Bài tập vật lý 12 bài 16 trang 91 năm 2024

Bài viết này gồm hai phần: Phần lý thuyết và Phần hướng dẫn giải bài tập Bài 16: Truyền tải điện năng - Máy biến áp. Tech12h hi vọng giúp các em học tập tốt hơn!

A. Lý thuyết

I. Truyền tải điện năng

Công suất phát được tính theo công thức: Pphát = Uphát.I

Trong đó:

• Pphát: công suất phát (W).
• Uphát: điện áp hiệu dụng ở hai cực của máy phát (V).
• I: cường độ dòng điện hiệu dụng trên đường dây (A).

Công suất hao phí do tỏa nhiệt trên đường dây:

Php = r.I2 = r. $\frac{P^{2}_{phát}}{U^{2}_{phát}}$

Trong đó: r là điện trở tổng cộng của đường dây điện.

Nhận xét:

Pphát hoàn toàn xác định, nên muốn giảm Php­ trên đường dây thì ta phải giảm điện trở của dây hoặc tăng Uphát.

Khi giảm điện trở r của dây dẫn ta lại dẫn đến những hạn chế khác như chi phí đường dây tăng.

Vậy cách tối ưu để giảm hao phí trên đường dây là tăng Uphát­ nói cách khác, ta cần có những thiết bị biến đổi điện áp.

II. Máy biến áp

Máy biến áp là những thiết bị có khả năng biến đổi điện áp xoay chiều.

Cấu tạo: Máy biến áp gồm hai phần chính:

1. Lõi biến áp: được làm từ sắt non pha silic;
2. Hai cuộn dây: có điện trở nhỏ và cách vòng dây được
   • Cuộn sơ cấp: được nối với nguồn, có số vòng dây N1;
   • Cuộn thứ cấp: được nối với tải hoặc để hở, có số vòng dây là N­2.

Nguyên tắc hoạt động: dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ:

Nguồn phát điện tạo ra một dòng điện xoay chiều tần số f ở hai đầu cuộn sơ cấp gây ra biến thiên từ thông trong hai cuộn.

- Công suất hao phí do tỏa nhiệt trên đường dây tải: \(\Delta P=I^2.r= \frac{r.P^2}{U^2 }=P^2.\frac{r}{U^2}\)

- Với công suất phát P xác định để giảm ΔP ta phải giảm r hoặc tăng U

- Biện pháp giảm r có những hạn chế: Vì \(r=\rho\frac{l}{s}\) nên để giảm ta phải dùng các loại dây có điện trở suất nhỏ như bạc, dây siêu dẫn, ... với giá thành quá cao hoặc tăng tiết diện S, mà tăng tiết diện S thì tốn kim loại và phải xây cột điện lớn nên không kinh tế.

- Trái lại, biện pháp tăng U có hiệu quả rỏ rệt: Tăng U lên n lần thì \(P_{hp}\) giảm \(n^2\) lần

2.2. Máy biếp áp

1. Định nghĩa:

Máy biến áp là những thiết bị có khả năng biến đổi điện áp xoay chiều, nhưng không làm thay đổi tần số.

2. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động

.PNG)

Cấu tạo:

- Bộ phận chính là một lỏi biến áp hình khung bằng sắt non có pha silic cùng với hai cuộn dây có điện trở nhỏ và độ tự cảm lớn quấn trên lỏi biến áp.

- Cuộn thứ nhất có \(N_1\) vòng nối vào nguồn phát điện gọi là cuộn sơ cấp.

- Cuộn thứ 2 có \(N_2\) vòng nối ra các cơ sở tiêu thụ điện năng gọi là cuộn thứ cấp.

Nguyên tắc hoạt động:

- Dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ.

- Nối hai đầu cuộn sơ cấp vào nguồn phát điện xoay chiều, dòng điện xoay chiều chạy trong cuộn sơ cấp tạo ra từ trường biến thiên trong lỏi biến áp.

- Từ thông biến thiên của từ trường đó qua cuộn thứ cấp gây ra suất điện động cảm ứng trong cuộn thứ cấp.

3. Khảo sát thực nghiệm một máy biến áp

- Cuộn thứ cấp để hở ( \(I_2=0\), máy biến áp ở chế độ không tải)

.PNG)

+ Thay đổi các số vòng \(N_1;N_2\), đo các điện áp \(U_1;U_2\) ta thấy: \(\frac{U_2}{U_1}=\frac{N_2}{N_1}\)

+ Nếu \(N_2> N_1\) thì \(U_2> U_1\): Máy tăng áp.

+ Nếu \(N_2< N_1\) thì \(U_2< U_1\): Máy hạ áp.

- Cuộn thứ cấp nối với tải tiêu thụ ( \(I_2\neq 0\), máy biến áp ở chế độ có tải):

+ Nếu hao phí điện năng trong máy biến áp không đáng kể (máy biến áp làm việc trong điều kiện lí tưởng) thì công suất của dòng điện trong mạch sơ cấp và trong mạch thứ cấp có thể coi bằng nhau.

Giải Bài Tập Vật Lí 12 – Bài 16: Truyền tải điện năng. Máy biến áp giúp HS giải bài tập, nâng cao khả năng tư duy trừu tượng, khái quát, cũng như định lượng trong việc hình thành các khái niệm và định luật vật lí:

C1 trang 86 SGK: Tại sao muốn giảm r, lại phải tăng tiết diện dây và tăng khối lượng đồng?

Trả lời:

Ta có:

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 điều này tốn kém không phù hợp trong việc truyền tải điện năng.

C2 trang 88 SGK: Tại sao các điện áp ở hai cuộn sơ cấp và thứ cấp có cùng tần số ?

Trả lời:

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. Do đó tần số của cuộn sơ cấp phải bằng với tần số của cuộn thứ cấp.

C3 trang 88 SGK: 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.

C4 trang 90 SGK: Giải thích sơ đồ truyền tải điện năng trên hình 16.5.

Trả lời:

Giải thích sơ đồ truyền tải

Điện áp đầu ra của nhà máy điện là 10kV, trước khi truyền đi xa điện áp này thường được tăng đến giá trị 200kV bằng máy tăng áp. Gần đến nơi tiêu thụ, người ta dùng máy hạ áp để giảm điện áp xuống 5000V đến nơi tiêu thụ (gia đình, công sở) điện áp là 220V.

C5 trang 90 SGK: 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.

Bài 1 (trang 91 SGK Vật Lý 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 tử, 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 Lý 12): Máy biến áp lí tưởng làm việc bình thường có tỉ số N2/N1 = 3 khi (U1, I1) = (360V, 6A) thì (U2, I2) bằng bao nhiêu?

1. (1080V, 18A) B. (120V, 2A)

3. (1080V, 2A) D. (120V, 18A)

Lời giải:

Chọn đáp án C.

Ta có:

Máy biến áp lí tưởng nên ta có:

Bài 3 (trang 91 SGK Vật Lý 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 120V, 0,8A. Điện áp và công suất ở cuộn thứ cấp là bao nhiêu?

1. 6V, 96W

2. 240V, 96W

3. 6V, 4,8W

4. 120V, 4,8W

Lời giải:

Chọn đáp án A. Ta có

Bài 4 (trang 91 SGK Vật Lý 12): Một biến áp có hai cuộn dây lần lượt có 10000 vòng và 200 vòng.

1. Muốn tăng áp thì cuộn nào là cuộn sơ cấp? Nếu đặt vào cuộn sơ cấp điện áp hiệu dụng 220V thì điện áp hiệu dụng ở cuộn thứ cấp bằng bao nhiêu?

2. Cuộn nào có tiết diện dây lớn hơn?

Lời giải:

1. Để là máy 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.

2. Cuộn sơ cấp có tiết diện dây lớn hơn vì N1 < N2

Bài 5 (trang 91 SGK Vật Lý 12): Máy biến áp lí tưởng cung cấp một dòng điện 30A dưới một điện áp hiệu dụng 220V. Điện áp hiệu dụng ở cuộn sơ cấp là 5kV.

1. Tính công suất tiêu thụ ở cửa vào và ở cửa ra của biến áp

2. Tính cường độ hiệu dụng ở cuộn sơ cấp.

Lời giải:

1. (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

2. P1 = U1I1

Bài 6 (trang 91 SGK Vật Lý 12): Một biến áp cung cấp một công suất 4kW dưới một điện áp hiệu dụng 110V. Biến áp đó nối với đường dây tải điện có điện trở tổng là 2Ω

1. Tính cường độ hiệu dụng trên đường dây tải điện.

2. Tính độ sụt thế trên đường dây tải điện.

3. Tính điện áp hiệu dụng ở cuối đường dây tải điện.

4. Xác định công suất tổn hao trên đường dây đó.

5. Thay biến áp trển dây bằng một biến áp có cùng công suất nhưng điện áp hiệu dụng ở cửa ra là 220V. Tính toán lại các đại lượng nêu ra ở bốn câu hỏi trên.