Đáp án Vật lí 12 chân trời Bài 13: Đại cương về dòng điện xoay chiều

BÀI 13. ĐẠI CƯƠNG VỀ DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU

MỞ ĐẦU

Câu hỏi: Nhà máy thủy điện Hòa Bình (13.1) là một trong số các nhà máy thủy điện nổi tiếng ở Việt Nam, với tổng sản lượn điện sản xuất kể từ khi được đưa vào vận hành đến tháng 9/2023 là 270 tỉ kW.h (Nguồn: EVN). Dòng điện được tạo ra và truyền đi từ nhà máy điện đến nơi tiêu thụ dòng điện xoay chiều. Vậy dòng điện xoay chiều có những đặc điểm gì?

Hướng dẫn chi tiết:

Dòng điện xoay chiều là dòng điện có cường độ biến thiên điều hòa theo thời gian. Khi nối hai đầu khung dây với mạch ngoài tiêu thụ điện (có điện trở R, tụ điện C hoặc cuộn dây L), những phép đo cho thấy trong mạch xuất hiện dòng điện có cường độ biến thiên diều hoà theo thời gian.

1. DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU

Thảo luận 1: Dựa vào định luật Faraday, đề xuất một số phương pháp tạo ra suất điện động cảm ứng trong khung dây dẫn kín.

Hướng dẫn chi tiết:

Phương pháp tạo ra suất điện động cảm ứng trong khung dây dẫn kín: đặt khung dây trong một từ trường (có thể được tạo ra bởi nam châm, nam châm điện, ống dây có dòng điện chạy qua,...)

- Thay đổi từ thông qua khung dây: di chuyển khung dây trong từ trường, làm cho từ thông qua khung dây biến thiên.

- Sử dụng từ trường biến thiên: cho cuộn dây có dòng điện xoay chiều chạy qua để tạo ra từ trường biến thiên.

- Sử dụng nam châm: di chuyển nam châm, thay đổi từ tính của nam châm

- Sử dụng cuộn dây: thay đổi dòng điện trong cuộn dây, di chuyển cuộn dây.

Thảo luận 2: Hình 13.3 là mô hình máy phát điện xoay chiều đơn giản, bao gồm khung dây (1) được đặt tỏng từ trường của nam châm (2), khung dây được nối với hai vành khuyên (3) và hai thanh quét (4) để đưa dòng điện ra ngoài. Hãy trình bày nguyên tắc tạo suất điện động xoay chiều bởi máy này.

Hướng dẫn chi tiết:

Nguyên tắc tạo suất điện động xoay chiều: 

Khung dây (1) được đặt giữa hai cực của nam châm (2), do đó, khung dây được đặt trong từ trường. Khi trục của khung dây quay, từ thông qua khung dây biến thiên, do đó trong khung dây xuất hiện dòng điện cảm ứng và suất điện động cảm ứng

Luyện tập: Có thể dùng thanh nam châm thẳng để tạo ra dòng điện xoay chiều trong khung dây kín không? Vì sao?

Hướng dẫn chi tiết:

Dòng điện xoay chiều là dòng điện có cường độ biến thiên điều hòa theo thời gian. Để tạo ra dòng điện xoay chiều, cần phải có sự thay đổi từ thông qua khung dây dẫn kín theo chu kỳ. 

Mà từ trường của nam châm thẳng không phải từ trường đều, độ lớn cảm ứng từ ở các điểm khác nhau là khác nhau. Do đó, không thể dùng thanh nam châm thẳng để tạo ra dòng điện xoay chiều.

Để tạo ra dòng điện xoay chiều, cần phải có từ trường biến thiên. Có thể tạo ra từ trường biến thiên bằng cách: thay đổi dòng điện trong cuộn dây dẫn kín, di chuyển nam châm ra vào khung dây dẫn kín,…

Luyện tập: Từ các dụng cụ: 1 khung dây hình chữ nhật có thể quay đều quanh một trục cố định (trục đối xứng của khung và năm trong mặt phẳng khung), 2 vật dẫn, 1 nam châm chữ U tạo ra một từ trường đều đủ rộng, 1 cặp dây dẫn. Em hãy thiết kế phương án thí nghiệm để tạo ra dòng điện xoay chiều.

Hướng dẫn chi tiết:

Thiết kế phương án thí nghiệm để tạo ra dòng điện xoay chiều:

Bước 1: Đặt khung dây ở giữa hai cực của nam châm chữ U

Bước 2: Nối 2 vật dẫn và dây dẫn với khung dây

Bước 3: Quay khung dây hình chữ nhật đều quanh trục của nó

Bước 4: Quan sát sự xuất hiện của dòng điện trong mạch

Bước 5: Quan sát và ghi chép kết quả.

Bước 6: Nhận xét về thí nghiệm em vừa làm và đưa ra các cách khác nhau có thể tạo ra dòng điện xoay chiều.

Thảo luận 3: Quan sát Hình 13.4, hãy xác định độ lệch pha của i(t) và u(t).

Hướng dẫn chi tiết:

Xét đồ thị a (sự biến thiên của điện áp xoay chiều): 

Tại t = 0 → u = 0, đồ thị đi lên → =

Xét đồ thị b (cường độ dòng điện xoay chiều theo thời gian): 

Tại t = 0 → i = I_o, đồ thị đi xuống → =

→ =

Vậy i và u lệch pha một góc 90º.

2. CÁC GIÁ TRỊ HIỆU DỤNG

Thảo luận 4: Nêu ví dụ thực tế chứng tỏ dòng điện xoay chiều cũng có tác dụng nhiệt.

Hướng dẫn chi tiết:

Ví dụ:

 - Bình nóng lạnh: 

+ Bình nóng lạnh sử dụng thanh đốt điện để làm nóng nước.

+ Khi có một dòng điện xoay chiều chạy qua thanh đốt điện, năng lượng điện sẽ chuyển thành nhiệt năng và làm nóng thanh đốt điện, truyền sang nước xung quanh, từ đó làm nóng nước.

- Bếp điện:

+ Bếp điện có mâm điện để đun nóng thức ăn

+ Khi có một dòng điện xoay chiều chạy qua mâm nhiệt, thì năng lượng điện chuyển đổi thành nhiệt năng, nhiệt năng này làm nóng mâm nhiệt và truyền sang nồi để làm chín thức ăn.

Thảo luận 5: Đồng hồ đo điện đa năng hiện số là thiết bị có thể được sử dụng để đo cường độ dòng điện và điện áp của dòng điện xoay chiều. Số hiển thị trên màn hình khi tiến hành đo thể hiện giá trị nào của dòng điện?

Hướng dẫn chi tiết:

Đồng hồ đo điện đa năng hiện số là thiết bị có thể được sử dụng để đo cường độ dòng điện và điện áp của dòng điện xoay chiều . Số hiển thị trên màn hình khi tiến hành đo thể hiện giá trị của cường độ dòng điện hiệu dụng.

Thảo luận 6: Xét dòng điện xoay chiều đi qua đoạn mạch chỉ chứa điện trở R. Đồ thị điện áp - thời gian và cường độ dòng điện - thời gian được mô tả trong Hình 13.5.

a) Hãy xác định giá trị cực đại, giá trị hiệu dụng, chu kì và tần số của cường độ dòng điện và điện áp.

b) Nhận xét về pha dao động của cường độ dòng điện và điện áp.

Hướng dẫn chi tiết:

a) * Điện áp: 

Giá trị cực đại: U_o = 200 (V)

Giá trị hiệu dung: U = (V)

Chu kì: T = 0,02 (s)

Tần số: f = (s^-1)

* Cường độ dòng điện:

Giá trị cực đại: I_o = (V)

Giá trị hiệu dụng: I = (V)

Chu kì: T = 0,02 (s)

Tần số: f = (s^-1)

b) Xét đồ thị a: t = 0 → u = 0, đồ thị đi lên → =

Xét đồ thị b: t = 0 → i = 0, đồ thị đi xuống → =

→ = → u và i dao động cùng pha.

Vậy u và I dao động cùng pha

Vận dụng: Em hãy sắp xếp đúng thứ tự các bước bên dưới để đo giá trị cường độ dòng điện hiệu dụng chạy qua bóng đèn dây tóc bằng cách sử dụng đồng hồ đo điện đa năng hiện số.

• Mắc nối tiếp đồng hồ với đoạn mạch (có bóng đèn dây tóc và khóa K mở) cần đo cường độ dòng điện.
• Đóng khóa K.
• Chọn thang đo thích hợp.
• Khi các chữ số hiển thị trên màn hình đã ổn định, đọc trị số của cường độ dòng điện.
• Ngắt khóa K và tháo mạch điện.
• Kết thúc thao tác đo, nhấn nút ON/OFF để tắt đồng hồ.
• Tìm hiểu các quy tắc an toàn điện.
• Nhấn nút ON/OFF để bật đồng hồ.

Hướng dẫn chi tiết:

Bước 1: Tìm hiểu các quy tắc an toàn điện.

Bước 2: Chọn thang đo thích hợp.

Bước 3: Mắc nối tiếp đồng hồ với đoạn mạch (có bóng đèn dây tóc và khóa K mở) cần đo cường độ dòng điện.

Bước 4: Nhấn nút ON/OFF để bật đồng hồ.

Bước 5: Đóng khóa K.

Bươc 6: Khi các chữ số hiển thị trên màn hình đã ổn định, đọc trị số của cường độ dòng điện.

Bước 7: Kết thúc thao tác đo, nhấn nút ON/OFF để tắt đồng hồ.

Bước 8: Ngắt khóa K và tháo mạch điện.

3. ỨNG DỤNG DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU TRONG CUỘC SỐNG

Thảo luận 6: Theo em, để giảm hao phí điện năng trong quá trình truyền tải điện từ nhà máy điện đến nơi tiêu thụ, cần tối thiểu bao nhiêu máy biến áp?

Hướng dẫn chi tiết:

Để giảm hao phí điện năng trong quá trình truyền tải điện từ nhà máy điện đến nơi tiêu thụ, cần tối thiểu 2 máy biến áp: 1 máy tăng thế ở đầu đường dây tải điện và 1 máy hạ thế ở nơi tiêu thụ. Ngoài ra còn phụ thuộc vào các yếu tố như:

- Chiều dài đường dây truyền tải: nhà máy điện ở càng xa thì hao phí điện năng trên đường dây càng lớn.

- Điện áp: điện áp càng cao thì hao phí điện năng trên đường dây càng nhỏ

- Loại dây dẫn: dây dẫn có tiết diện càng lớn, điện trở càng nhỏ, hao phí điện năng càng nhỏ.

Thảo luận 7: Liệt kê một số đồ dụng sinh hoạt trong gia đình có sự chuyển hóa điện năng chủ yếu thành nhiệt năng hoặc cơ năng.

Hướng dẫn chi tiết:

- Vật dụng có sự chuyển hóa điện năng thành nhiệt năng: 

+ bàn là: sử dụng điện trở để tạo ra nhiệt độ cao, giúp là phẳng quần áo

+ lò nướng: sử dụng thanh điện trở hoặc quạt gió để tạo ra nhiệt độ cao, giúp nước chín thức ăn.

+ bếp điện, máy sấy tóc, lò vi sóng, máy giặt sấy,…

- Vật dụng có sự chuyển hóa điện năng thành cơ năng:

+ quạt điện: sử dụng động cơ điện để tạo ra chuyển động quay của cánh quạt, giúp tạo ra gió.

+ máy bơm nước, tủ lạnh, máy giặt,…

4. QUY TẮC AN TOÀN ĐIỆN

Thảo luận 8: Quan sát Hình 13.8 và liệt kê những điều nên và không nên làm để đảm bảo an toàn khi sử dụng điện trong gia đình.

Hướng dẫn chi tiết:

* Những điều nên làm để đảm bảo an toàn khi sử dụng điện trong gia đình:

Hình b: Nên rút thiết bị điện khi không sử dụng

Hình c: Kiểm tra hệ thống mạng điện và bảo trì thiết bị điện định kì

* Những điều không nên làm để đảm bảo an toàn khi sử dụng điện trong gia đình:

Hình d: Không để dây điện lên vậy dễ cháy như bếp gas

Hình e: Tránh sử dụng thiết bị điện khi đang sạc

Hình f: Không nên cho nước vào bàn là đang cắm điện

Hình a: Không chạm vào dụng cụ sử dụng điện khi tay ướt

Luyện tập: Hãy nêu một số quy tắc an toàn điện trong phòng thí nghiệm

Hướng dẫn chi tiết:

Một số quy tắc an toàn điện trong phòng thí nghiệm:

- Trách tiếp túc với các mạch điện bằng tay hoặc vật liệu ướt

- Không sử dụng hoặc cất giữ các dung môi dễ cháy gần thiết bị điện

- Chỉ sử dụng các dụng cụ và thiết bị có tay cầm không dẫn điện khi làm việc với các thiết bị điện

- Tắt nguồn của bất kỳ thiết bị nào trước khi kiểm tra. 

- Khi tắt các công tắc an toàn hãy đeo găng tay cách điện và quay mặt khỏi hộp trước khi kéo tay cầm xuống

- Cắt móng tay ngắn gọn và tháo trang sức kim loại.

- Làm việc quan sát, tỉ mỉ, tuân thủ hướng dẫn thí nghiệm

Vận dụng: Tìm hiểu và trình bày một số quy tắc an toàn điện trong sản xuất và kinh doanh.

Hướng dẫn chi tiết:

Một số quy tắc an toàn điện trong sản xuất và kinh doanh:

- Chỉ những người có chuyên môn về điện và đã qua huấn luyện an toàn điện mới được bảo dưỡng, sửa chữa, cải tạo, lắp đặt thiết bị điện;

- Không tự tiện ấn nút hoặc đóng ngắt cầu dao, áptomat ngoài chức trách của mình (nhất là đối với các máy bơm, máy nén, quạt gió…);

- Phải ngắt thiết bị ra khỏi nguồn điện và nối đất thiết bị trước khi bảo dưỡng, sửa chữa;

- Khi bảo dưỡng, sửa chữa thiết bị điện ít nhất phải có 2 người tham gia, thực hiện các bước cô lập điện, treo biển cảnh báo cấm đóng điện tại cầu dao nguồn trong suốt quá trình làm việc, đặt các thiết bị/ dụng cụ điện trên mặt bằng khô ráo, sử dụng “qui trình làm việc” và tuân theo “giấy phép làm việc điện”, sau khi kết thúc công việc phải nghiệm thu, trả giấy phép và thông báo để người vận hành đưa thiết bị vào hoạt động;

- Không tự tiện đi vào vùng nguy hiểm của thiết bị điện hoặc đường dây dẫn điện và không tự ý đấu nối thay đổi hệ thống điện;

- Tại ví trí có dòng điện cao thế phải treo bảng cảnh báo nguy hiểm;

- Không bố trí thiết bị điện trên mặt bằng ẩm ướt có khả năng dẫn điện hoặc dễ trượt ngã, sập đổ;

- Ngắt khỏi nguồn điện các thiết bị, dụng cụ điện khi không sử dụng;

- Khi làm việc trên cao phải đeo dây an toàn;

- Phải mang quần áo khô, đi giày cách điện, đội mũ khi đi vào vùng nguy hiểm về điện;

- Tháo đồ kim loại trên người, mặc quần áo khô, đeo găng, mang ủng cách điện, dụng cụ cách điện phù hợp khi việc với thiết bị đang mang điện;

- Khi phát hiện thấy điều bất thường (mùi khét, khói, tia lửa điện…) phải lập tức báo để người vận hành ngừng ngay thiết bị.

BÀI TẬP

1. Trong các biểu thức dưới đây (trong đó t được đo bằng s), biểu thức nào biểu diễn đúng cường độ dòng điện xoay chiều có chu kì 0,02 s và giá trị hiệu dụng là ?

A. i = cos(100 (A)                       B. i = cos(50 (A)

C. i = cos(100 (A)                          D. i = cos(50 (A)

Hướng dẫn chi tiết:

I_o = = 2 (A); (rad/s)

Đáp án C.

Đáp án B, D loại bởi vì tấn số góc sai.

Đáp án A loại bởi vì giá trị cực đại sai.

2. Dựa vào Hình 13P.1, hãy cho biết đường nào là đường biểu diễn sự phụ thuộc của cường độ dòng điện vào thời gian của dòng điện không đổi và dòng điện xoay chiều. Giải thích.

Hướng dẫn chi tiết:

* Với dòng điện xoay chiều, cường độ dòng điện biến thiên điều hòa theo thời gian → Đồ thị hình sin (đường màu đỏ) thể hiện sự phụ thuộc của I vào t.

Bởi vì cường độ dòng điện biến thiên điều hoà theo thời gian nên đồ thị mới có dạng hình sin.

* Với dòng điện không đổi, cường độ dòng điện không đổi theo thời gian → Đồ thị đường thẳng nằm ngang (đường màu đỏ) thể hiện sự phụ thuộc của I vào t.

Bởi vì cường độ dòng điện không đổi theo thời gian có dạng đồ thị đường thẳng nằm ngang.

3. Xét một mạch tạo sóng với đầu ra được nối với một dao động kí điện tử dùng để hiện thị mối liên hệ giữa cường độ của tín hiệu điện áp theo thời gian. Dựa vào hình ảnh quan sát được trên màn hình của dao động kí điện tử trong Hình 13P.2, hãy xác định tần số của dòng điện xoay chiều được tạo ra bởi mạch tạo sóng âm tần nói trên. Biết mỗi ô trên trục hoành ứng với khoảng thời gian 0,5ms.

Hướng dẫn chi tiết:

Ta dùng phương pháp đếm ô để tính được chu kì và tần số của dòng điện.

Chu kì của dòng điện là: T = 4 ô = 0,5.4 = 2 (ms);

Tần số của dòng điện là: f = (ms^-1)

4. Cường độ dòng điện xoay chiều qua một đoạn mạch có biểu thức i = 3cos( (A), trong đó t được đo bằng s. Biết rằng trong thời gian 0,1 s thì dòng điện tăng từ giá trị 0 A đến 3 A. Hãy tính tần số góc của dòng điện.

Hướng dẫn chi tiết:

Biểu thức: I = 3cos()

Trong 0,1s, i tăng từ 0 đến I_o → → T = 0,4 (s)

Tần số góc của dòng điện là: (rad/s)

Vậy tần số góc của dòng điện là (rad/s)