Chuyên đề Vật lí 12 Bài 2 (Chân trời sáng tạo): Máy biến áp. Truyền tải điện năng

Giải Chuyên đề Vật lí 12 Bài 2: Máy biến áp. Truyền tải điện năng

Mở đầu trang 14 Chuyên đề Vật Lí 12: Dòng điện xoay chiều tại nơi tiêu thụ (nhà máy, xí nghiệp, hộ gia đình, ... ) thường có điện áp hiệu dụng khoảng 380 V hoặc 220 V. Tuy nhiên, tại nơi sản xuất điện (nhà máy điện), điện áp được tăng lên rất lớn (220 kV hoặc 500 kV) trước khi truyền tải đi xa (Hình 2.1). Tại sao lại phải tăng điện áp trước khi truyền tải điện năng đi xa, làm thế nào để có thể tăng được điện áp của dòng điện xoay chiều?

Lời giải:

Phải tăng điện áp trước khi truyền đi để giảm sự hao phí trên đường dây tải điện.

Để tăng điện áp ta sử dụng máy biến áp.

1. Máy biến áp

Câu hỏi 1 trang 14 Chuyên đề Vật Lí 12: Nối nguồn điện (220V - 50 Hz) với một máy biến áp dùng trong phòng thí nghiệm có điện áp ở đầu ra dưới 18 V. Dùng đồng hồ đo điện đa năng hiện số (có chức năng đo tần số) đo điện áp và tần số ở đầu ra của máy biến áp, so sánh với điện áp và tần số của nguồn điện.

Lời giải:

Kết quả thu được tần số ở đầu ra không đổi vẫn là 50 Hz, điện áp đo được dưới 18 V.

Câu hỏi 2 trang 15 Chuyên đề Vật Lí 12: Từ biểu thức từ thông qua mỗi vòng dây $\Phi ={\Phi }_0\cos \omega t$, hãy chứng minh biểu thức $\frac{E_1}{E_2}=\frac{U_1}{U_2}=\frac{N_1}{N_2}$

Lời giải:

Từ thông qua một vòng dây của cuộn sơ cấp có biểu thức: Ф = Ф_ocosωt

Từ thông qua cuộn sơ cấp: ${\Phi }_1=N_1\Phi$

Do máy biến áp có lõi kín nên có thể coi mọi đường sức từ chỉ chạy trong lõi biến áp. Như vậy, từ thông qua mỗi vòng dây ở cuộn sơ cấp và thứ cấp là như nhau, nên từ thông trong cuộn dây thứ cấp là ${\Phi }_2=N_2\Phi$.

Theo định luật Faraday, ta có suất điện động cảm ứng sinh ra do sự biến thiên của từ thông qua cuộn sơ cấp và thứ cấp lần lượt là:

$e_1=-\frac{d{\Phi }_1}{dt}=-N_1\frac{d\Phi }{dt}=N_1{\Phi }_0\omega \sin \omega t$ và $e_2=-\frac{d{\Phi }_2}{dt}=-N_2\frac{d\Phi }{dt}=N_2{\Phi }_0\omega \sin \omega t$

Từ đó, suy ra được: $\frac{e_1}{e_2}=\frac{N_1}{N_2}$ hay tỉ số giữa suất điện động của hai cuộn dây luôn không đổi và bằng với tỉ số giữa số vòng dây của hai cuộn dây đó.

Do tỉ số giữa các suất điện động tức thời là không đổi nên tỉ số giữa suất điện động hiệu dụng của hai cuộn dây cũng không thay đổi.

Ta có: $\frac{E_1}{E_2}=\frac{e_1}{e_2}=\frac{N_1}{N_2}$

Nếu bỏ qua điện trở (máy biến áp lí tưởng) của dây dẫn trong cuộn sơ cấp và thứ cấp thì có thể coi điện áp hiệu dụng ở hai đầu mỗi cuộn dây bằng suất điện động hiệu dụng tương ứng với chúng hay U₁ = E₁ và U₂ = E₂.

Từ biểu thức (3.1) suy ra: $\frac{E_1}{E_2}=\frac{U_1}{U_2}=\frac{N_1}{N_2}$

Câu hỏi 3 trang 15 Chuyên đề Vật Lí 12: Có thể dùng máy biến áp để thay đổi điện áp của dòng điện không đổi hay không? Giải thích.

Lời giải:

Không thể dùng máy biến áp để thay đổi điện áp của dòng điện không đổi. Vì:

- Nguyên lí hoạt động của máy biến áp dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ.

- Dòng điện không đổi không tạo ra từ thông biến thiên, nên không thể tạo ra hiện tượng cảm ứng điện từ.

Luyện tập trang 15 Chuyên đề Vật Lí 12: Một máy hạ áp có số vòng dây cuộn sơ cấp là 2 000 vòng được nối vào dòng điện xoay chiều có điện áp hiệu dụng là 220 V. Biết điện áp hiệu dụng ở cuộn thứ cấp là 100 V, tính số vòng dây cuộn thứ cấp.

Lời giải:

Áp dụng công thức: $\frac{U_1}{U_2}=\frac{N_1}{N_2}\iff \frac{220}{100}=\frac{2000}{N_2}\iff N_2\approx 909$

Vận dụng trang 16 Chuyên đề Vật Lí 12: Hàn điện xoay chiều là phương pháp hàn hai kim loại với nhau bằng cách tạo ra dòng điện rất lớn, từ đó làm nóng chảy hai miếng kim loại cần hàn tại chỗ tiếp xúc. Căn cứ Hình 2.5, hãy giải thích nguyên lí hàn điện xoay chiều.

Lời giải:

- Khi có dòng điện chạy qua cuộn dây sơ cấp, tạo ra từ thông f biến thiên trong khung từ của máy, từ thông f chạy trong lõi thép từ gây ra trên cuộn thứ cấp một suất điện động cảm ứng và tạo ra điện áp U₂, trị số U₂ phụ thuộc vào số vòng dây cuộn thứ cấp.

- Vậy thay đổi số vòng dây trên cuộn thứ cấp ta có thể điều chỉnh được cường độ dòng điện hàn. Để thuận tiện cho việc điều chỉnh số vòng dây cuộn thứ cấp người ta lấy ra nhiều đầu dây và bố trí gắn trên các cọc bu lông dùng cầu nối để thay đổi số vòng dây trên cuộn thứ cấp tương ứng có dòng điện nhỏ đến lớn. Phạm vi điều chỉnh từ 70 V đến 240 V.

- Máy hàn xoay chiều hoạt động bằng cách sử dụng nguồn điện xoay chiều để tạo ra dòng điện chuyển đổi liên tục. Dòng điện này được đưa qua điểm tiếp xúc trên vật liệu cần hàn, tạo ra nhiệt độ cao và nung chảy vật liệu. Sau đó, các mảnh vật liệu được đưa lại gần nhau và kết nối lại với nhau để tạo thành mối hàn chắc chắn.

2. Truyền tải điện năng đi xa

Câu hỏi 4 trang 16 Chuyên đề Vật Lí 12: Nêu các cách làm giảm công suất hao phí trên đường dây từ công thức (2.4). Tại sao làm giảm điện trở của đường dây lại tốn kém chi phí, gây nguy cơ mất an toàn trong vận hành?

Lời giải:

Từ công thức 2.4, một số phương án giảm công suất hao phí:

- Giảm công suất cần truyền tải

- Giảm điện trở dây dẫn

- Tăng điện áp hiệu dụng.

Cách làm giảm điện trở của đường dây lại tốn kém chi phí, gây nguy cơ mất an toàn trong vận hành, vì điện trở $r=\rho \frac{\mathcal{l}}{S}$ nên muốn giảm điện trở thì phải tăng tiết diện S của dây, khi đó phải sử dụng dây dẫn có tiết diện lớn, tốn kém, phải xây dựng thêm các cột điện để nâng đỡ dây, mất an toàn.

Câu hỏi 5 trang 16 Chuyên đề Vật Lí 12: Tại sao làm giảm công suất hao phí trên dây bằng cách sử dụng máy tăng áp tại nơi phát lại hiệu quả, tiết kiệm chi phí và an toàn hơn trong truyền tải điện năng?

Lời giải:

Tăng điện áp hiệu dụng U ở nơi phát điện. Khi đó cần sử dụng máy tăng áp. Giả sử điện áp tăng 10 lần thì công suất hao phí giảm tới 100 lần, việc tăng điện áp nơi phát thông qua máy tăng áp sẽ hiệu quả hơn trong việc giảm công suất hao phí khi truyền tải điện năng.

Như vậy, để giảm công suất hao phí trên đường dây tải điện, cần sử dụng máy tăng áp tại nơi phát trước khi truyền tải và dùng các máy hạ áp trước khi phân phối điện đến nơi tiêu thụ (nhà máy, xí nghiệp, hộ gia đình).

Luyện tập trang 17 Chuyên đề Vật Lí 12: Giả sử cần truyền một công suất điện 2 MW từ nhà máy điện với điện áp nơi phát là 4 kV. Để công suất hao phí trên đường dây giảm còn 1% công suất hao phí ban đầu thì cần tăng điện áp ở nơi phát lên giá trị bao nhiêu?

Lời giải:

Công suất hao phí ban đầu: ${\text{P}}_{hp1}=\frac{r{\text{P}}^2}{U_1^2}$

Công suất hao phí lúc sau: ${\text{P}}_{hp2}=\frac{r{\text{P}}^2}{U_2^2}$

Công suất hao phí trên đường dây giảm còn 1% công suất hao phí ban đầu nên:

${\text{P}}_{hp2}=1\%{\text{P}}_{hp1}\iff \frac{r{\text{P}}^2}{U_2^2}=0,01.\frac{r{\text{P}}^2}{U_1^2}\iff U_2=\frac{U_1}{\sqrt{0,01}}=\frac{4000}{\sqrt{0,01}}=40000V$

Câu hỏi 6 trang 17 Chuyên đề Vật Lí 12: Hãy giải thích vì sao dòng điện không đổi khó có thể truyền tải đi xa?

Lời giải:

Vì xuất hiện hao phí trên đường dây tải điện, điện áp không đổi nên không thể làm giảm hao phí được.

Vận dụng trang 17 Chuyên đề Vật Lí 12: Ở các thành phố và đô thị lớn, các trạm biến áp thường được đặt trên vỉa hè đường phố để ngầm hoá lưới điện (Hình 2.7). Máy biến áp ở các trạm này là máy tăng áp hay hạ áp? Giải thích? Tìm hiểu trên sách, báo, internet, ... em hãy trình bày ngắn gọn tác dụng của các trạm biến áp này.

Lời giải:

Máy biến áp ở các trạm này là máy hạ áp. Vì điện áp tại nhà máy sản xuất điện rất lớn sau đó được tăng áp (lên đến hàng nghìn vôn) và đưa lên điện lưới quốc gia. Khi về đến nơi tiêu thụ cần phải hạ áp xuống để phù hợp với mục đích sử dụng, ví dụ như gia đình thường sử dụng điện áp 220 V.

Tác dụng của trạm biến áp:

Trạm biến áp cung cấp và điều phối điện năng từ sinh hoạt cho đến sản xuất, khu công nghiệp… Chức năng quan trọng nhất của trạm biến áp chính là biến đổi điện năng phù hợp với các hệ thống điện. Điều này sẽ giúp các hệ thống điện khi đi vào hoạt động sẽ truyền tải được điện năng tốt nhất.

Trạm biến áp sẽ vận hành đúng kỹ thuật và đặc thù thiết kế trước đó để truyền tải điện năng từ điện áp này sang điện áp khác bằng cách chuyển đổi điện năng thích hợp.

Nhiệm vụ cung cấp điện trực tiếp, an toàn cho điện sinh hoạt, điện nhà máy từ các trạm biến áp vô cùng quan trọng. Các khu công nghiệp có nhu cầu sử dụng nguồn điện lớn thường xây dựng hệ thống điện áp riêng. Khi xây dựng cần phải đảm bảo được các yếu tố như:

- Trạm biến áp có thể cung cấp điện ổn định và liên tục. Phải có phụ tải cho những sự cố về lưới điện.

- Thiết kế sơ đồ kết nối dây, kết cấu trạm biến áp chuyên nghiệp.

- Có chống sét, nối đất và đảm bảo an toàn khi vận hành cũng như khi xảy ra sự cố.

Bài tập

Bài tập 1 trang 17 Chuyên đề Vật Lí 12: Cuộn sơ cấp của một máy biến áp được nối với mạng điện xoay chiều có điện áp hiệu dụng 380 V. Khi đó, cuộn thứ cấp có điện áp hiệu dụng và cường độ dòng điện hiệu dụng lần lượt là 20 V và 1,5 A. Biết số vòng dây cuộn thứ cấp là 20 vòng. Tính số vòng dây và cường độ dòng điện hiệu dụng chạy qua cuộn sơ cấp. Bỏ qua hao phí điện năng trong máy biến áp.

Lời giải:

Áp dụng công thức: $\frac{I_2}{I_1}=\frac{U_1}{U_2}=\frac{N_1}{N_2}\iff \frac{1,5}{I_1}=\frac{380}{20}=\frac{N_1}{20}\iff I_1\approx 0,08A;N_1=380$ vòng

Bài tập 2 trang 17 Chuyên đề Vật Lí 12: Một nhà máy thuỷ điện nhỏ có công suất truyền tải điện là 20 MW. Giả sử nhà máy sử dụng một máy tăng áp với điện áp hiệu dụng nơi phát là 100 kV. Bỏ qua hao phí điện năng trong máy biến áp. Biết đường dây tải điện có điện trở 10 Ω.

a) Tính cường độ dòng điện hiệu dụng trên đường dây tải điện.

b) Tính độ giảm điện áp trên đường dây tải điện.

c) Tính công suất hao phí trên đường dây và công suất tại nơi tiêu thụ.

d) Thay máy tăng áp trên bằng máy tăng áp có điện áp hiệu dụng đầu ra là 500 kV. Tính công suất hao phí trên đường dây.

Lời giải:

a) Cường độ dòng điện hiệu dụng: $I=\frac{\text{P}}{U}=\frac{{20.10}^6}{{100.10}^3}=200A$

b) Độ giảm thế: $\Delta U=I.r=200.10=1000V$

c) Công suất hao phí: ${\text{P}}_{hp}=r{I}^2={10.200}^2={4.10}^{5}W$

Công suất tại nơi tiêu thụ: ${\text{P}}_{tt}=\text{P}-{\text{P}}_{hp}={20.10}^6-{4.10}^5=19,{6.10}^{6}W$

d) Công suất hao phí: ${\text{P}}_{hp}=r\frac{{\text{P}}^2}{U^2}=10.\frac{{\left({20.10}^6\right)}^2}{{\left({500.10}^3\right)}^2}=16000W$