Chương III · SGK trang 72–77 · Dòng điện xoay chiều · Máy phát điện · An toàn điện
Phân tích sự biến thiên từ thông khi khung dây quay đều trong từ trường; từ định luật Faraday suy ra suất điện động xoay chiều và sự phụ thuộc vào \(N,B,S,\omega\).
Nhận biết \(u,i\) tức thời, biên độ, chu kì, tần số, tần số góc và pha; đọc đồ thị sin/cosin theo mốc thời gian cho trước.
Tính \(U=U_0/\sqrt2\), \(I=I_0/\sqrt2\) đối với tín hiệu hình sin; giải thích ý nghĩa tác dụng nhiệt trên điện trở thuần.
Nêu cấu tạo phần cảm, phần ứng, rôto và stato; mô tả hai cách bố trí; phân tích ứng dụng, quy tắc an toàn điện trong sinh hoạt.
Xét cuộn dây phẳng gồm \(N\) vòng giống nhau, mỗi vòng diện tích \(S\), quay đều với tốc độ góc \(\omega\) quanh trục vuông góc các đường sức từ của từ trường đều \(\vec B\). Chọn gốc thời gian \(t=0\) lúc pháp tuyến dương của khung cùng chiều \(\vec B\). Giả sử \(B,S,N\) không đổi.
\(\Phi\): Wb/vòng; \(\Psi=N\Phi\): Wb-vòng; \(B\): T; \(S\): m²; \(\omega\): rad/s; \(t\): s.
Điều kiện: từ trường đều, trục quay vuông góc \(\vec B\), khung quay đều và gốc thời gian được chọn như trên.
\(e\) (V) là suất điện động tức thời có dấu; \(E_0\) (V) là độ lớn cực đại. Viết tương đương \(e=E_0\cos(\omega t-\pi/2)\) theo mốc đã chọn.
Nếu gốc thời gian khác: \(e=E_0\cos(\omega t+\varphi_0)\). Không tùy ý lấy \(e=E_0\cos\omega t\) trong khi vẫn giữ điều kiện \(\Phi(0)=+NBS\).
\(T\) tính bằng s, \(f\) tính bằng Hz. Một vòng quay tạo một chu kì suất điện động trong mô hình cuộn quay một cặp cực; với máy thực nhiều cặp cực, số chu kì mỗi vòng cơ học có thể lớn hơn một.
Khi mạch tiêu thụ được nối với nguồn xoay chiều, điện áp và dòng điện có thể cùng tần số nhưng khác pha, tùy mạch. Chỉ với điện trở thuần lí tưởng thì điện áp và dòng điện cùng pha.
\(u,U_0\): V; \(i,I_0\): A; pha \(\omega t+\varphi\): rad; \(\Delta\varphi=\varphi_u-\varphi_i\). Biên độ \(U_0,I_0\) không âm.
\(I,U\) là giá trị hiệu dụng, xác định theo tác dụng nhiệt tương đương của dòng điện không đổi trên cùng điện trở trong khoảng thời gian chứa nhiều chu kì.
Chỉ áp dụng hệ số \(1/\sqrt2\) cho dạng hình sin thuần; không áp dụng máy móc cho mọi dạng sóng.
Trong trường hợp mạch chỉ có điện trở thuần và \(u,i\) cùng pha, \(P\) (W), \(R\) (Ω), \(U\) (V), \(I\) (A). Không dùng \(P=UI\) cho tải bất kì nếu chưa xét hệ số công suất.
| Thuật ngữ | Ý nghĩa chính xác | Ví dụ |
|---|---|---|
| Phần cảm | Bộ phận tạo từ trường | Nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện |
| Phần ứng | Cuộn dây dẫn xuất hiện suất điện động cảm ứng | Các cuộn dây có lõi sắt |
| Rôto | Bộ phận quay | Có thể là phần cảm hoặc phần ứng |
| Stato | Bộ phận đứng yên | Có thể là phần cảm hoặc phần ứng |
| Kiểu cuộn quay | Phần ứng quay, lấy điện bằng hai vành khuyên và chổi quét | Mô hình máy phát đơn giản |
| Kiểu nam châm quay | Phần cảm quay, phần ứng đứng yên, lấy điện trực tiếp từ stato | Máy phát điện công suất lớn thường dùng |
\(p\) là số cặp cực (số nguyên dương), \(n\) là tốc độ quay vòng/phút (rpm), \(f\) là tần số (Hz). Đây là mô hình máy phát đồng bộ; không nhầm số cực là số cặp cực.
Dòng điện xoay chiều dùng cho chiếu sáng, sưởi, vận hành động cơ và các thiết bị. Trong nhà máy thủy điện, cơ năng từ tua-bin được chuyển thành điện năng nhờ cảm ứng điện từ. Có thể nâng/hạ điện áp xoay chiều bằng máy biến áp để hỗ trợ truyền tải điện năng hiệu quả.
Cuộn \(N=200\) vòng, \(S=50\,\mathrm{cm^2}\), \(B=0{,}20\,\mathrm T\), quay đều \(f=50\,\mathrm{Hz}\). Tính \(E_0\).
Giải: \(S=0{,}005\,\mathrm{m^2}\), \(\omega=100\pi\,\mathrm{rad/s}\); \(E_0=200\times0{,}20\times0{,}005\times100\pi=20\pi\approx62{,}83\,\mathrm V\).
Cuộn quay có \(\Phi(0)=BS\) cực đại dương và \(\omega=20\pi\,\mathrm{rad/s}\), \(E_0=12\,\mathrm V\). Viết \(e(t)\).
Giải: \(\Phi\sim\cos\omega t\); \(e=-N\,d\Phi/dt=+E_0\sin\omega t\), nên \(e(t)=12\sin(20\pi t)\,\mathrm V\).
Dòng điện \(i=4\cos(100\pi t+\pi/3)\,\mathrm A\). Tính \(f,T\).
Giải: \(\omega=100\pi\), \(f=\omega/(2\pi)=50\,\mathrm{Hz}\), \(T=1/50=0{,}020\,\mathrm s\).
Dòng xoay chiều hình sin có \(I_0=5\sqrt2\,\mathrm A\). Tính \(I\).
Giải: \(I=I_0/\sqrt2=5\,\mathrm A\). Cần phân biệt dòng hiệu dụng với dòng tức thời tại thời điểm xét.
Điện áp hình sin có giá trị hiệu dụng \(U=220\,\mathrm V\). Tính biên độ \(U_0\).
Giải: \(U_0=U\sqrt2=220\sqrt2\approx311{,}13\,\mathrm V\). Đây là đỉnh giá trị tức thời, không phải điện áp hiệu dụng ghi trên thiết bị.
Điện trở thuần \(R=44\,\Omega\) được đặt dưới điện áp xoay chiều hình sin \(U=220\,\mathrm V\) (hiệu dụng). Tính \(I\), \(P\).
Giải: \(I=U/R=5\,\mathrm A\); \(P=UI=1100\,\mathrm W\) (bỏ qua sai lệch linh kiện, coi R không đổi).
Máy phát đồng bộ có \(p=2\) cặp cực, rôto quay đều \(n=1500\,\mathrm{vòng/phút}\). Tính \(f\).
Giải: \(f=pn/60=2\times1500/60=50\,\mathrm{Hz}\). Một vòng cơ học tạo hai chu kì điện.
Cho \(u=100\cos(100\pi t)\,\mathrm V\), \(i=2\cos(100\pi t-\pi/3)\,\mathrm A\). Xác định độ lệch pha và độ lớn cực đại.
Giải: \(\Delta\varphi=\varphi_u-\varphi_i=\pi/3\); dòng điện trễ pha so với điện áp một góc \(\pi/3\); \(U_0=100\,\mathrm V\), \(I_0=2\,\mathrm A\). Không suy \(P=UI\) trong mạch này nếu chưa xét tính chất tải.
Đây là số liệu mô phỏng theo các giả thiết ghi trong từng hoạt động, không phải phép đo bằng điện lưới hay thiết bị thật. Thay đổi thông số, dự đoán trước khi quan sát, giải thích bằng công thức.
Mô hình: \(\Psi=NBS\cos\theta\), \(e=NBS\omega\sin\theta\), \(\theta=\omega t\), \(t=0\) khi pháp tuyến cùng chiều \(\vec B\). Trong thực tế hiệu điện thế đầu ra phụ thuộc tải và điện trở cuộn, không luôn bằng suất điện động.
Mô hình: \(u=U_0\cos(2\pi ft)\); \(i=I_0\cos(2\pi ft-\Delta\varphi)\). Hai tín hiệu dùng hai trục tung riêng theo biên độ để so sánh pha; đồ thị không khẳng định chúng thuộc mạch chỉ có điện trở. Hệ số \(1/\sqrt2\) dùng cho hình sin.
Mô hình: Máy phát đồng bộ lí tưởng, \(f=pn/60\); \(p\) là số cặp cực (không phải số cực). Hình vẽ sơ đồ khái niệm, không thể hiện chi tiết cơ cấu từ thông thực; trong kiểu cuộn quay, điện ra qua hai vành khuyên và chổi quét, còn khi phần ứng đứng yên lấy điện trực tiếp từ stato.
Đề bài nêu rõ mốc thời gian, gốc pha, số cặp cực, giá trị tức thời hoặc hiệu dụng và giả thiết tải thuần trở khi cần. Với câu trả lời số, chỉ nhập đáp số, không kèm đơn vị. Chỉ xem lời giải khi cần, tránh học thuộc đáp số.
8 ABCD × 0,25 điểm; 4 câu Đúng/Sai bốn ý × tối đa 1,0 điểm (thang 0 / 0,10 / 0,25 / 0,50 / 1,0); 8 trả lời ngắn × 0,25 điểm; 2 tự luận × 1,0 điểm. Phần tự luận chờ giáo viên đối chiếu rubric, không tự động chấm bằng so khớp văn bản.
Thế năng của nước chuyển thành động năng dòng chảy, làm quay tua-bin và rôto máy phát. Cơ năng được chuyển thành điện năng, không phải máy phát tự tạo năng lượng từ hư không.
Tần số điện lưới phụ thuộc tiêu chuẩn hệ thống và cơ cấu máy phát. Ví dụ máy phát đồng bộ 2 cặp cực quay 1500 vòng/phút tạo ra \(f=50\,\mathrm{Hz}\).
Với cùng công suất truyền tải và điều kiện gần đúng, tăng điện áp giúp giảm cường độ dòng trên đường dây, từ đó giảm hao phí nhiệt \(I^2R\). Thiết kế hệ thống thực phải xét nhiều yếu tố khác.
Giá trị 220 V danh định của điện áp xoay chiều hình sin là giá trị hiệu dụng. Điện áp tức thời có thể vượt 220 V về độ lớn; điện lưới vẫn nguy hiểm kể cả khi ngắt tại một thời điểm gần 0.