Giải Vật Lí 12 Bài 16: Truyền tải điện năng. Máy biến áp

67 lượt xem

Bài trước

Bài sau

Chúng tôi giới thiệu Giải bài tập Vật Lí lớp 12 Bài 16: Truyền tải điện năng. Máy biến áp chính xác, chi tiết nhất giúp học sinh dễ dàng làm bài tập Truyền tải điện năng. Máy biến áp lớp 12.

Bài giảng Vật lí 12 Bài 16: Truyền tải điện năng. Máy biến áp

Giải bài tập Vật Lí Lớp 12 Bài 16: Truyền tải điện năng. Máy biến áp

Trả lời câu hỏi giữa bài

Trả lời câu C1 trang 86 SGK Vật Lí 12: Tại sao muốn giảm r, lại phải tăng tiết diện dây và tăng khối lượng đồng?

Lời giải:

Ta có điện trở: $r = ρ \frac{l}{s}$

=> Nếu muốn giảm $r$ thì phải tăng tiết diện $S$ lên, nghĩa là phải tăng khối lượng dây đồng lên điều này tốn kém không phù hợp trong việc truyền tải điện năng.

Trả lời 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 ?

Lời giải:

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.

Trả lời câu C3 trang 88 SGK Vật Lí 12: Giải thích sơ đồ thí nghiệm hình 16.4.

Lời giải:

Giải Vật Lí 12 Bài 16: Truyền tải điện năng. Máy biến áp (ảnh 1)

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.

Trả lời câu C4 trang 90 SGK Vật Lí 12: Giải thích sơ đồ truyền tải điện năng trên hình 16.5.

Lời giải:

Giải thích sơ đồ truyền tải

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

Trả lời câu C5 trang 90 SGK Vật Lí 12: Giải thích máy hàn điểm theo nguyên tắc biến áp trên hình 16.6.

Lời giải:

Số vòng cuộn thứ cấp N2 = 5 vòng rất ít so với số vòng cuộn dây sơ cấp là N2 = 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.

Câu hỏi và bài tập (trang 91 SGK Vật Lí 12)

Bài 1 trang 91 SGK Vật Lí 12: Máy biến áp là gì ? Nêu cấu tạo và nguyên tắc làm việc của máy biến áp.

Lời giải:

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

- Cấu tạo:

+ Khung thép gồm nhiều lá thép mỏng ghép cách điện.

+ Hai cuộn dây dẫn có điện trở nhỏ quấn chung lõi thép, số vòng dây của hai cuộn khác nhau.

+ Một cuộn nối với mạch xoay chiều gọi là cuộn sơ cấp và cuộn kia nối với tải gọi là cuộn thứ cấp.

- Nguyên tắc hoạt động: dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ.

Bài 2 trang 91 SGK Vật Lí 12: Máy biến áp lí tưởng làm việc bình thường có tỉ số $\frac{N_{2}}{N_{1}}$ bằng 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).

Phương pháp giải:

Áp dụng công thức máy biến áp lí tưởng : $\frac{U_{2}}{U_{1}} = \frac{I_{1}}{I_{2}} = \frac{N_{2}}{N_{1}}$

Lời giải:

Áp dụng công thức máy biến áp ta có:

$\begin{aligned} \frac{N_{2}}{N_{1}} = 3 = \frac{I_{1}}{I_{2}} => I_{2} = \frac{I_{1}}{3} = \frac{6}{3} = 2 A \\ \frac{N_{2}}{N_{1}} = 3 = \frac{U_{2}}{U_{1}} => U_{2} = U_{1} .3 = 360.3 = 1080 V \end{aligned}$

=> Chọn đáp án C

Bài 3 trang 91 SGK Vật Lí 12: Máy biến áp lí tưởng có cuộn sơ cấp gồm 2 000 vòng, cuộn thứ cấp gồm 100 vòng; điện áp và cường độ dòng điện 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

Phương pháp giải:

+ Sử dụng tỉ số: $\frac{U_{2}}{U_{1}} = \frac{N_{2}}{N_{1}}$

+ Với máy biến áp lí tưởng, công suất ở cuộn thứ cấp bằng với công suất ở cuộn sơ cấp: $U_{1} I_{1} = U_{2} I_{2}$

Lời giải:

Chọn A

Ta có: ${\begin{cases} N_{1} = 2000, U_{1} = 120 V, I_{1} = 0, 8 A \\ N_{2} = 100 \end{cases}$

$\frac{U_{2}}{U_{1}} = \frac{N_{2}}{N_{1}} \Rightarrow U_{2} = U_{1} \frac{N_{2}}{N_{1}} = 120. \frac{100}{2000} = 6 V$

Do máy biến áp lí thưởng, công suất ở hai cuộn dây bằng nhau:

$P = U_{2} I_{2} = U_{1} I_{1} = 120.0, 8 = 96 W$

Bài 4 trang 91 SGK Vật Lí 12: Một máy biến áp lý tưởng có hai cuộn dây lần lượt có 10 000 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 220V thì điện áp hiệu dụng ở cuộn thứ cấp bằng bao nhiêu ?

b) Cuộn nào có tiết diện dây lớn hơn ?

Phương pháp giải:

Áp dụng công thức máy biến áp lý tưởng: $\frac{U_{2}}{U_{1}}$ = $\frac{N_{2}}{N_{1}}$

Lời giải:

a) Ta có: $\frac{U_{2}}{U_{1}}$ = $\frac{N_{2}}{N_{1}}$

Trong đó: $U_{1}$ - điện áp hiệu dụng ở hai đầu cuộn sơ cấp, $U_{2}$ - điện áp hiệu dụng ở hai đầu cuộn thứ cấp

=> Muốn tăng áp $(U_{2} > U_{1}$ thì cuộn có 200 vòng phải là cuộn sơ cấp và cuộn có 10 000 vòng là cuộn thứ cấp.

Áp dụng hệ thức : $\frac{U_{2}}{U_{1}}$ = $\frac{N_{2}}{N_{1}}$ ta tính được : U2 = 11 000 V.

b) Ta có : $\frac{I_{1}}{I_{2}}$ = $\frac{N_{2}}{N_{1}}$ = $\frac{10000}{200}$ = 50.

Như vậy, cường độ dòng điện ở cuộn sơ cấp lớn hơn gấp 50 lần cường độ dòng điện cuộn thứ cấp.

Do đó, cuộn sơ cấp sẽ có tiết diện dây lớn hơn cuộn thứ cấp

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 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.

Phương pháp giải:

Trong máy biến áp lý tưởng công suất tiêu thụ ở cuộn sơ cấp bằng công suất tiêu thụ ở cuộn thứ cấp

Lời giải:

a) Do máy biến áp là lí tưởng nên công suất tiêu thụ ở cửa ra bằng với công suất tiêu thụ ở cửa vào:

P2 = U2I2 = 220 . 30 = 6600 W = P1.

b) Cường độ dòng điện ở cuộn sơ cấp:

I1 = $\frac{P_{1}}{U_{1}}$ = $\frac{6600}{5000}$ = 1,32 A.

Bài 6 trang 91 SGK Vật Lí 12: Một máy biến áp lí tưởng 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 trên đây 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.

Phương pháp giải:

+ Sử dụng biểu thức tính cường độ dòng điện: $I_{2} = \frac{P_{2}}{U_{2}}$

+ Sử dụng biểu thức tính độ sụt thế trên đường dây tải điện: $Δ U_{d} = I_{2} . R_{d}$

+ Sử dụng biểu thức tính điện áp hiệu dụng ở cuối đường dây tải điện: $U_{d} = U - Δ U_{d}$

+ Sử dụng biểu thức tính công suất hao phí trên đường dây tải điện: $P_{h p} = I_{2}^{2} R_{d}$

Lời giải:

a) Cường độ dòng điện hiệu dụng trên đường dây tải điện: $I_{2} = \frac{P_{2}}{U_{2}} = \frac{{4.10}^{3}}{110} = \frac{400}{11} \approx 36, 36 A$

b) Độ sụt thế trên đường dây tải điện: $Δ U_{d} = I_{2} . R_{d} = \frac{400}{11} .2 = \frac{800}{11} \approx 72, 73 V$

c) Điện áp hiệu dụng ở cuối đường dây tải điện: $U_{d} = U - Δ U_{d} = 110 - 72, 73 = 37, 27 V$

d) Công suất tổn hao trên đường dây: $P_{h p} = I_{2}^{2} R_{d} = {(\frac{400}{11})}^{2} .2 \approx 2644, 63 W$

e) Khi thay biến áp trên dây bằng một biến áp có cùng công suất nhưng điện áp hiệu dụng ở cửa ra là ${U_{2}}^{'} = 220 V$ , tương tự như trên ta có:

+ Cường độ dòng điện hiệu dụng trên đường dây tải điện: ${I_{2}}^{'} = \frac{P_{2}}{{U_{2}}^{'}} = \frac{{4.10}^{3}}{220} = \frac{200}{11} \approx 18, 18 A$

+ Độ sụt thế trên đường dây tải điện: $Δ {U_{d}}^{'} = {I_{2}}^{'} . R_{d} = \frac{200}{11} .2 = \frac{400}{11} \approx 36, 36 V$

+ Điện áp hiệu dụng ở cuối đường dây tải điện: ${U_{d}}^{'} = U^{'} - Δ {U_{d}}^{'} = 220 - 36, 36 = 183, 64 V$

+ Công suất tổn hao trên đường dây: ${P_{h p}}^{'} = I_{2}^{' 2} R_{d} = {(\frac{200}{11})}^{2} .2 \approx 661, 16 W$

Phương pháp giải bài tập về máy biến áp – truyền tải điện năng

Tổng hợp cách giải bài tập về máy biến áp - truyền tải điện năng hay, chi tiết

1. Máy biến áp

- Mạch thứ cấp không tải: $\frac{U_{2}}{U_{1}} = \frac{N_{2}}{N_{1}}$

+ N2 < N1: giảm áp

+ N2 > N1: tăng áp

- Mạch thứ cấp có tải (lí tưởng): $\frac{U_{2}}{U_{1}} = \frac{E_{2}}{E_{1}} = \frac{I_{1}}{I_{2}} = \frac{N_{2}}{N_{1}}$

Trong đó:

$U_{1}, E_{1}, I_{1}, N_{1}$ : là các giá trị hiệu dụng của cuộn sơ cấp

$U_{2}, E_{2}, I_{2}, N_{2}$ : là các giá trị hiệu dụng của cuộn thứ cấp

- Hiệu suất của máy biến áp: $H = \frac{P_{2}}{P_{1}} = \frac{U_{2} I_{2} \cos φ_{2}}{U_{1} I_{1} \cos φ_{1}}$

$\cos φ_{1}, \cos φ_{2}$ : là hệ số công suất của cuộn sơ cấp và thứ cấp.

Bài tập ví dụ:

Một máy biến áp lí tưởng có hai cuộn dây lần lượt là 1000 vòng và 200 vòng.

a) Muốn tăng áp thì cuộn nào là cuộn sơ cấp?

b) Nếu đặt vào cuộn sơ cấp điện áp hiệu dụng $U_{1} = 220 V$ thì điện áp hiệu dụng ở cuộn thứ cấp bằng bao nhiêu?

Hướng dẫn giải

Ta có: N2 > N1: tăng áp => cuộn sơ cấp có N1 = 200 vòng, cuộn thứ cấp có N2 = 1000 vòng

Ta có: $\frac{U_{2}}{U_{1}} = \frac{N_{2}}{N_{1}} \Rightarrow U_{2} = \frac{U_{1} N_{2}}{N_{1}} = \frac{220.1000}{200} = 1100 V$

2. Truyền tải điện năng

- Công suất hao phí trên đường dây tải điện: $P_{h p} = r \frac{P_{p}^{2}}{U_{p}^{2}}$ , với $P_{p}, U_{p}$ là công suất và hiệu điện thế nơi phát.

Nếu $\cos φ < 1$ thì $P_{h p} = Δ P = \frac{P^{2}}{U^{2} \cos φ} . r$

- Khi tăng U lên n lần thì công suất hao phí giảm n2 lần. Độ giảm thế trên dây dẫn là:

$Δ U = I . R = U_{1} - U_{2} = \sqrt{Δ P . R}$

Với r (hay Rd) ( $R_{d} = ρ \frac{l}{S}$ ): là điện trở tổng cộng của dây tải điện.

- Hiệu suất tải điện: $H = \frac{P_{2}}{P_{1}} = \frac{P_{1} - Δ P}{P_{1}}$

Trong đó:

+ $P_{1}$ : công suất truyền đi

+ $P_{2}$ : công suất nhận được nơi tiêu thụ

+ $Δ P$ : công suất hao phí

- Phần trăm công suất bị mất mát trên đường dây tải điện là: $\frac{Δ P}{P} .100 (%)$

Bài tập ví dụ:

Người ta cần tải đi một công suất 1MW từ nhà máy điện về nơi tiêu thụ. Dùng hai công tơ điện đặt ở biến thế và ở nơi tiêu thụ thì thấy số chỉ của chúng chênh lệch nhau mỗi ngày đêm là 216kW. Tỉ lệ hao phí do truyền tải điện năng đi là:

Hướng dẫn giải

Công suất hao phí trên đường dây tải điện là:

$Δ P = \frac{Δ A}{Δ t} = \frac{216}{24} = 9 (k W)$

Tỉ lệ hao phí do truyền tải điện năng đi là:

$\frac{Δ P}{P} = \frac{9}{10^{3}} = 0, 9 %$

Lý thuyết Bài 16: Truyền tải điện năng. Máy biến áp

TRUYỀN TẢI ĐIỆN NĂNG

MÁY BIẾN ÁP

I - Máy biến áp

1. Khái niệm

- Là những thiết bị có khả năng biến đổi điện áp (xoay chiều) và không làm thay đổi tần số của nó.

2. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động

* Cấu tạo

Giải Vật Lí 12 Bài 16: Truyền tải điện năng. Máy biến áp (ảnh 1)

- 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 U2

- Cuộn sơ cấp nối với mạch điện xoay chiều còn cuộn thứ cấp nối với tải tiêu thụ điện.

* Nguyên tắc hoạt động:

Nguyên tắc hoạt động của máy biến áp dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ.

- Từ thông qua cuộn sơ cấp và thứ cấp lần lượt là $Φ_{1} = N_{1} Φ_{0} c o s (ω t)$ và $Φ_{2} = N_{2} Φ_{0} c o s (ω t)$

- Trong cuộn thứ cấp xuất hiện suất điện động cảm ứng e2 có biểu thức $e_{2} = - \frac{d Φ}{d t} = N_{2} ω Φ_{0} s i n ω t$

3. Khảo sát máy biến áp

Gọi N1, N2 là số vòng của cuộn sơ cấp và thứ cấp.

Gọi U1, U2 là hiệu điện thế 2 đầu cuộn sơ cấp và thứ cấp.

Gọi I1, I2 là cường độ hiệu dụng của dòng điện 2 đầu cuộn sơ cấp và thứ cấp.

Suy ra, tỉ số điện áp 2 đầu cuộn thứ cấp bằng tỉ số vòng dây của 2 cuộn tương ứng $\frac{e_{2}}{e_{1}} = \frac{N_{2}}{N_{1}}$

Tỉ số e2/e1 không đổi theo thời gian nên ta có thể thay bằng giá trị hiệu dụng ta được $\frac{E_{2}}{E_{1}} = \frac{N_{2}}{N_{1}}$ (1)

Điện trở thuần của cuộn sơ cấp rất nhỏ nên U1 = E1, khi mạch thứ cấp hở nên U2 = E2, (2)

Từ (1) và (2) ta được $\frac{N_{2}}{N_{1}} = \frac{U_{2}}{U_{1}}$ , (*)

* Nếu N2 > N1 U2 > U1 : gọi là máy tăng áp.

* Nếu N2 < N1 U2 < U1 : gọi là máy hạ áp.

Vì hao phí ở máy biến áp rất nhỏ, coi như công suất ở 2 đầu cuộn thứ cấp và sơ cấp như nhau.

$\to P_{1} = P_{2} \leftrightarrow U_{1} I_{1} = U_{2} I_{2}$ (**)

Từ(*) và (**) ta có $\frac{U_{1}}{U_{2}} = \frac{N_{1}}{N_{2}} = \frac{I_{2}}{I_{1}}$

Kết luận: Dùng máy biến áp tăng điện áp bao nhiêu lần thì cường độ dòng điện giảm bấy nhiêu lần và ngược lại.

Công thức (*) luôn được áp dụng cho máy biến áp, còn công thức (**) chỉ được áp dụng khi hao phí không đáng kể hoặc hai đầu cuộn thứ cấp để hở

II - Truyền tải điện năng

Công suất cần truyền tải điện năng $P = U I c o s φ$ , (1)

Trong đó P là công suất cần truyền đi, U là điện áp tại nơi truyền đi, I là cường độ dòng điện trên dây dẫn truyền tải, cosφ là hệ số công suất.

Đặt $Δ P = I^{2} R$ là công suất hao phí, từ (1) suy ra $I = \frac{P}{U c o s φ} \to Δ P = I^{2} R = {(\frac{P}{U \cos φ})}^{2} R = \frac{P^{2}}{{(U \cos φ)}^{2}} R$

với R là điện trở đường dây. Vậy công suất tỏa nhiệt trên đường dây khi truyền tải điện năng đi xa là:

$Δ P = \frac{P^{2}}{{(U \cos φ)}^{2}} R$

Để khi đến nơi sử dụng thì mục tiêu là làm sao để giảm tải công suất tỏa nhiệt P để phần lớn điện năng được sử dụng hữu ích ta phải tăng U.

Sơ đồ tư duy về truyền tải điện năng. Máy biến áp

Giải Vật Lí 12 Bài 16: Truyền tải điện năng. Máy biến áp (ảnh 3)

Xem thêm các chương trình khác:

Bài trước

Bài sau

Giải SGK, SBT, Chuyên đề Vật Lý Lớp 12