MÁY BIẾN ÁP Ở phần thiết lập các công thức đònh lượng,kiến thức đưa đến cho HS được thực hiện theo hướng chỉ giải quyết vấn đề khi bỏ qua hao phí điện năng do : 1.1. Tỏa năng lượng dưới dạng sóng điện từ _ khi từ trường biến thiên trong lõi sắt ở trường hợp cho rằng không tuyệt đối khép kín. 1.2. Toả nhiệt trên lõi sắt : tức là bỏ qua hiệu ứng Jun-Lenx của dòng điện Fu-Cô. 1.3. Tỏa nhiệt trên 2 cuộn dây sơ cấp và thứ cấp , tức là bỏ qua hiệu ứng Jun-Lenx vì giả thiết rằng điện trở mỗi cuộn dây r 1 ,r 2 ≈0. Để cuối cùng dẫn đến công thức : 1 1 2 2 2 1 = = U N I U N I Do vậy ,trong quá trình dạy và học về bài máy biến thế , các giáo viên và học sinh thường gặp các trở ngại như sau : - Thiếu kiến thức để giải bài toán hiệu suất máy biến thế - Khi cuộn thứ cấp mắc vào mạch tải có R,L hay R,C hay R,L,C _Tức là mạch tải có hệ số công suất k=cosϕ <1 thì bài toán còn sử dụng được các công thức trên hay không? Do vậy , các bài toán chính thức thường né tránh chỗ nhạy cảm này bằng cách chỉ cho mạch tải là đoạn mạch chỉ có R. Ngoại trừ một bài toán trong Bộ đề thi tuyển sinh đại học-CĐ của Bộ GD (NXB GD 1990) thì cho mạch tải là mạch gồm R,L,C với phép giải còn nhiều khúc mắc. II/ Về vấn đề công suất _ Hiệu suất của máy biến thế. 1. Tài Liệu chính thức của Bộ GDĐT: − Sách GK nâng cao cho rằng công suất của mạch sơ cấp và thứ cấp bằng nhau,nếu bỏ qua hao phí điện năng trên máy biến thế thì P 1 = P 2 ⇒ U 1 I 1 = U 2 I 2 .(C1 trg 70) (không quan tâm cấu trúc mạch tải) Nhưng không có bài tập trong SGK và SBT . − Ngược lại , Sách cơ banû không đề cập đến công suất. Nhưng bài tập trong SGK và SBT lại cho HS làm.Thậm chí đề cập đến cả hiệu suất máy biến thế. − Sách chuẩn bò kiến thức và Sách hướng dẫn ôn tập của Bộ phát hành trước đợt ôn thi TNPT 2007-2008 , cùng SGK thí điểm KHTN cũng viết U 1 I 1 = U 2 I 2 -1- (không quan tâm nếu bỏ qua hao phí điện năng trên máy biến thế và cấu trúc mạch tải) − Thế nhưng Sách Giáo viên theo chương trình chuẩn lại viết là : U 1 I 1 = U 2 I 2 cosϕ 2 2. Tài liệu tham khảo : Từ những tác giả được xem là có uy tín − Tiến só Trần Ngọc : phương pháp giải các dạng bài toán TN VL cuốn 1, trang 178_ NXB ĐHQG HÀ NỘI 2006 P 1 =P 2 và cosϕ 1 = cosϕ 2 ⇒ U 1 I 1 = U 2 I 2 (!!??) Thậm chí , ông viết tiếp,Hiệu suất máy biến thế được xác đònh từ H = 2 1 p p = 2 2 2 1 1 1 cos cos U I U I ϕ ϕ (sic) − Nhóm tác giả Khoa Vật lý Đại học KHTN _ĐHQG : 540 Câu hỏi trắc nghiệm Vật lý 12_ NXB ĐHQG TP HCM 2007 ,trang 74 lại viết : Công suất của cuộn sơ cấp : P 1 = U 1 I 1 (?) Công suất của cuộn thứ cấp : P 2 = U 2 I 2 (?) Hiệu suất máy biến thế là H = 2 1 p p (!?) − Lê văn Thông : TT các bài toán Vật Lý 12 _ NXB Trẻ 1997 trang 264 Viết : P 1 = 1 1 1 cosU I ϕ (!?) P 2 = 2 2 2 cosU I ϕ (!?) Và cũng viết : H = 2 1 p p I/ HƯỚNG DẪN LẬP CÔNG THỨC MÁY BIẾN THẾ TRONG TRƯỜNG HP TỔNG QUÁT. 1) Giới thiệu học sinh về : - Cấu trúc tổng quát cuả máy biến thế. - Các đại lượng vật lý tương ứng trong bài toán máy biến thế. Bằng cách vẽ và sử dụng các ký hiệu như sau : -2- I 1 I 2 U 1 U 2 r 1 r 2 Tải Cuộn sơ cấp Cuộn thứ cấp Lập công thức ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯNG cho máy biến thế : - Xem nguồn U 1 cung cấp công suất Pc = U 1 I 1 - 2 cuộn dây sơ cấp và thứ cấp tiêu thụ điện năng để toả nhiệt (hao phí)theo hiệu ứng Jun-Lenx bao gồm : Pt 1 = r 1 I 1 2 , Pt 2 = r 2 I 2 2 . - Lõi sắt tiêu thụ điện năng để tỏa nhiệt (hao phí)theo hiệu ứng Jun- Lenx do tác dụng của dòng Fu cô là : Ps. - Mạch tải mắc vào cuộn thứ cấp tiêu thụ (hữu ích)điện năng Ptt = U 2 I 2 cosϕ = RI 2 2 với k = cosϕ là hệ số công suất của mạch tải. - Thực tế,công suất hao phí do tỏa năng lượng dưới dạng sóng điện từ là cực bé so với các công suất kể trên,nên có thể bỏ qua. Theo đònh luật bảo toàn năng lượng,luôn luôn ta có : Công suất cung cấp = tổng các công suất tiêu thụ ⇒ Pc = Pt 1 + Pt 2 + Ps + Ptt Hay : U 1 I 1 = r 1 I 1 2 + r 2 I 2 2 + Ps + U 2 I 2 cosϕ……. Và hiệu suất máy biến thế theo ý nghóa vật lý là H = tt 2 2 C 1 1 P U I cos P U I ϕ = 2) Lập công thức quan hệ cường độ dòng điện qua mỗi cuộn dây và số vòng dây của mỗi cuộn (I , N) : Bước 1 : tương tự SGK,ta có : e 1 = N 1 d dt Φ ; e 2 = N 2 d dt Φ ⇒ 1 1 2 2 e N e N = , Do e 1 , e 2 đồng pha nên : 1 1 2 2 E N E N = (1) Bước 2 : xem cuộn sơ cấp đóng vai trò là máy phát có công suất : E 1 I 1 xem cuộn sơ cấp đóng vai trò là máy thu có công suất : E 2 I 2 ⇒ E 1 I 1 = E 2 I 2 , ⇒ 1 2 2 1 E I E I = (2) Từ (1) và (2), ⇒ 1 2 2 1 N I N I = -3- (TQ 1) (TQ 2) NHẬN XÉT : Từ 2 công thức tổng quát (TQ1) và (TQ2) , ta có thể giải hầu hết các bài toán tổng quát. II/ TỪ TRƯỜNG HP TỔNG QUÁT,SUY RA CÁC TRƯỜNG HP RIÊNG: 1. Nếu bài toán bỏ qua hao phí điện năng do dòng điện Fu cô gây ra : Ps = 0. Từ (TQ1) ⇒ U 1 I 1 = r 1 I 1 2 + r 2 I 2 2 + U 2 I 2 cosϕ……. Phối hợp (TQ2) 1 2 2 1 N I N I = Suy ra các kết quả bài toán yêu cầu. ( Bài giải mẫu số 1 _ Trích từ Bộ đề thi tuyển sinh Đại học-CĐ của Bộ GD_NXB GD 1990) 2. Nếu bài toán − Bỏ qua hao phí điện năng do dòng điện Fu cô gây ra : Ps = 0 − Bỏ qua điện trở thuần của 2 cuộn dây r 1 ,r 2 ≈ 0. Từ (TQ1) ⇒ U 1 I 1 = U 2 I 2 cosϕ……. Phối hợp (TQ2) 1 2 2 1 N I N I = Suy ra các kết quả bài toán yêu cầu. ( Bài giải minh họa số 2 _ Bài 5.32 trang 44 SBT Vật Lý Ban KHTN Bộ 1 NXBGD 2005 ) 3. Nếu bài toán − Bỏ qua hao phí điện năng do dòng điện Fu cô gây ra : Ps = 0 − Bỏ qua điện trở thuần của 2 cuộn dây r 1 ,r 2 ≈ 0. − Mạch tải chỉ có điện tở thuần hoặc xảy ra cộng hưởng điện cos ϕ = 1 Trường hợp này được trả về kiến thức sách giáo khoa+bài tập chương trình phân ban và không phân ban. Từ (TQ1) ⇒ U 1 I 1 = U 2 I 2 . ⇒ 1 2 2 1 U I U I = Phối hợp (TQ2) 1 2 2 1 N I N I = III/ CÁCH ÁP DỤNG KIẾN THỨC TRÊN ĐỂ GIẢI TOÁN. -4- R : U 2 U 1 (GIẢI 3 BÀI TOÁN ĐẶC TRƯNG). Một máy hạ thế có tỉ số 127 220 N N 2 1 = , trong đó N 1 , N 2 lần lượt là số vòng của cuộn sơ cấp và của cuộn thứ cấp của máy ; điện trở cuộn sơ cấp r 1 = 3,6 Ω , điện trở cuộn thứ cấp r 2 = 1,2 Ω . Điện trở mắc vào cuộn thứ cấp R = 10 Ω . Xem mạch từ là khép kín và hao phí do dòng Fucô không đáng kể ( hình vẽ ) . Xác đònh hiệu điện thế hiệu dụng trên hai đầu điện trở R khi cuộn sơ cấp mắc vào hiệu điện thế xoay chiều có giá trò hiệu dụng U 1 = 220V ,và hiệu suất máy biến thế. Tính U R : . U R = I 2 R = 10 I 2 (*) . U 1 I 1 = r 1 I 1 2 + r 2 I 2 2 + U 2 I 2 cosϕ ……với U 2 I 2 cosϕ = R I 2 2 . ⇒ 220I 1 = 3,6I 1 2 + 1,2 I 2 2 + 10 I 2 2 ⇒ 220I 1 = 3,6I 1 2 + 11,2 I 2 2 (1) Mặt khác : 1 2 2 1 N I N I = ⇒ 2 1 I 220 I 127 = (2) Giải hệ (1) và (2) ta được I 2 = 10,24 A (*) ⇒ U R =102,4 V Tính H : H = t c p p = 2 2 1 1 RI U I = 80,63% Bài 5.32 trang 44 SBT Vật Lý Ban KHTN Bộ 1 NXBGD 2005 Đặt vào hai đầu của cuộn sơ cấp một máy biến thế một hiệu điện thế xoay chiều có giá trò hiệu dụng 380V , Cuộn sơ cấp có 600 vòng , cuộn thứ cấp có 120 vòng . Bỏ qua điện trở của 2 cuộn dây . 1. Tính hiệu điện thế hiệu dụng ở 2 đầu cuộn thứ cấp. 2. Cuộn thứ cấp mắc vào mạch điện gồm R = 100Ω. Tính cường độ hiệu dụng của dòng điện trong cuộn sơ cấp trong 2 trường hợp : a) Bỏ qua hao phí của máy biến thế. b) Biết công suất hao phí bằng 5% công suất đặt vào mạch sơ cấp . -5- BÀI GIẢI 1. Tính U 2 Từ 1 1 2 2 N U N U = ⇒ U 2 = 76 V 2. Tính I 1 , Bỏ qua hao phí của máy biến thế. I 2 = 2 U R ⇒ I 2 = 0,76 A ⇒ I 1 = 2 2 1 N I N = 0,152 A Tính I 1 , có hao phí của máy biến thế là 5% Từ U 1 I 1 = Ps + R I 2 2 với 1 2 2 1 N I N I = ⇒ I 2 = 5 I 1 ⇒ U 1 I 1 = 5% U 1 I 1 + R 25I 1 2 ⇒ 95%U 1 I 1 = R I 1 2 25 ⇒ I 1 = 95%U 1 /25R ⇒ I 1 = 0,1444 A Một máy biến thế có số vòng cuộn sơ cấp là 3000 vòng cuộn thứ cấp là 500 vòng, được mắc vào mạng điện xoay chiều có tần số 50Hz, khi đó cường độ dòng điện qua cuộn thứ cấp là 12A. Bỏ qua mọi hao phí điện năng .Cường độ dòng điện qua cuộn sơ cấp là : A. 1,41A B. 2,00A C. 2,83A D. 72,0A I 1 = 2 2 1 N I N ⇒ I 1 = 500 12 3000 ⇒ I 1 = 2 A  chọn B -6-