạc sẽ bị chậm hơn.

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

- Đảm bảo an toàn cho tất cả thành viên trong gia đình

- Hạn chế nguy cơ cháy nổ, ngăn chặn được luôn khi nguồn điện xảy ra vấn đề.

- Giúp tiết kiệm điện, tắt các thiết bị khi không sử dụng, giảm hao phí điện năng.

- Lắp đặt những vị trí phù hợp thì sẽ tăng thêm tính thẩm mĩ cho ngôi nhà

- Thuận tiện cho việc sử dụng vừa phù hợp với trẻ em và người già.

4. Cần lựa chọn thiết bị điện có chất lượng, có công suất phù hợp với mạng lưới điện vì:

- Đảm bảo độ an toàn: thiết bị kém thì nguy cơ hỏng hóc, chập điện cao, thiết bị tốt, công suất phù hợp thì sẽ đảm bảo được những điều trên tốt hơn.

- Giúp tiết kiệm điện: khi chọn công suất phù hợp thì giúp tránh lãng phí điện, vừa đạt hiệu suất cao lại vừa tiết kiệm

- Thiết bị chất lượng thì độ bền cũng lâu hơn, tuổi thọ cao, ít hỏng hơn.

- Giúp bảo vệ môi trường: thiết bị tốt thì sẽ lâu hỏng, từ đó sẽ giảm rác thải điện tử ra ngoài môi trường.

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

- Giúp phòng ngừa tai nạn điện

- Giảm nguy cơ bị điện giật

- Đảm bảo hoạt động hiệu quả

- Tiết kiệm điện

- Bảo vệ tính mạng con người và môi trường xung quanh

- Tạo môi trường sống an toàn

- Nâng cao trách nhiệm trong việc sử dụng cũng như tiết kiệm điện.

Em có thể: 

- Nêu được ý nghĩa của các thông số ghi trên các thiết bị điện.

- Giải thích được cách tạo ra dòng điện xoay chiều trong nhà máy thuỷ điện.

- Đề xuất được một số biện pháp sử dụng điện an toàn trong gia đình.

Bài làm chi tiết:

- Ý nghĩa của các thông số ghi trên các thiết bị điện là:

+ U: hiệu điện thế định mức (V-vôn)

+ I: cường độ dòng điện (A-ampe)

+ W: công suất định mức

+ Một số kí hiệu khác như hãng sản xuất, xuất sứ,…

- Cách tạo ra dòng điện xoay chiều trong nhà máy thuỷ điện là:

+ Nước làm quay tuabin: nước từ hồ chứa được dẫn qua đường ống áp lực và tác động vào các cánh tuabin. Lực nước làm quay tuabin với tốc độ cao.

+ Tuabin làm quay máy phát điện: trục quay tuabin được nối trực tiếp với trục của máy phát điện. Khi tuabin quay, nó sẽ làm quay rotor của máy phát điện.

+ Cảm ứng điện từ tạo ra dòng điện xoay chiều: Rotor của máy phát điện quay trong từ trường của stator. Theo nguyên tắc cảm ứng điện từ, sự chuyển động tương đối giữa từ trường và dây dẫn sẽ tạo ra dòng điện. Dòng điện được tạo ra trong stator là dòng điện xoay chiều.

+ Biến áp tăng điện áp:Dòng điện xoay chiều được tạo ra có điện áp thấp. Để truyền tải điện đi xa, cần phải tăng điện áp lên cao. Máy biến áp sẽ thực hiện chức năng tăng điện áp lên mức phù hợp cho việc truyền tải.

+Truyền tải điện: Dòng điện xoay chiều sau khi được biến áp sẽ được truyền tải đi xa qua hệ thống lưới điện.

+ Sử dụng điện: Dòng điện xoay chiều được truyền tải đến các hộ gia đình và khu công nghiệp. Điện năng được sử dụng để cung cấp cho các thiết bị điện như bóng đèn, quạt máy, máy lạnh,...

• Những biện pháp sử dụng điện an toàn trong gia đình là:

+ Sử dụng ổ cắm điện có nắp che và dây tiếp địa.

+ Hệ thống điện cần được kiểm tra định kì và sửa chữa khi cần thiết.

+ Sử dụng dây dẫn phù hợp an toàn và hiệu quả.

+ Không sử dụng điện trong nhà tắm, khu vực ẩm ướt

+ Tắt điện khi không sử dụng.

+ Giáo dục các thành viên trong gia đình về sử dụng điện sao cho an toàn.