Sách bài tập Vật lí 12 Bài 17 (Kết nối tri thức): Máy phát điện xoay chiều

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

Câu 17.1 trang 53 Sách bài tập Vật Lí 12: Đồ thị Hình 17.1 biểu diễn từ thông và suất điện động xoay chiều trong khung dây của một máy phát điện xoay chiều được mô tả như hình dưới đây.

Nhận định nào sau đây là đúng hay sai về biểu thức của từ thông và suất điện động xoay chiều?

Lời giải:

Giải thích

Pha ban đầu của từ thông là 0 vì tại thời điểm ban đầu từ thông cực đại và đang giảm.

Pha ban đầu của suất điện động biểu diễn dưới dạng hàm sin là $-\frac{\pi }{2}$ vì tại thời điểm ban đầu suất điện động bằng 0 và đang tăng.

Từ thông và suất điện động vuông pha với nhau, đại lượng này bằng 0 thì đại lượng kia cực đại.

Câu 17.2 trang 54 Sách bài tập Vật Lí 12: Một khung dây dẫn phẳng có N vòng, diện tích mỗi vòng là S, có thể quay đều với tần số góc $\omega$ quanh trục $∆$ như Hình 17.2. Biết tại thời điểm t = 0 thì góc $\alpha$ = 0 và khung dây được nối với điện trở R thành mạch điện kín.

Nhận định nào sau đây là đúng hay sai về dòng điện xoay chiều chạy qua điện trở?

Lời giải:

Giải thích:

Suất điện động cảm ứng ở hai đầu khung dây có dạng là $e_c=\omega NBS\cos \left(\omega t-\frac{\pi }{2}\right)\left(V\right)$

Câu 17.3 trang 55 Sách bài tập Vật Lí 12: Quan sát mô hình máy phát điện xoay chiều được mô tả như Hình 17.3. Biết khung dây ABCD quay theo chiều MPNQ trong từ trường đều.

Nhận định nào sau đây là đúng hay sai về dòng điện xoay chiều chạy trong khung dây?

Lời giải:

Câu 17.4 trang 55 Sách bài tập Vật Lí 12: Quan sát mô hình máy phát điện xoay chiều được mô tả như Hình 17.3. Biết khung dây ABCD quay theo chiều MPNQ trong từ trường đều.

Nhận định nào sau đây là đúng hay sai về suất điện động cảm ứng xuất hiện trong khung dây? Biết suất điện động có giá trị cực đại ở vị trí của khung dây hiện tại.

Lời giải:

Câu 17.5 trang 56 Sách bài tập Vật Lí 12: Một khung dây dẫn phẳng, có 100 vòng dây, quay trong từ trường đều, sao cho trục quay của nó luôn vuông góc với đường sức từ, với tốc độ 180 vòng/phút. Xác định suất điện động cực đại ở hai đầu khung biết từ thông cực đại gửi qua một vòng dây có giá trị 0,01 Wb.

Lời giải:

${\text{E}}_0=\text{N}{\Phi }_0\omega =100\cdot 0,01\cdot 180\cdot \frac{2\pi }{60}=6\pi \approx 18,8 \text{V}$

Câu 17.6 trang 56 Sách bài tập Vật Lí 12: Xác định khoảng thời gian liên tiếp giữa hai lần cường độ dòng điện xoay chiều trong gia đình Việt Nam bằng 0.

Lời giải:

Tần số dòng điện xoay chiều trong gia đình Việt Nam là 50 Hz, nên chu kì dòng điện là 0,02 s, do đó khoảng thời gian giữa hai lần liên tiếp cường độ dòng điện bằng 0 là nửa chu kì, bằng 0,01 s.

Câu 17.7 trang 56 Sách bài tập Vật Lí 12: Một dòng điện xoay chiều có cường độ được biểu diễn như Hình 17.3. Xác định khoảng thời gian ngắn nhất giữa hai lần cường độ dòng điện có giá trị bằng cường độ hiệu dụng của nó.

Lời giải:

Biểu thức cường độ dòng điện có đồ thị như trên có dạng: $i=I_0\sin \left(\frac{2\pi }{T}t\right)\left(A\right)$. Khi $\text{i}=\text{I}=\frac{{\text{I}}_0}{\sqrt{2}}$ ta có $\sin \left(\frac{2\pi }{\text{T}}\text{t}\right)=\frac{\sqrt{2}}{2}=\sin \frac{\pi }{4}$, giải phương trình này ra tìm được khoảng thời gian nhỏ nhất là $\frac{\text{T}}{4}=\frac{0,02}{4}=0,005 \text{s}.$

Câu 17.8 trang 56 Sách bài tập Vật Lí 12: Nếu hiệu điện thế giữa hai đầu một đoạn mạch điện xoay chiều u = 310sin100πt (V) thì hiệu điện thế tức thời đạt giá trị 155 V tại thời điểm

A. $\frac{1}{150} \text{s}.$

B. $\frac{1}{100} \text{s}.$

C. $\frac{1}{600} \text{s}.$

D. $\frac{1}{60} \text{s}.$

Lời giải:

Đáp án đúng là C

Ta có $i=155=\frac{I_0}{2}$, tức là giá trị tức thời bằng một nửa giá trị cực đại, thay ngược vào phương trình có: $155=310\sin 100\pi t\Rightarrow \left[\begin{array}{l}t=\frac{1}{600}+\frac{k}{50}\\ t=\frac{11}{600}+\frac{k}{50}\end{array}\right.$(với $k=0;\pm 1;\pm 2;\mathrm{...}$)

Câu 17.9 trang 56 Sách bài tập Vật Lí 12: Dòng điện xoay chiều qua đoạn mạch chỉ có điện trở thuần 10 Ω, có giá trị cực đại $0,1\sqrt{2}$ A, công suất toả nhiệt của đoạn mạch là

A. 0,1 W.

B. 1,0 W.

C. 0,5 W.

D. 2 W.

Lời giải:

Đáp án đúng là A

$P=I^{2}R=\frac{I_0^2}{2}R=\frac{{\left(0,1\sqrt{2}\right)}^2}{2}.10=0,1W$

Câu 17.10 trang 56 Sách bài tập Vật Lí 12: Một máy phát điện xoay chiều có rôto là nam châm vĩnh cửu quay với tần số f (vòng/s) tạo ra trong cuộn dây trên stato một dòng điện hình sin. Mắc hai đầu cuộn dây với vôn kế để khảo sát suất điện động trong cuộn dây theo tần số quay của rôto. Kết quả được biểu diễn bằng đồ thị có trục tung là suất điện động E (V), trục hoành là tần số quay của rôto theo đơn vị vòng/s (Hình 17.5). Biết khi rôto không quay thì suất điện động hai đầu cuộn dây bằng 0, sai số của suất điện động là $∆$E = ±0,005 V. Biểu thức nào sau đây biểu diễn mối liên hệ của suất điện động cực đại theo tần số quay của rôto?

A. $E_0=3,90\cdot {10}^{-5}\text{f}\pm 0,005( \text{V}).$

B. $E_0=4,24\cdot {10}^{-3}\text{f}\pm 0,005$ (V).

C. $E_0=3,01\cdot {10}^{-3}\text{f}\pm 0,005( \text{V}).$

D. $E_0=3,01\cdot {10}^{-3}\pm 0,005\left(V\right).$

Lời giải:

Đáp án đúng là A

$E_0=NBS\omega =2\pi NBSf\Rightarrow E=\frac{2\pi NBSf}{\sqrt{2}}$, ta thấy suất điện động tỉ lệ thuận với tần số.

Khi $E=0,037;f=1341$

$$\begin{gathered} \Rightarrow \frac{2\pi NBS}{\sqrt{2}}=\frac{0,037}{1341}=2,{76.10}^{-5} \\ \Rightarrow E_0=2,{76.10}^{-5}.\sqrt{2}.f=3,{9.10}^{-5}.f \end{gathered}$$

Câu 17.11 trang 57 Sách bài tập Vật Lí 12: Trong máy phát điện xoay chiều có thể thay đổi số vòng dây trên stato. Khi rôto là nam châm vĩnh cửu quay làm máy hoạt động tạo ra dòng điện xoay chiều hình sin trong cuộn dây. Suất điện động E (V) đo được ở hai đầu cuộn dây theo số vòng dây N của nó có đồ thị như Hình 17.6.

Biểu thức nào sau đây mô tả gần đúng mối liên hệ giữa suất điện động E của cuộn dây với số vòng dây N (vòng) của nó?

A. E (mV) = 53N.

B. E (V) = 0,466N.

C. E (mV) = 0,32N.

D. E (V) = 0,112N.

Lời giải:

Đáp án đúng là C

Tính các tỉ số $\frac{E}{N}$ ta thấy E (mV) = 0,32N (vòng).

Câu 17.12 trang 57 Sách bài tập Vật Lí 12: Máy phát điện xoay chiều có stato là nam châm điện có thể thay đổi được cường độ dòng điện qua nam châm. Rôto là cuộn dây có số vòng và tiết diện không thay đổi. Khi rôto quay ổn định, thay đổi cường độ dòng điện qua nam châm điện, dùng tesla kế đo cảm ứng từ B (mT) qua cuộn dây và dùng vôn kế đo suất điện động E (V) ở hai đầu cuộn dây. Kết quả được biểu diễn bởi đồ thị Hình 17.7.

Chấp nhận sai số dưới 10% thì biểu thức nào sau đây mô tả mối liên hệ giữa suất điện động E (mV) giữa hai đầu cuộn dây và cảm ứng từ B (mT)?

A. E = 110B.

B. E = 0,7B.

C. E = 0,09B.

D. E = 240B.

Lời giải:

Đáp án đúng là A

Tương tự câu trên lập tỉ số $\frac{E}{B}$ ta thấy $\frac{E}{B}=\frac{0,{7.10}^3}{6,6}=106,1$ nên có thể chọn E = 110B.

Câu 17.13 trang 58 Sách bài tập Vật Lí 12: Một đoạn mạch điện xoay chiều chỉ có điện trở thuần với giá trị 200 Ω. Đặt hiệu điện thế $u=100\sqrt{2}\cos 100\pi t\left(V\right)$ vào hai đầu đoạn mạch trên thì

A. dòng điện chạy trong mạch có giá trị hiệu dụng bằng $\sqrt{2}$ A.

B. dòng điện chạy trong mạch có tần số 100 Hz.

C. công suất toả nhiệt trên điện trở bằng 200 W.

D. dòng điện chạy trong mạch có giá trị hiệu dụng bằng 0,5 A.

Lời giải:

Đáp án đúng là D

$I=\frac{I_0}{\sqrt{2}}=\frac{U_0}{R\sqrt{2}}=\frac{100\sqrt{2}}{200\sqrt{2}}=0,5A$

$f=\frac{\omega }{2\pi }=\frac{100\pi }{2\pi }=50Hz$

$P=I^{2}R=0,5^2.200=50W$

Câu 17.14 trang 58 Sách bài tập Vật Lí 12: Phát biểu nào sau đây là không nằm trong quy tắc an toàn khi sử dụng dòng điện xoay chiều?

A. Tránh xa khu vực có điện thế cao như trạm điện, cột điện cao áp.

B. Ngắt các thiết bị điện không cần thiết trong gia đình khi có sấm, sét ngoài trời.

C. Luôn mua các thiết bị điện có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng.

D. Lắp thiết bị đóng, ngắt điện ở vị trí dễ tiếp cận trong gia đình.

Lời giải:

Đáp án đúng là C

Câu 17.15 trang 58 Sách bài tập Vật Lí 12: Nhận định nào sau đây là đúng khi nói về dòng điện xoay chiều?

A. Dòng điện xoay chiều được sử dụng rộng rãi nhờ được sản xuất ở các nhà máy có công suất lớn.

B. Dòng điện xoay chiều có điện áp lớn nên được sử dụng rộng rãi.

C. Dòng điện xoay chiều được sử dụng rộng rãi nhờ ưu thế dễ truyền tải đi xa nhờ máy biến áp.

D. Dòng điện xoay chiều được sử dụng rộng rãi nhờ có nhiều tác dụng hơn dòng điện một chiều.

Lời giải:

Đáp án đúng là C

Lý thuyết 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.