Giải chi tiết chuyên đề Vật lí 12 KNTT bài 3: Máy biến áp

KHỞI ĐỘNG

Câu hỏi: Máy biến áp có vai trò rất quan trọng trong truyền tải điện năng đi xa. Vậy máy biến ám có cấu tạo và nguyên tắc hoạt động như thế nào?

Bài làm chi tiết:

* Cấu tạo máy biến áp gồm:

- Một cuộn dây được nối với nguồn điện xoay chiều, gọi là cuộn sơ cấp;

- Một cuộn dây được nối với tải tiêu thụ điện năng, gọi là cuộn thứ cấp;

- Lõi biến áp;

- Các bộ phận khác: vỏ máy, bộ phận làm mát, chống sét,...

* Nguyên tắc hoạt động: Nguyên tắc hoạt động của máy biến áp là dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ. Khi đặt điện áp xoay chiều ở 2 đầu cuộn dây sơ cấp, sẽ gây ra sự biến thiên từ thông ở bên trong 2 cuộn dây. Từ thông này đi qua cuộn sơ cấp và thứ cấp, trong cuộn thứ cấp sẽ xuất hiện suất điện động cảm ứng và làm biến đổi điện áp ban đầu.

I. MÁY BIẾN ÁP

1. Cấu tạo

Câu hỏi: Tại sao lõi biến áp không làm bằng sắt nguyên khối mà bằng các lá thép được ghép cách điện với nhau?

Bài làm chi tiết:

Khi có dòng điện chạy trong cuộn dây máy biến áp sẽ sinh ra một từ trường biến đổi, từ trường này sinh ra trong lõi thép dòng điện Fucô (hay còn gọi là dòng điện xoáy, dòng điện quẩn).

Dòng điện Fucô luôn sinh ra một từ trường ngược chống lại nguyên nhân gây ra nó, đồng thời năng lượng của các dòng Fucô bị chuyển hóa thành nhiệt làm máy nhanh bị nóng. Do các nguyên nhân đó một phần năng lượng bị hao phí và làm giảm hiệu suất máy biến áp. 

Để hạn chế dòng Fucô phải tìm cách làm tăng điện trở của các lõi sắt. 

Do đó, lõi sắt được dùng bằng nhiếu lá sắt mỏng, sơn cách điện ghép lại với nhau sao cho tạo thành các lát cắt song song với chiều của từ trường. Vì các lá thép lõi sắt có kích thước nhỏ, do đó có điện trở lớn. Dòng điện Fucô sẽ chỉ chạy trong từng lá mỏng. nên cường độ dòng điện Fucô trong các lá đó giảm đi. 

Khoảng cách giữa các lá thép phải kín, không có không khí lọt vào để đảm bảo hiệu quả tối đa dẫn từ. Đồng thời không phát sinh tiếng kêu do các lá thép rung đập vào nhau.

2. Nguyên tắc hoạt động

Câu hỏi 1: Từ thông qua một vòng dây của cuôn sơ cấp có biểu thức: 

₀cos

Vận dụng định luật Faraday về cảm ứng điện từ để chứng minh tỉ số giữa suất điện động hiệu dụng trong cuộn thứ cấp và cuộn sơ cấp bằng tỉ số giữa vòng dây của hai cuộn đó.

Bài làm chi tiết:

Từ thông biến thiên qua cuộn dây sơ cấp là: ₁ = N₁. = N₁.₀cos

Do máy biến áp có lõi kín nên có thể coi mọi đường sức từ chỉ chạy trong lõi biến áp. Như vậy, từ thông qua mỗi vòng dây ở cuộn sơ cấp và thứ cấp là như nhau, nên từ thông trong cuộn dây thứ cấp là: ₂ = N₂. = N₂.₀cos

Theo định luật Faraday, ta có suất điện động cảm ứng sinh ra do biến thiên của từ thông qua cuộn sơ cấp và thứ cấp lần lượt là:

e₁ = - ;                           e₂ = -

→

Câu hỏi 2: Nêu nguyên tắc hoạt động của máy biến áp

Bài làm chi tiết:

Máy biến áp hoạt động dựa trên nguyên tắc của hiện tượng cảm ứng điện từ.

Nguồn phát điện tạo nên một điện áp xoay chiều tần số f ở hai đầu cuộn sơ cấp. Dòng xoay chiều trong cuộn sơ cấp gây ra biến thiên từ thông trong hai cuộn dây, tạo ra điện áp khác nhau giữa hai đầu mỗi cuộn dây

II. TRUYỀN TẢI ĐIỆN NĂNG

Hoạt động 1: Hãy giải thích tại sao trong thực tế truyền tải điện năng đi xa người ta thường chỉ sử dụng phương án b và d.

Bài làm chi tiết:

Hao phí trên đường truyền tải điện được tính theo công thức: P_hp =

Trong thực tế truyền tải điện năng đi xa người ta thường chỉ sử dụng:

- Phương án b: Sử dụng dây dẫn có điện trở suất nhỏ như đồng, nhôm…để giảm điện trở của dây, từ đó giảm hao phí. Đây là phương án tốn ít chi phí nhưng có hiệu quả cao;

- Phương án d: Tăng điện áp hiệu dụng ở nhà máy phát điện khi đưa lên đường dây và giảm điện áp hiệu dụng ở nơi tiêu thụ tới giá trị cần thiết. Vì điện áp càng lớn, hap phí càng giảm (khi tăng điện áp lên gấp 10 lần, thì hao phí giảm 100 lần).

Người ta hạn chế sử dụng:

- Phương án a: giảm khoảng cách truyền từ nhà máy đến nơi tiêu thụ. Vì trên thực tế, nhà máy phát điện có quy mô to nên thường được đặt ở những khu riêng biệt, xa nội thành, gần sông, hồ…Nơi tiêu thụ thường là những khu dân cư, đô thị,...Vì vậy, rất khó để giảm khoảng cách truyền từ nhà máy đến nơi tiêu thụ.

- Phương án c: tăng tiết diện dây dẫn. Vì khi tăng tiết diện sẽ dẫn đến hao phí, tốn kém. Và dây dẫn quá to sẽ dẫn đến cồng kềnh trong quá trình truyền tải điện đi xa.

Câu hỏi 2: Thảo luận để đánh giá vai trò của máy biến áp trong việc giảm hao phí năng lượng điện khi truyền tải điện năng đi xa.

Bài làm chi tiết:

Khi đặt một máy tăng áp ở đầu đường dây truyền tải điện, điện áp sẽ tăng lên giúp giảm hao phí trong quá trình truyền tải một cách hiệu quả nhất. Khi đến nơi tiêu thụ, ta đặt một máy hạ áp ở cuối đường dây để điện áp được hạ xuống phù hợp với mục đích sử dụng.

Câu hỏi 3: Nêu ưu điểm của dòng điện và điện áp xoay chiều trong truyền tải năng lượng điện về phương diện khoa học và kinh tế.

Bài làm chi tiết:

Dòng điện xoay chiều phù hợp cho việc truyền tải điện năng xa vì có các ưu điểm sau:

- Khả năng truyền điện xa: Dòng điện xoay chiều có khả năng truyền tải điện năng xa một cách dễ dàng và thuận tiện. Điều này là do dòng điện xoay chiều có thể tăng hoặc hạ điện áp dễ dàng thông qua máy biến áp, giúp điều chỉnh điện áp theo yêu cầu. Do đó, việc truyền tải điện năng qua các đường dây điện dài và xa không gặp nhiều khó khăn.

- Giảm hao phí: Với dòng điện xoay chiều, ta có thể sử dụng máy biến áp để tăng hoặc hạ điện áp dễ dàng. Điều này giúp giảm hao phí trong quá trình truyền tải điện năng xa, so với việc sử dụng dòng điện một chiều cần sử dụng các thiết bị điều chỉnh điện áp phức tạp hơn.

- Tiện lợi và linh hoạt: Máy biến áp dùng trong hệ thống dòng điện xoay chiều giúp dễ dàng điều chỉnh và kiểm soát điện áp. Điều này cho phép hệ thống có khả năng thích ứng và linh hoạt hơn trong việc truyền tải điện năng xa, đặc biệt khi có sự thay đổi về tải trọng hoặc điều kiện mạng lưới.

- Hiệu quả cao: Dòng điện xoay chiều có hiệu suất truyền tải điện cao hơn so với dòng điện một chiều. Điều này giúp tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu tổn thất trong quá trình truyền tải điện năng xa.

Tổng hợp lại, dòng điện xoay chiều thích hợp cho truyền tải điện năng xa do có khả năng truyền điện xa dễ dàng, giảm hao phí, tiện lợi và linh hoạt, cũng như hiệu suất truyền tải cao.

Câu hỏi: Trong truyền tải điện năng đi xa, dòng điện xoay chiều có ưu điểm gì do với dòng điện một chiều.

Bài làm chi tiết:

Khi truyền tải dòng điện đi xa, nhờ có thể tăng, giảm hiệu điện thế nhờ máy biến áp nên hao phí do tỏa nhiệt giảm đáng kể. Đó là lợi thế của dòng điện xoay chiều so với dòng điện một chiều.