BÀI 16. TRUYỀN TẢI ĐIỆN NĂNG. MÁY BIẾN ÁP
I. LÍ THUYẾT TRỌNG TÂM
1. Bài toán truyền tải điện năng đi xa
+ Điện năng phát ra từ nhà máy điện, được truyền đến nơi tiêu thụ trên một đường dây có điện trở tổng cộng là r. Điện áp ở hai cực của máy phát là Uphát (xác định từ nhà máy).
- Công suất phát từ nhà máy là: Pphát = Uphát.I
- Công suất hao phí do tỏa nhiệt trên dây là: \({\rm{r}}\frac{{{\rm{P}}_{{\rm{phát}}}^2}}{{{\rm{U}}_{{\rm{phá t}}}^2}} = {\rm{P}}_{{\rm{phát}}}^2\frac{{\rm{r}}}{{{\rm{U}}_{{\rm{phát}}}^2}}\)
+ Trong quá trình truyền tải điện năng từ nhà máy điện đi xa, lúc “đưa” điện năng lên đường dây truyền tải, phải tìm cách tăng điện áp. Khi tới nơi tiêu thụ, để đảm bảo an toàn cho việc sử dụng, phải giảm điện áp ⇒ Trong quá trình truyền tải điện năng phải sử dụng thiết bị biến đổi điện áp.
2. Máy biến áp
a) Khái niệm: Là những thiết bị có khả năng biến đổi điện áp (xoay chiều) và không làm thay đổi tần số của nó.
b) Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động
+ Cấu tạo
- Gồm có hai cuộn dây : cuộn sơ cấp có N1 vòng và cuộn thứ cấp có N2 vòng. Lõi biến áp gồm nhiều lá sắt mỏng ghép cách điện với nhau để tránh dòng Fu-cô và tăng cường từ thông qua mạch.
- Số vòng dây ở hai cuộn phải khác nhau, tuỳ thuộc nhiệm vụ của máy mà có thể N1 > N2 hoặc ngược lại.
- Cuộn sơ cấp nối với nguồn điện xoay chiều còn cuộn thứ cấp nối với tải tiêu thụ điện.
+ Nguyên tắc hoạt động: Đặt điện áp xoay chiều tần số f ở hai đầu cuộn sơ cấp. Nó gây ra sự biến thiên từ thông trong hai cuộn. Từ thông qua mỗi vòng dây của cuộn sơ cấp và thứ cấp là như nhau; gọi từ thông này là:
f = f0cosωt (Wb).
⇒ Từ thông qua cuộn sơ cấp và thứ cấp lần lượt là F1 = N1f0cosωt và F2 = N2f0cosωt
⇒ Suất điện động trong cuộn sơ cấp và thứ cấp: e1 = ωN1f0sinωt và e2 = ωN2f0sinωt
⇒ Suất điện động hiệu dụng xuất hiện trên hai cuộn sơ cấp và thứ cấp lần lượt là:
\({{\text{E}}_{1}}=\frac{\omega {{N}_{1}}{{\phi }_{0}}}{\sqrt{2}}\) và \({{\text{E}}_{2}}=\frac{\omega {{N}_{2}}{{\phi }_{0}}}{\sqrt{2}}\)
c) Đặc trưng máy biến áp lí tưởng:
+ Máy biến áp là lí tưởng (các dây quấn không có điện trở) nên suất điện động hiệu dụng xuất hiện trên hai cuộn dây cũng chính là điện áp hiệu dụng ở hai đầu các cuộn dây này.
Do đó : U1 = E1 và U2 = E2.
Ta có : \(\frac{{{U}_{2}}}{{{U}_{1}}}=\frac{{{N}_{2}}}{{{N}_{1}}} \)
⇒ Tỉ số các điện áp hiệu dụng ở hai đầu cuộn thứ cấp và cuộn sơ cấp luôn luôn bằng tỉ số các số vòng dây của hai cuộn đó.
- Nếu N2 > N1 ¾® U2 > U1 : gọi là máy tăng áp.
- Nếu N2 < N1 ¾® U2 < U1 : gọi là máy hạ áp.
Nếu máy được nối với tải thì cường độ dòng điện điện hiệu dụng ở hai cuộn sơ cấp và thứ cấp lần lượt là I1 và I2 thỏa mãn : \(\frac{{{U}_{2}}}{{{U}_{1}}}=\frac{{{N}_{2}}}{{{N}_{1}}}=\frac{{{I}_{1}}}{{{I}_{2}}}\)
d) Ứng dụng của máy biến áp
- Truyền tải điện năng, trong đó có cả tăng áp và hạ áp.
- Nấu chảy kim loại, hàn điện.
II. PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP
Dạng 1: Bài toán cơ bản về máy biến áp lí tưởng
- Máy biến áp là lí tưởng (các dây quấn không có điện trở) thì suất điện động hiệu dụng xuất hiện trên hai cuộn dây cũng chính là điện áp hiệu dụng ở hai đầu các cuộn dây này : U1 = E1 và U2 = E2.
- Công thức máy biến áp: \(\frac{{{U}_{2}}}{{{U}_{1}}}=\frac{{{N}_{2}}}{{{N}_{1}}} \)
- Nếu N2 > N1 ¾® U2 > U1 : gọi là máy tăng áp.
- Nếu N2 < N1 ¾® U2 < U1 : gọi là máy hạ áp.
- Nếu máy được nối với tải thì cường độ dòng điện điện hiệu dụng ở hai cuộn sơ cấp và thứ cấp lần lượt là I1 và I2 thỏa mãn : \(\frac{{{U}_{2}}}{{{U}_{1}}}=\frac{{{N}_{2}}}{{{N}_{1}}}=\frac{{{I}_{1}}}{{{I}_{2}}}\)
Dạng 2: Bài toán truyền tải điện năng
- Gọi P, Ptt, ΔP lần lượt là công suất truyền đi, công suất nơi tiêu thụ và công suất hao phí trên đường dây tải điện.
- Ta có : \(P={{P}_{tt}}+\Delta P:\,\,\left\langle \begin{align} & P=UIc\text{os}\varphi \\ & \Delta P={{I}^{2}}R=\frac{{{P}^{2}}R}{{{U}^{2}}.c\text{o}{{\text{s}}^{2}}\varphi } \\ & H=\frac{{{P}_{tt}}}{P}=1-\frac{\Delta P}{P} \\ \end{align} \right.\Rightarrow 1-H=\frac{\Delta P}{P}=\frac{P.R}{{{U}^{2}}.c\text{o}{{\text{s}}^{2}}\varphi }\)
- Chú ý: Điện trở đường dây: \(R=\rho \frac{\ell }{S}\) ; trong đó \ell là chiều dài đường dây (bằng hai lần khoảng
III. GIẢI BÀI TẬP SÁCH GIÁO KHOA
Câu C1 (trang 86 SGK Vật lí 12):
Tại sao muốn giảm r, lại phải tăng tiết diện dây và tăng khối lượng đồng?
Trả lời:
Điện trở r của dây dẫn được xác định theo công thức \(r=\rho \frac{\ell }{S}\)
Vậy nếu muốn giảm r thì phải tăng tiết diện S lên. Mà khối lượng dây: m = D.V = D.ℓ.S nên khối lượng dây đồng tăng lên.
Câu C2 (trang 88 SGK Vật lí 12):
Tại sao các điện áp ở hai cuộn sơ cấp và thứ cấp có cùng tần số?
Trả lời:
Điện áp ở hai cuộn sơ cấp và thứ cấp có cùng tần số vì hầu như mọi đường sức từ do dòng điện sơ cấp gây ra đều đi qua cuộn thứ cấp, nói cách khác từ thông qua mỗi vòng dây của cuộn sơ cấp và thứ cấp là như nhau.
Câu C3 (trang 88 SGK Vật lí 12):
Giải thích sơ đồ thí nghiệm hình 16.4.
Trả lời:
- Vôn kế V1, V2: Dùng để đo các điện áp ở hai đầu cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp.
- Ampe kế A1, A2: Dùng để đo các cường độ dòng điện chạy qua cuộn sơ cấp và thứ cấp.
- Khóa K: dùng để đóng, ngắt mạch qua tải R ở cuộn thứ cấp.
Câu C4 (trang 90 SGK Vật lí 12):
Giải thích sơ đồ truyền tải điện năng trên hình 16.5.
Trả lời:
- Trong quá trình truyền tải điện năng từ nhà máy điện đi xa, lúc “đưa” điện năng lên đường dây truyền tải, phải tìm cách tăng điện áp. Khi tới nơi tiêu thụ, để đảm bảo an toàn cho việc sử dụng, phải giảm điện áp ⇒ Trong quá trình truyền tải điện năng phải sử dụng thiết bị biến đổi điện áp.
- Điện áp đầu ra của nhà máy điện là 10 kV, trước khi truyền đi xa điện áp này thường được tăng đến giá trị 200 kV bằng máy tăng áp. Gần đến nơi tiêu thụ, người ta dùng máy hạ áp để giảm điện áp xuống 5000 V đến nơi tiêu thụ (gia đình, công sở) điện áp là 220 V.
Câu C5 (trang 90 SGK Vật lí 12):
Giải thích máy hàn điểm theo nguyên tắc biến áp trên hình 16.6.
Trả lời:
- Số vòng cuộn thứ cấp N2 = 5 vòng rất ít so với số vòng cuộn dây sơ cấp là N1 = 1000 vòng.
- Cường độ dòng điện tỉ lệ nghịch với số vòng dây, nên cường độ của cuộn thứ cấp I2 là rất lớn.
- Dưới tác dụng của cường độ dòng điện này, que hàn nóng chảy và hàn dính hai tấm kim loại vào nhau.
IV. CÂU HỎI – BÀI TẬP
Bài 1 (trang 91 SGK Vật Lí 12):
Máy biến áp là gì? Nêu cấu tạo và nguyên tắc làm việc của biến áp.
Lời giải:
- Máy biến áp là thiết bị có khả năng biến đổi điện áp xoay chiều.
- Cấu tạo: Lõi sắt non hình chữ nhật. Hai cuộn dây N1, N2 có số vòng dây quấn khác nhau. Cuộn dây N1 nối với nguồn điện gọi là cuộn sơ cấp, cuộn dây N2 nối với tải tiêu thụ gọi là cuộn thứ cấp.
- Nguyên tắc hoạt động: dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, mắc hai đầu cuộn sơ cấp vào điện áp xoay chiều có tần số f. Dòng điện xoay chiều trong cuộn sơ cấp tạo ra từ thông biến thiên trong lõi sắt đi đến cuộn thứ cấp làm xuất hiện suất điện động cảm ứng. Khi máy biến áp hoạt động trong cuộn thứ cấp xuất hiện dòng điện xoay chiều cùng tần số với dòng điện ở cuộn sơ cấp.
Bài 2 (trang 91 SGK Vật Lí 12):
Máy biến áp lí tưởng làm việc bình thường có tỉ số \(\frac{{{N}_{2}}}{{{N}_{1}}}=3 \)khi (U1, I1) = (360 V, 6 A) thì (U2, I2) bằng bao nhiêu?
A. (1080 V, 18 A). B. (120 V, 2 A) C. (1080 V, 2 A) D. (120 V, 18 A)
Lời giải: Chọn C.
Máy biến áp lí tưởng nên ta có:
\(\frac{{{U}_{2}}}{{{U}_{1}}}=\frac{{{N}_{2}}}{{{N}_{1}}}=\frac{{{I}_{1}}}{{{I}_{2}}}=3\Leftrightarrow \frac{{{U}_{2}}}{{{U}_{1}}}=\frac{{{I}_{1}}}{{{I}_{2}}}=3\Leftrightarrow \frac{{{U}_{2}}}{360}=\frac{6}{{{I}_{2}}}=3\Rightarrow \left\{ \begin{align} & {{U}_{2}}=1080\,V \\ & {{I}_{2}}=2\,A \\ \end{align} \right.\)
Bài 3 (trang 91 SGK Vật Lí 12):
Một biến áp có cuộn sơ cấp gồm 2000 vòng, cuộn thứ cấp gồm 100 vòng, điện áp và cường độ ở mạch sơ cấp là 120 V, 0,8 A. Điện áp và công suất ở cuộn thứ cấp là bao nhiêu?
A. 6 V, 96 W. B. 240 V, 96 W. C. 6 V, 4,8 W. D. 120 V, 4,8 W.
Lời giải: Chọn B.
Máy biến áp lí tưởng nên ta có:
\(\frac{{{U}_{2}}}{{{U}_{1}}}=\frac{{{I}_{1}}}{{{I}_{2}}}=\frac{{{N}_{2}}}{{{N}_{1}}}=\frac{2000}{100}\Leftrightarrow \frac{{{U}_{2}}}{{{U}_{1}}}=\frac{{{I}_{1}}}{{{I}_{2}}}=20\Leftrightarrow \frac{{{U}_{2}}}{120}=\frac{0,8}{{{I}_{2}}}=20\Rightarrow \left\{ \begin{align} & {{U}_{2}}=240\,V \\ & {{I}_{2}}=0,4\,A \\ \end{align} \right.\)
Công suất ở cuộn thứ cấp là : P2 = U2.I2 = 240.0,4 = 96 W.
Bài 4 (trang 91 SGK Vật Lí 12):
Một biến áp có hai cuộn dây lần lượt có 10000 vòng và 200 vòng.
a) Muốn tăng áp thì cuộn nào là cuộn sơ cấp? Nếu đặt vào cuộn sơ cấp điện áp hiệu dụng 220 V thì điện áp hiệu dụng ở cuộn thứ cấp bằng bao nhiêu?
b) Cuộn nào có tiết diện dây lớn hơn?
Lời giải: Chọn A.
a) Muốn tăng áp thì số vòng của cuộn dây thứ cấp phải lớn hơn số vòng dây của cuộn sơ cấp. Do đó số vòng cuộn sơ cấp N1 = 200 vòng, số vòng của cuộn thứ cấp N2 = 10000 vòng.
Ta có: \(\frac{{{U}_{2}}}{{{U}_{1}}}=\frac{{{N}_{2}}}{{{N}_{1}}}\Leftrightarrow \frac{{{U}_{2}}}{220}=\frac{1000}{200}\Rightarrow {{U}_{2}}=11000\,V\)
b) Cuộn sơ cấp có tiết diện dây lớn hơn vì N1 < N2
Bài 5 (trang 91 SGK Vật Lí 12):
Máy biến áp lí tưởng cung cấp một dòng điện 30 A dưới một điện áp hiệu dụng 220 V. Điện áp hiệu dụng ở cuộn sơ cấp là 5 kV.
a) Tính công suất tiêu thụ ở cửa vào và ở cửa ra của biến áp
b) Tính cường độ hiệu dụng ở cuộn sơ cấp.
Lời giải: Chọn A.
a) Nếu bỏ qua sự hao phí của máy biến áp (biến áp lí tưởng)
Công suất tiêu thụ ở cửa vào và ở cửa ra của biến áp là:
P1 = P2 = U2I2 = 220.30 = 6600 W
b) P1 = U1I1
⇒ Cường độ hiệu dụng ở cuộn sơ cấp là: \({{I}_{1}}=\frac{{{P}_{1}}~}{{{U}_{1}}}=\frac{6600}{5000}=1,32\,A.\)
Bài 6 (trang 91 SGK Vật Lí 12):
Một biến áp cung cấp một công suất 4 kW dưới một điện áp hiệu dụng 110 V. Biến áp đó nối với đường dây tải điện có điện trở tổng là 2 Ω
a) Tính cường độ hiệu dụng trên đường dây tải điện.
b) Tính độ sụt thế trên đường dây tải điện.
c) Tính điện áp hiệu dụng ở cuối đường dây tải điện.
d) Xác định công suất tổn hao trên đường dây đó.
e) Thay biến áp trển dây bằng một biến áp có cùng công suất nhưng điện áp hiệu dụng ở cửa ra là 220 V. Tính toán lại các đại lượng nêu ra ở bốn câu hỏi trên.
Lời giải:
P2 = 4 kW = 4000 W; U2 = 110 V; r = 2 Ω.
a) Cường độ hiệu dụng trên đường dây tải điện: \({{I}_{2}}=\frac{{{P}_{2}}~}{{{U}_{2}}}=\frac{4000}{11}=36,36\,A.\)
b) Độ sụt thế trên đường dây tải điện: ΔU = Ud = R.I2 = 2.36,36 = 72,72 V
c) Điện áp ở cuối đường dây tải: Utiêu thụ = U2 – ΔU = 110 – 72,72 = 37,28 V.
d) Công suất tổn hao trên đường dây: \(P=RI_{2}^{2}=2.{{\left( \frac{400}{11} \right)}^{2}}=2644,63\,\text{W}\)
e) Với U’2 = 220 V ta có:
Cường độ hiệu dụng trên đường dây tải điện: \({{I}_{2}}^{\prime }=\frac{{{P}_{2}}~}{{{U}_{2}}^{\prime }}=\frac{4000}{220}=18,18\,\,A.\)
Độ sụt thế \(\Delta U=R.I{{}_{2}}=2.\frac{200}{11}=36,36\,V\)
Điện áp ở cuối đường dây tải: U’tiêu thụ = U’2 – ΔU’ = 220 – 36.36 = 183,64 V.
Công suất tổn hao trên đường dây: \(P=R{{\left( {{I}_{2}}^{\prime } \right)}^{2}}=2.{{\left( \frac{200}{11} \right)}^{2}}=661,2\,\,\text{W}\)
Hy vọng bài "Truyền tải điện năng. Máy biến áp" này đã giúp các em nắm rõ hơn kiến thức của nội dung chương trình Vật lí lớp 12.