Giải SGK Vật Lí 12 Bài 17 (Kết nối tri thức): Máy phát điện xoay chiều

Giải bài tập Vật Lí 12 Bài 17: Máy phát điện xoay chiều

Khởi động trang 72 Vật Lí 12: Dòng điện xoay chiều được sử dụng rất phổ biến trong đời sống. Dòng điện xoay chiều được tạo ra bằng cách nào?

Lời giải:

Dòng điện xoay chiều được tạo ra dựa trên nguyên tắc của hiện tượng cảm ứng điện từ, cho khung dây dẫn quay trong từ trường, khi đó từ thông qua khung dây biến thiên, tạo ra dòng điện suất điện động cảm ứng.

I. Nguyên tắc tạo ra dòng điện xoay chiều

Câu hỏi 1 trang 72 Vật Lí 12: Khung dây dẫn trong Hình 17.2 ở vị trí nào thì suất điện động có giá trị cực đại? Giải thích.

Khung dây dẫn trong Hình 17.2 ở vị trí nào thì suất điện động có giá trị cực đại

Lời giải:

Ở vị trí 1 và 5 thì suất điện động có giá trị cực đại.

Vì: $Φ = N B S \cos α \Rightarrow e_{c} = - \frac{Δ Φ}{Δ t} = N B S \sin α$

Ở vị trí 1 và 5 thì mặt phẳng khung dây song song với cảm ứng từ nên góc α = 90^o. Do đó suất điện động cảm ứng có giá trị cực đại. Ở vị trí 3 thì mặt phẳng khung dây cũng song song với góc α = 90^o tuy nhiên dòng điện qua khung dây đã đổi chiều.

Câu hỏi 2 trang 72 Vật Lí 12: Giả sử tại thời điểm t, từ thông qua khung dây dẫn phẳng MNPQ là:

Φ = BScosα = BScosωt

Hãy chứng tỏ, suất điện động cảm ứng xuất hiện trong khung dây này có dạng:

e = BSωcos(ωt + φ₀) (V)

Lời giải:

Ta có:

$Φ = B S \cos ω t \Rightarrow e_{c} = - \frac{Δ Φ}{Δ t} = B S ω \sin ω t = B S ω \cos (\frac{π}{2} - ω t) = B S ω \cos (ω t - \frac{π}{2})$

hay có thể viết e_c = BSωcos(ωt + φ₀)

Hoạt động 1 trang 73 Vật Lí 12: Dựa trên nguyên tắc tạo ra dòng điện xoay chiều, hãy thực hiện các nhiệm vụ sau:

Làm thế nào để dẫn dòng điện ra mạch ngoài khi khung dây dẫn quay đều trong từ trường (Hình 17.2)?

Dựa trên nguyên tắc tạo ra dòng điện xoay chiều hãy thực hiện các nhiệm vụ sau

Lời giải:

Để dẫn dòng điện ra mạch ngoài, người ta dùng hai vành khuyên đặt đồng trục và cùng quay với khung dây. Mỗi vành khuyên có một thanh quét tì vào. Khi khung dây quay, hai vành khuyên trượt trên hai thanh quét, dòng điện truyền từ khung dây qua hai thanh quét ra ngoài.

Dựa trên nguyên tắc tạo ra dòng điện xoay chiều hãy thực hiện các nhiệm vụ sau

Hoạt động 2 trang 73 Vật Lí 12: 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.

Lời giải:

– Nguyên tắc tạo ra dòng điện xoay chiều dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ (đây là hiện tượng hình thành một suất điện động (điện áp) trên một vật dẫn khi vật dẫn này được đặt trong một từ trường biến thiên).

– Có hai cách để tạo ra dòng điện xoay chiều như sau:

Cách thứ nhất: Cho nam châm quay xung quanh sau khi đặt một cuộn dây dẫn kín.

Cách thứ hai: Từ trường của nam châm để cuộn dây dẫn kín quay quanh.

II. Dòng điện xoay chiều

Hoạt động trang 74 Vật Lí 12: 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:

Dựa vào đồ thị biểu diễn cường độ dòng điện xoay chiều theo thời gian như Hình 17.3

– 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.

Lời giải:

– Chu kì T = 0,02 s; tần số $f = \frac{1}{T} = \frac{1}{0, 02} = 50 H z$ ; tần số góc $ω = 2 π f = 100 π (r a d / s)$

– Giá trị cực đại của cường độ dòng điện: I₀ = 4 A

Giá trị hiệu dụng: $I = \frac{I_{0}}{\sqrt{2}} = \frac{4}{\sqrt{2}} = 2 \sqrt{2} A$

Tại thời điểm ban đầu cường độ dòng điện bằng 0 và đang tăng nên pha ban đầu $φ = - \frac{π}{2} r a d$

– Phương trình cường độ dòng điện: $i = 4 \cos (100 π - \frac{π}{2}) (A)$

III. Máy phát điện xoay chiều

Hoạt động 1 trang 75 Vật Lí 12: 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 ω trong từ trường đều có cảm ứng từ $\vec{B}$ ( $\vec{B}$ vuông góc với trục quay của khung).

Lời giải:

Từ thông qua khung dây: $Φ = N B S \cos ω t$

Suất điện động xoay chiều: $e = - \frac{Δ Φ}{Δ t} = N B S ω \sin ω t = N B S ω \cos (ω t - \frac{π}{2})$

Hoạt động 2 trang 75 Vật Lí 12: 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?

Lời giải:

Nếu không dùng vành khuyên và chổi quét thì 2 đầu dây của khung dây sẽ bị xoắn vào nhau, dẫn đến bị đứt, chập cháy.

IV. Ứng dụng và quy tắc an toàn khi sử dụng dòng điện xoay chiều

Hoạt động 1 trang 76 Vật Lí 12: Thảo luận để thực hiện các yêu cầu sau:

Ngoài thắp sáng, chạy máy thì dòng điện xoay chiều còn được sử dụng vào những việc gì?

Lời giải:

Ngoài thắp sáng, chạy máy thì điện còn được sử dụng vào những việc tạo ra nhiệt để đun nấu, sinh hoạt (nồi cơm điện, bàn là, bình nóng lạnh,…), truyền tin (điện thoại), làm lạnh (tủ lạnh,…),….

Hoạt động 2 trang 76 Vật Lí 12: 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.

Lời giải:

Một số cách giảm hao phí trong truyền tải điện năng đi xa bằng dòng điện xoay chiều:

– Giảm khoảng cách truyền từ nhà máy đến nơi tiêu thụ.

– Sử dụng dây dẫn có điện trở suất nhỏ như đồng, nhôm, …

– Tăng tiết diện dây dẫn.

– Tăng điện áp hiệu dụng ở nhà máy phát điện khi đưa lên đường dây dẫn và giảm điện áp hiệu dụng ở nơi tiêu thụ tới giá trị cần thiết.

Hoạt động 1 trang 76 Vật Lí 12: Nhận biết được ý nghĩa của những biển báo an toàn điện.

Lời giải:

– Biển báo an toàn điện là loại biển báo thường được sử dụng ở các cơ sở sản xuất, kinh doanh, công trình,… nhằm mục đích cấm, cảnh báo, chỉ dẫn người lao động để đảm bảo an toàn điện khi thực hiện các hoạt động tại nơi làm việc.

– Biển báo an toàn điện được chia thành 03 (ba) loại: Biển cấm, biển cảnh báo và biển chỉ dẫn.

Biển báo cấm

Biển cảnh báo

Biển chỉ dẫn

Cấm trèo! Điện cao áp nguy hiểm chết người