Lý thuyết Máy phát điện xoay chiều Vật lí lớp12 (Kết nối tri thức)

Lý thuyết Vật lí 12 Bài 17: Máy phát điện xoay chiều

I. Nguyên tắc tạo ra dòng điện xoay chiều

Suất điện động càm ứng xoay chiều trong khung dây dẫn phẳng có diện tích S quay đều với tốc độ góc $\omega$ quanh một trục vuông góc với các đường sức của một từ trường đều có cảm ứng từ $\overrightarrow{B}$ là $e=E_0\cos \left(\omega t+{\phi }_0\right)$

trong đó, $T=\frac{2\pi }{\omega }$ là chu kì, $f=\frac{1}{T}=\frac{\omega }{2\pi }$ là tần số, ${\phi }_0$ là pha ban đầu và $E_0$ là giá trị cực đại của suất điện động; nếu khung dây dẫn có N vòng thì $E_0=NBS\omega$

Khi nối hai đầu khung dây dẫn trên với điện trở thuần R tạo thành mạch kín, thì dòng điện trong khung dây dẫn biến thiên theo thời gian với tần số bằng tần số của suất điện động xoay chiều. Dòng điện này gọi là dòng điện xoay chiều.

Do đó, nguyên tắc tạo ra dòng điện xoay chiều dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ là làm cho từ thông qua khung dây dẫn biến thiên điều hoà theo thời gian.

II. Dòng điện xoay chiều

1. Biểu thức dòng điện xoay chiều

Điện áp xoay chiều giữa hai đầu một đoạn mạch là: $u=U_0\cos \left(\omega t+{\phi }_u\right)$

Cường độ dòng điện xoay chiều trong đoạn mạch là: $i=I_0\cos \left(\omega t+{\phi }_{\text{i}}\right)$

- u và i tương ứng là giá trị điện áp tức thời và cường độ dòng điện tức thời tại thời điểm t;

- U₀ và I₀ tương ứng là giá trị cực đại của điện áp và cường độ dòng điện xoay chiều;

- ω là tần số góc của dòng điện xoay chiều, có đơn vị là rad/s;

- φ_u, φ_i lần lượt là pha ban đầu của điện áp và cường độ dòng điện xoay chiều.

Độ lệch pha của điện áp so với cường độ dòng điện là: $\phi ={\phi }_u-{\phi }_{\text{i}}$

2. Giá trị hiệu dụng

Cường độ hiệu dụng của dòng điện xoay chiều là $I=\frac{I_0}{\sqrt{2}}$

Giá trị hiệu dụng của điện áp xoay chiều là $U=\frac{U_0}{\sqrt{2}}$

Giá trị hiệu dụng của suất điện động xoay chiều là $E=\frac{E_0}{\sqrt{2}}$

III. Máy phát điện xoay chiều

1. Cấu tạo

Máy phát điện xoay chiều hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, có hai bộ phận chính là phần cảm và phần ứng. Một trong hai bộ phận chính được đặt cố định, gọi là stato, phần còn lại quay quanh một trục, gọi là rôto.

- Phần cảm là nam châm điện hoặc nam châm vĩnh cửu dùng để tạo ra từ trường.

- Phần ứng là các cuộn dây dẫn, trong đó xuất hiện suất điện động cảm ứng khi máy hoạt động.

2. Nguyên tắc hoạt động

Các máy phát điện xoay chiều hoạt động theo cách thứ nhất có stato là nam châm đặt cố định, rôto là khung dây quay quanh một trục trong từ trường tạo bởi stato. Để dẫn điện ra ngoài thì cần có hai vành khuyên, trong đó mỗi vành khuyên được gắn chặt vào một đầu của khung dây. Cả hai vành khuyên này được đặt đồng trục với trục quay của khung dây và cùng quay với khung dây.

Khi máy hoạt động, mỗi vành khuyên có một chổi quét tì vào nên khi khung dây quay, hai vành khuyên trượt trên hai chổi quét, dòng điện truyền từ khung dây qua hai chổi quét ra mạch ngoài.

Các máy phát điện xoay chiều hoạt động theo cách thứ hai có rôto là nam châm, thường là nam châm điện được nuôi bởi dòng điện một chiều (các cuộn dây của rôto cũng có lõi sắt và xếp thành vòng tròn) và stato gồm nhiều cuộn dây có lõi sắt, xếp thành một vòng tròn thì không cần vành khuyên và chổi quét, mà dòng điện được dẫn trực tiếp ra mạch ngoài bởi các cuộn dây đặt cố định.

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

1. Ứng dụng của dòng điện xoay chiều trong cuộc sống

Dòng điện xoay chiều được sử dụng rộng rãi trong cuộc sống là nhờ vào các tác dụng nhiệt, tác dụng từ, tác dụng phát sáng và tác dụng sinh lí của nó.

Các thiết bị như quạt điện, động cơ điện, đèn điện, ... đã chuyển hoá năng lượng điện thành các dạng năng lượng khác nhằm đáp ứng các nhu cầu sống, sinh hoạt, lao động, sản xuất, ... của con người.

Trong y học, dòng điện xoay chiều được sử dụng để vận hành các thiết bị y tế bao gồm: máy chẩn đoán hình ảnh (như máy chụp cộng hưởng từ, máy siêu âm, máy chụp X - quang) hoặc các máy hỗ trợ điều trị bệnh nhân (như máy sốc điện, máy điện tim), ...

2. Quy tắc an toàn khi sử dụng dòng điện xoay chiều

Một số quy tắc an toàn khi sử dụng dòng điện xoay chiều:

- Tuân thủ theo các biển báo an toàn điện.

- Tuyệt đối không chạm tay vào chỗ hở của đường dây điện hay cầm trực tiếp vật bằng kim loại cắm vào ổ điện.

- Tránh lại gần những khu vực có điện thế nguy hiểm.

- Kiểm tra, bảo trì các thiết bị điện định kì theo đúng hướng dẫn.

- Ngắt nguồn điện khi có thiên tai, sấm sét.

Sơ đồ tư duy Máy phát điện xoay chiều

Trắc nghiệm: Máy phát điện xoay chiều

PHẦN I. Câu trắc nghiệm nhiều phương án lựa chọn. Thí sinh trả lời từ câu 1 đến câu 7. Mỗi câu hỏi thí sinh chỉ lựa chọn một phương án.

Câu 1: Điện áp tức thời giữa hai đầu đoạn mạch điện xoay chiều là $u=311\cos 100\pi t( \text{V})$. Giá trị hiệu dụng của điện áp đó là

A. 311V.

B. 22V.

C. 156V.

D. 440V.

Câu 2: Một khung dây dẫn có diện tích 50 cm² gồm 250 vòng dây quay đều với vận tốc 3000 vòng/phút trong một từ trường đều có vectơ cảm ứng từ vuông góc với trục quay của khung dây và có độ lớn 0,02 T. Từ thông cực đại gửi qua khung là

A. 0,025 Wb.

B. 0,15 Wb.

C. 1,5 Wb.

D. 15 Wb.

Câu 3: Một cuộn dây dẹt hình chữ nhật diện tích 54 cm² có 500 vòng dây quay đều với vận tốc 50 vòng/s quanh một trục nằm trong mặt phẳng của cuộn dây, trong một từ trường đều vuông góc với trục quay có B = 0,1 T. Biên độ suất điện động xuất hiện trong cuộn dây có giá trị bằng

A. 84,8 V.

B. 60 V.

C. 42,4 V.

D. 120 V.

Câu 4: Một khung dây dẫn quay đều quanh trục A trong một từ trường đều có cảm ứng từ vuông góc với trục quay của khung với tốc độ góc w = 150 vòng/phút. Từ thông cực đại qua khung dây là 10 Wb. Suất điện động cực đại trong khung dây bằng

A. 50πV.

B. $50\sqrt{2}$V.

C. $25\pi \sqrt{2}$V.

D. $25\sqrt{2}$V.

Câu 5: Một máy phát điện xoay chiều với khung dây có 1000 vòng, quay đều trong từ trường đều có cảm ứng từ B = 0,11 T, diện tích mỗi vòng dây là 90 cm², suất điện động cảm ứng trong khung có giá trị hiệu dụng 220 V. Chu kì biến thiên của suất điện động là

A. 0,028 s.

B. 0,014 s.

C. 0,02 s.

D. 0,01 s.

Câu 6: Khi cuộn dây có 100 vòng quay đều trong từ trường đều với vận tốc là w = 100p rad/s thì suất điện động cực đại là 314 V. Biết diện tích mỗi vòng dây là 400 cm². Độ lớn cảm ứng từ là

A. 25.10^-2 T.

B. 25 T.

C. 25.10^-3 T.

D. 2,5 T.

Câu 7: Dòng điện xoay chiều là dòng điện có

A. cường độ là hàm bậc nhất của hiệu điện thế.

B. cường độ biến đổi điều hòa theo thời gian.

C. chiều biến đổi tuần hoàn theo thời gian.

D. cường độ biến đổi tuần hoàn theo thời gian.

PHẦN II. Câu trắc nghiệm đúng sai. Trong mỗi ý a), b), c), d) ở mỗi câu, thí sinh chọn đúng hoặc sai

Câu hỏi: Ở một bóng đèn sợi đốt có ghi 220V - 75W. Đèn được nối vào mạng điện xoay chiều. Khi đèn sáng bình thường, trong các phát biểu sau đây, phát biểu nào là đúng, phát biểu nào là sai?

a) Cường độ dòng điện hiệu dụng qua đèn là 0,34A.

b) Số đo cường độ dòng điện của ampe kế mắc nối tiếp với đèn là 0,48A.

c) Trong một giờ, đèn tiêu thụ năng lượng điện là 75 W.h.

d) Điện trở của đèn là 458Ω.

PHẦN III. Câu trả lời ngắn.

Câu hỏi: Trong một máy cấp nước nóng dùng điện, bộ phận làm nóng hoạt động như một điện trở có công suất định mức là 2,2kW ở điện áp 220V. Tính cường độ dòng điện hiệu dụng.

Xem thêm tóm tắt lý thuyết Vật lí 12 sách Kết nối tri thức, chi tiết khác:

Lý thuyết Bài 18: Ứng dụng hiện tượng cảm ứng điện từ

Lý thuyết Bài 19: Điện từ trường. Mô hình sóng điện từ

Lý thuyết Bài 21: Cấu trúc hạt nhân

Lý thuyết Bài 22: Phản ứng hạt nhân và năng lượng liên kết

Lý thuyết Bài 23: Hiện tượng phóng xạ

Xem thêm tài liệu Vật lí lớp 12:

Giải Vật lí 12 Bài 17: Máy phát điện xoay chiều

Giải SBT Vật lí 12 Bài 17: Máy phát điện xoay chiều

Giáo án Máy phát điện xoay chiều lớp 10

Giáo án điện tử Máy phát điện xoay chiều lớp 10