Đáp án Vật lí 12 kết nối Bài 17: Máy phát điện xoay chiều

BÀI 17. MÁY PHÁT ĐIỆN XOAY CHIỀU

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?

Hướng dẫn chi tiết:

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.

Ví dụ ứng dụng của dòng điện xoay chiều:

- Truyền tải điện năng

- Cung cấp dòng điện cho các động cơ điện, máy móc thiết bị.

- Cung cấp điện cho các phương tiện giao thông như tàu điện, xe điện,…

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?

Hướng dẫn chi tiết:

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: Ta có công thức: 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. Ngoài ra suất điện động cảm ứng còn phụ thuộc vào: 

+ Tốc độ quay của khung dây

+ Số vòng dây dẫn N

+ Diện tích mặt phẳng khung dây S

+ Cảm ứng từ B

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:

Hướng dẫn 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.

Hướng dẫn chi tiết:

1. Để dẫn dòng điện ra mạch ngoài: ta cần sử dụng bộ góp điện. Bộp góp điện bao gồm: 

+ Vành khuyên: hai vành khuyên kim loại được gắn chặt vào trục quay của khung dây 

+ Chổi quét: 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 qua hai vành khuyên và hai chổi quét, tạo thành dòng điện trong mạch ngoài.

2. Nguyên tắc tạo ra suất điện động xoay chiều: dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ.

- 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.

Ví dụ: máy phát điện xoay chiều: máy phát điện xoay chiều hoạt động dựa trên nguyên tắc cho khung dây dẫn kín quay trong từ trường đều.

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, dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn dây khác.

- Suất điện động cảm ứng: Khi khung dây dẫn kín đặt trong từ trường biến thiên, sẽ sinh ra suất điện động cảm ứng E trong khung dây.

- 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.

Sau đây là một số phương án tạo dòng điện xoay chiều: 

+ Sử dụng máy phát điện xoay chiều.

+ Sử dụng máy biến tần

+ Sử dụng biến áp

+ …

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.

Hướng dẫn chi tiết:

- Nhìn vào đồ thị ta có: chu kì T=0,02 s, tần số Hz

- Giá trị cực đại A, giá trị hiệu dụng của cường đọo dòng điện xoay chiều  là: A

Pha ban đầu của cường độ dòng điện xoay chiều 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).

Hướng dẫn 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?

Hướng dẫn chi tiết:

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: 

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

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

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.

Hướng dẫn chi tiết: