Dòng điện xoay chiều · SGK trang 14–18 · Máy biến áp và truyền tải điện năng
Nhận diện lõi thép kín, cuộn sơ cấp, cuộn thứ cấp; phân biệt máy tăng áp và hạ áp; chỉ rõ vì sao máy biến áp thông thường hoạt động với điện áp biến thiên.
Giải thích hai cuộn dây cùng liên kết từ thông biến thiên; chứng minh tỉ số điện áp hiệu dụng bằng tỉ số số vòng dây trong mô hình máy lí tưởng.
Tính \(U_1,U_2,N_1,N_2,I_1,I_2\) và công suất trong tải thuần trở; sử dụng \(\Delta P=RI^2\) để đánh giá ảnh hưởng của điện áp đến hao phí truyền tải.
Giải thích chuỗi tăng áp – truyền tải – hạ áp; nhận diện giả thiết trong phép tính và các giới hạn của mô hình; chỉ thực hành với thiết bị AC thấp áp cách li.
Phạm vi: Bài 3 – Máy biến áp, Chuyên đề học tập Vật lí 12 (Kết nối tri thức), trang 14–18. Trọng tâm SGK: I. Máy biến áp; II. Truyền tải điện năng. Phần mở rộng về hiệu suất máy thật được gắn nhãn riêng, không thay thế hệ thức lí tưởng.
Máy biến áp thường có cuộn sơ cấp nhận điện áp xoay chiều, cuộn thứ cấp cấp cho tải và lõi từ khép kín để dẫn từ thông. Hai cuộn dây cách điện với nhau. Dòng điện xoay chiều ở sơ cấp tạo từ thông biến thiên trong lõi; theo định luật Faraday, điện áp cảm ứng xuất hiện ở thứ cấp. Máy biến áp thông thường biến đổi điện áp hiệu dụng, không làm đổi tần số.
Dòng điện trên dây dẫn có điện trở làm tỏa nhiệt theo \(\Delta P=R_{\mathrm d}I^2\). Nếu cần truyền cùng công suất tác dụng và giữ nguyên hệ số công suất, tăng điện áp đường dây sẽ làm giảm cường độ dòng và giảm hao phí theo bình phương của tỉ số tăng điện áp. Trạm tăng áp đặt trước đường truyền; các trạm hạ áp đưa điện áp về mức phù hợp cho từng đối tượng sử dụng.
Phân biệt máy lí tưởng hay máy thật; xác định tải có thuần trở không; \(U\) là điện áp hiệu dụng, \(P\) là công suất tác dụng.
\(U_2/U_1=N_2/N_1\). Nếu lí tưởng và tải thuần trở, dùng thêm \(U_1I_1=U_2I_2\).
Đổi kW→W, kV→V; lấy \(I=P/(U\cos\varphi)\), sau đó \(\Delta P=R_{\mathrm d}I^2\).
Kiểm tra \(0\leq\Delta P
Đề: Máy lí tưởng có \(N_1=600\), \(N_2=150\), \(U_1=24\,\mathrm V\) (hiệu dụng). Tính \(U_2\).
Giải: Bước 1. \(k=150/600=0{,}25\). Bước 2. \(U_2=kU_1=0{,}25\cdot24=6\,\mathrm V\). Đây là máy hạ áp.
Đề: Cuộn sơ cấp \(N_1=400\), nguồn \(U_1=12\,\mathrm V\). Muốn thu được \(U_2=36\,\mathrm V\) lí tưởng, cần bao nhiêu vòng thứ cấp?
Giải: \(N_2=N_1U_2/U_1=400\cdot36/12=1200\) vòng. Máy tăng áp 3 lần.
Đề: Máy lí tưởng cấp tải thuần trở; \(U_1=12\,\mathrm V, U_2=24\,\mathrm V, I_1=0{,}50\,\mathrm A\). Tính \(I_2\).
Giải: Vì \(P_1=P_2\), \(I_2=U_1I_1/U_2=12\cdot0{,}5/24=0{,}25\,\mathrm A\).
Đề: Một máy biến áp thực nhận công suất tác dụng \(P_1=120\,\mathrm W\), hiệu suất \(\eta=90\%\). Tính công suất hữu ích \(P_2\).
Giải: Định nghĩa hiệu suất: \(P_2=\eta P_1=0{,}9\cdot120=108\,\mathrm W\). Không áp dụng \(P_1=P_2\) cho máy thật.
Đề: Máy lí tưởng có \(N_1=1100\), \(N_2=100\), \(U_1=220\,\mathrm V\) là thông số bài toán, không phải hướng dẫn thực hành. Tính \(U_2\).
Giải: \(U_2=220\cdot100/1100=20\,\mathrm V\). Do \(N_2
Đề: Máy lí tưởng \(U_1=24\,\mathrm V\) cấp tải thuần trở ở \(U_2=12\,\mathrm V\), \(I_2=2\,\mathrm A\). Tính \(P_2\), \(I_1\).
Giải: \(P_2=U_2I_2=24\,\mathrm W\); \(I_1=P_2/U_1=24/24=1\,\mathrm A\).
Đề: Điện áp sơ cấp có tần số \(f=50\,\mathrm{Hz}\). Xác định tần số ở cuộn thứ cấp và giải thích.
Giải: \(f_2=50\,\mathrm{Hz}\), vì điện áp thứ cấp được cảm ứng bởi cùng từ thông biến thiên với tần số \(f\). Máy biến áp thông thường không tự đổi tần số.
Đề: Công suất đưa lên dây \(P=100\,\mathrm{kW}\), \(U=10\,\mathrm{kV}\), hệ số công suất 1, điện trở đường dây \(R_{\mathrm d}=2\,\Omega\). Tính \(I\), \(\Delta P\).
Giải: Đổi \(P=10^5\,\mathrm W\), \(U=10^4\,\mathrm V\). \(I=P/U=10\,\mathrm A\); \(\Delta P=2\cdot10^2=200\,\mathrm W\).
Đề: Giữ nguyên công suất đưa lên đường dây, \(R_{\mathrm d}\), hệ số công suất; tăng điện áp lên 5 lần. So sánh hao phí mới và cũ.
Giải: \(\Delta P\propto U^{-2}\), nên \(\Delta P_{\rm mới}=\Delta P_{\rm cũ}/25\): hao phí còn 4% ban đầu.
Đề: Đường dây có \(P=200\,\mathrm{kW}\), \(U=20\,\mathrm{kV}\), \(R_{\mathrm d}=4\,\Omega\), hệ số công suất 1. Tính hao phí và tỉ lệ phần trăm so với P.
Giải: \(I=200000/20000=10\,\mathrm A\); \(\Delta P=4\cdot100=400\,\mathrm W\); tỉ lệ \(400/200000\cdot100\%=0{,}20\%\).
Đề: Truyền công suất \(P=100\,\mathrm{kW}\) với \(R_{\mathrm d}=2\,\Omega\), \(\cos\varphi=1\). So sánh hao phí khi \(U=5\,\mathrm{kV}\) và \(U=50\,\mathrm{kV}\).
Giải: \(I_1=20\,\mathrm A\Rightarrow\Delta P_1=800\,\mathrm W\); \(I_2=2\,\mathrm A\Rightarrow\Delta P_2=8\,\mathrm W\). Giảm 100 lần.
Đề: Hai dây đồng dài \(\ell=1000\,\mathrm m\) mỗi dây, tiết diện mỗi dây \(S=10\,\mathrm{mm}^2\), \(\rho=1{,}7\times10^{-8}\,\Omega\mathrm m\). Truyền \(P=10\,\mathrm{kW}\) ở \(U=5\,\mathrm{kV}\), hệ số công suất 1. Tính \(R_{\mathrm d}\) và hao phí.
Giải: \(S=10^{-5}\,\mathrm{m}^2\), tổng chiều dài \(2000\,\mathrm m\). \(R_{\mathrm d}=\rho(2000)/S=3{,}4\,\Omega\); \(I=P/U=2\,\mathrm A\), \(\Delta P=3{,}4\cdot2^2=13{,}6\,\mathrm W\).
Hướng dẫn: Thay đổi từng thông số, dự đoán xu hướng rồi kiểm tra số liệu. Toàn bộ đồ thị và bảng CSV dưới đây là dữ liệu tính toán, không phải số đo thực nghiệm.
Giới hạn: giả lập không tính sụt áp, hao phí sắt/dây, bão hòa lõi và công suất định mức. Nếu số liệu cho điện áp thứ cấp cao, không lắp thí nghiệm thật chỉ dựa theo mô hình này.
Giới hạn: đồ thị biểu diễn suất điện động cảm ứng theo cùng chiều quấn tham chiếu, không suy ra trực tiếp dòng khi chưa biết tải; từ thông là dữ liệu giả định, không được suy ra đơn giản từ N.
| Điện áp (kV) | Dòng điện (A) | Hao phí (W) | Tỉ lệ hao phí (%) |
|---|
Giới hạn: chỉ nhận dữ liệu có \(\Delta P
Tự luyện được phân thành 6 nhóm, không hiển thị lời giải trước khi học sinh kiểm tra. Trả lời ngắn nhập số không kèm đơn vị. Phần tự luận chờ đánh giá theo rubric.
8 ABCD × 0,25 = 2 điểm; 4 Đúng/Sai × 1 = 4 điểm; 8 trả lời ngắn × 0,25 = 2 điểm; 2 tự luận × 1 = 2 điểm. Tự luận chờ đánh giá theo rubric.
Sáu nhánh hệ thống hóa cấu tạo, nguyên lí, hệ thức và ứng dụng. Có thể vuốt ngang trên màn hình nhỏ.
Việc ghép lá mỏng có cách điện giúp giảm dòng điện xoáy (Foucault) trong lõi, do đó giảm tổn hao nhiệt. Lõi cũng cần chọn vật liệu có tính chất từ phù hợp và giới hạn mật độ từ thông.
Không. Máy có thể tăng điện áp nhưng với công suất tác dụng gần như bảo toàn (trong mô hình lí tưởng), dòng điện giảm tương ứng nếu hệ số công suất hai phía như nhau. Máy thật còn có tổn hao ở lõi, dây quấn và nhiều bộ phận khác.
Điện áp cao giúp giảm dòng và hao phí đường dây cho công suất cho trước, nhưng chi phí cách điện, an toàn, hành lang tuyến và thiết bị tăng lên. Vì vậy mạng điện dùng nhiều cấp điện áp, có các trạm tăng áp và hạ áp.
Một nguồn DC không đổi, sau giai đoạn quá độ, không tạo được suất điện động cảm ứng liên tục ở thứ cấp bằng cơ chế máy biến áp thông thường. Thiết bị đổi nguồn DC có thể dùng mạch điện tử đóng ngắt để tạo dòng/từ thông biến thiên; đó không phải trực tiếp mắc cuộn sơ cấp vào DC thuần.
Biến áp dễ dàng là một ưu thế quan trọng của lưới xoay chiều. Trong các tuyến rất dài hoặc nối hai hệ thống không đồng bộ, truyền tải một chiều điện áp cao (HVDC) cũng có những ưu điểm; lựa chọn phụ thuộc bài toán kỹ thuật và kinh tế cụ thể, không thể kết luận một loại luôn vượt trội.
Chỉ dùng mô phỏng hoặc máy biến áp thực hành được kiểm định và nguồn AC thấp áp cách li dưới sự hướng dẫn của giáo viên. Không dùng trực tiếp điện lưới, không tự quấn/lắp máy tăng áp cao áp, luôn ngắt nguồn trước khi đổi dây.
Nguồn nội dung đối chiếu: Chuyên đề học tập Vật lí 12 – Kết nối tri thức, Bài 3 (SGK trang 14–18). Hình và số liệu ví dụ tự biên soạn, mô phỏng định lượng theo giả thiết ghi rõ.