SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HOÁ TRƯỜNG THPT VĨNH LỘC SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM MỘT SỐ KIẾN GIẢI VỀ MÁY BIẾN ÁP, CÁC DẠNG BÀI TẬP VỀ MÁY BIẾN ÁP VÀ SỰ TRUYỀN TẢI ĐIỆN NĂNG Người thực hiện: Lê Thị Hoa Chức vụ: Giáo viên 1 Sáng kiến kinh nghiệm thuộc môn: Vật Lý THANH HOÁ NĂM 2013 Mục lục Nội dung Trang Phần I: Mở đầu 2 I. Lý do chọn đề tài 2 II. Nhiệm vụ của đề tài 2 Phần II: Nội dung 2 I. Tóm tắt sơ lược lý thuyết về máy biến áp và truyền tải điện năng 2 II. Một số kiến giải liên quan đến máy biến áp 5 1. Tại sao máy biến áp lại có lõi thép 5 2. Có thể dùng máy biến áp để tăng hiệu lực điện thế của một chiếc pin được không 5 III. Các dạng bài tập về máy biến áp và truyền tải điện năng 6 1. Bài toán về máy biến áp 6 2. Bài toán về truyền tải điện năng 9 Phần III . Kết luận 13 3 PHẦN I: MỞ ĐẦU I. Lý do chọn đề tài Vật lý phổ thông có vai trò quan trọng trong việc hình thành và phát triển tư duy học sinh. Trong quá trình dạy học người thầy luôn phải đặt ra cái đích đó là giúp học sinh nắm được kiến thức cơ bản, hình thành phương pháp kỹ năng kỹ xảo, tạo thái độ và động cơ học tập đúng đắn để học sinh có khả năng tiếp cận chiếm lĩnh những nội dung kiến thức mới theo xu thế thời đại. Hiện nay trong đề thi đại học các bài tập vật lý chiếm một ưu thế, nó đòi hỏi người học phải có cách nhìn nhận bài toán, kĩ năng xử lý bài toán một cách chuyên nghiệp. Do đó việc hướng dẫn học sinh phân loại mắm vững phương pháp và làm tốt các bài tập là 4 việc cần thiết với giáo viên trên con đường rút ngắn giữa học sinh và trường đại học. Ở chương dòng điện xoay chiều là một chương quan trọng của chương trình vật lý 12 cũng là một chương có khá nhiều câu hỏi lý thuyết cũng như bài tập trong đề thi đại học. Do đó việc hệ thống hóa, phân loại và hướng dẫn học sinh tìm ra bản chất vật lý của từng nội dung, nhằm củng cố kiến thức hướng dẫn học sinh suy luận và phương pháp giải bài tập ở mức độ cao hơn, khó hơn tổng quát hơn là vô cùng quan trọng. Trong đề tài này, tôi mạnh dạn đưa ra mong muốn góp một tiếng nói nhỏ về: “Đề tài một số kiến giải về máy biến áp, các dạng bài tập về máy biến áp và sự truyền tải điện năng”. Vẫn biết rằng đó là vấn đề quá quen thuộc nhưng tác giả vẫn hy vọng rằng người đọc sẽ thấy chút gì đó mới mẻ và có ích. II. Nhiệm vụ của đề tài: Đề tài nêu và giải quyết vấn đề sau: 1. Tóm tắt sơ lược lý thuyết máy biến áp và truyền tải điện năng. 2. Một số kiến giải liên quan đến máy biến áp. 3. Các dạng bài tập về máy biến áp và truyền tải điện năng. 4. Các bài toán đề xuất và đáp số. III. Phạm vi nghiên cứu Học sinh lớp 12 và học sinh luyện thi đại học. PHẦN II: NỘI DUNG I. Tóm tắt sơ lược lý thuyết máy biến áp và truyền tải điện năng. 5 1. Máy biến áp. 1.1. Định nghĩa: Máy biến áp là một thiết bị dùng để biến đổi một dòng điện xoay chiều thành một dòng điện xoay chiều khác cùng tần số nhưng có hiệu điện thế khác nhau. 1.2. Cấu tạo: - Máy biến áp gồm hai cuộn dây, có số vòng khác nhau quấn trên một lõi sắt chung bằng thép kỹ thuật (thép pha silic) (Xem hình a), các cuộn dây dẫn thường bằng đồng bọc men cách điện, có điện trở nhỏ. Lõi gồm nhiều lá thép mỏng, hình khung chữ nhật rỗng hoặc khung tròn rỗng, ghép sát nhau và cách điện nhau. - Trong các sơ đồ máy điện, máy biến áp được kí hiệu như trên hình b. 1.3. Nguyên tắc hoạt động. Hoạt động của máy biến áp dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Một trong hai cuộn dây của máy biến áp được nối với nguồn điện xoay chiều, được gọi là cuộn sơ cấp. Cuộn thứ hai được nối với tải tiêu thụ điện năng, được gọi là cuộn thứ cấp. Dòng điện xoay chiều chạy trong cuộn sơ cấp gây ra từ thông biến thiên qua cuộn thứ cấp, làm xuất hiện trong cuộn thứ cấp một suất điện động xoay chiều. Nếu mạch thứ cấp kín thì có dòng điện chạy trong cuộn thứ cấp. 1.4. Sự biến đổi hiệu điện thế và cường 6 độ dòng điện qua máy biến áp. - Gọi N 1 , N 2 là số vòng dây của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp ( xem hình bên) - Khi nối cuộn sơ cấp với mạch điện xoay chiều có hiệu điện thế hiệu dụng U 1 , dòng điện xoay chiều i 1 , trong cuộn sơ cấp làm phát sinh một từ trường biến thiên điều hoà tập trung trong lõi biến áp. Tại mọi thời điểm từ thông φ qua mọi tiết diện của lõi có giá trị tức thời như nhau. Trong khoảng thời gian t ∆ rất nhỏ từ thông biến thiên gây ra ở mỗi cuộn dây sơ cấp là: t Ne ∆ ∆Φ −= 11 , còn ở cuộn thứ cấp là: t Ne ∆ ∆Φ −= 22 . Từ đó suy ra 1 2 1 2 N N e e = . (1) - Thông thường điện trở của cuộn sơ cấp là rất nhỏ nên hiệu điện thế u 1 ở hai đầu cuộn sơ cấp có giá trị xấp xỉ bằng suất điện động e 1 . - Nếu mạch thứ cấp hở thì hiệu điện thế u 2 ở hai đầu cuộn thứ cấp có giá trị bằng suất điện động e 2 . Do đó: 1 2 1 2 1 2 N N e e u u =≈ (2). - Hiệu điện thế và suất điện động ở hai đầu sơ cấp và thứ cấp biến thiên điều hòa cùng pha, cùng tần số, nên ta có thể thay giá trị tức thời bằng giá trị hiệu dụng: 1 2 1 2 N N U U = (3) - Vậy tỉ số hiệu điện thế hiệu dụng ở hai đầu cuộn thứ cấp và sơ cấp bằng tỉ số vòng dây của hai cuộn đó. + Nếu N 2 > N 1 thì U 2 > U 1 : máy biến áp là máy tăng áp. 7 + Nếu N 2 < N 1 thì U 2 < U 1 : máy biến áp là máy hạ áp. - Khi mạch thứ cấp nối với tải tiêu thụ thành một mạch kín thì U 2 < e 2 ; tuy nhiên người ta vẫn sử dụng công thức (3) như một công thức gần đúng. - Nếu dòng điện trong cuộn sơ cấp và thứ cấp cùng pha với hiệu điện thế thì công suất tiêu thụ ở hai mạch sơ cấp và thứ cấp là P 1 = U 1 I 1 và P 2 = U 2 I 2 . Nếu coi những hao phí do các dòng Fucô trong lõi và do toả nhiệt trên các cuộn dây là không đáng kể, thì điện năng qua máy biến thế được bảo toàn, nghĩa là công suất ở hai mạch sơ cấp và thứ cấp là như nhau: P 1 = P 2 . Suy ra 1 2 1 2 2 1 N N U U I I == . Như vậy máy biến áp tăng hiệu điện thế lên bao nhiêu lần thì giảm cuờng độ dòng điện đi bấy nhiêu lần và ngược lại. 1.5. Ứng dụng của máy biến áp. - Máy biến áp được dùng để tăng, giảm hiệu điện thế của dòng điện xoay chiều, tạo ra những hiệu điện thế lớn nhỏ tuỳ ý từ lưới điện công nghiệp (lưới điện này chỉ cung cấp một hiệu điện thế nhất định). - Ứng dụng quan trọng nhất của máy biến áp là truyền tải điện năng đi xa. Ở nhà máy phát điện, Người ta dùng máy tăng thế để đặt lên đường dây truyền tải một hiệu điện thể rất lớn (cao thế ), do đó giảm được công suất hao phí trên đường dây, đến khu vực tiêu thụ người ta phải dùng máy hạ thế sao cho đến từng hộ sử dụng điện thì hiệu điện thế chỉ còn là hiệu điện thế thông dụng 110(V) hay 220(V) chẳng hạn. 8 2. Sự truyền tải điện năng. 2.1. Điện năng được sử dụng ở mọi nơi, nhưng chỉ được sản xuất ở một số nhà máy phát điện lớn. Vì vậy cần phải truyền tải điện năng đi xa, đến các nơi tiêu thụ điện. Việc truyền tải điện năng bằng các dây dẫn phải thoả mãn yêu cầu: giảm hao phí điện năng ở các đường dây dẫn xuống mức thấp nhất và giảm chi phí xây dựng ở đường dây truyền tải điện. 2.2. Giả sử cần truyền tải một công suất điện P từ nhà máy điện bằng đường dây dẫn đến nơi tiêu thụ. - Gọi U là hiệu điện thế hiệu dụng ở đầu đường dây truyền tải điện từ nhà máy phát điện và R là điện trở tổng cộng của các dây dẫn trên đường dây tải điện. Cường độ dòng điện hiệu dụng trên đường dây tải điện là U P I = . Do đó theo Jun-Lenxơ, công suất hao phí ∆P trên đường dây do toả nhiệt bằng: 2 22 U R PRIP ==∆ - Trong công thức đó: công suất P có giá trị không đổi. Do đó muốn giảm công suất hao phí ∆P phải giảm R hoặc tăng U, Hoặc vừa giảm R vừa tăng U. Trong thực tế không thể giảm R nhiều được vì theo công thức S R  ρ = , muốn giảm R phải tăng tiết diện S đây là cách làm khá tốn kém vì tốn nhiều kim loại làm dây và phải tăng sức chịu đựng của các cột điên. Biện pháp sử dụng rộng rãi là tăng điện áp U ở nơi phát điện và giảm điện áp ở nơi tiêu thụ điện đến giá trị cần thiết. Điều này có thể thực hiện đơn giản qua máy biến áp. Quãng đường phải truyền tải điện càng dài thì hiệu điện thế càng phải 9 cao. Đến nơi tiêu thụ điện hiệu điện thế đó lại được giảm xuống đến mức cần thiết nhờ máy hạ áp. II. Một số kiến giải liên quan đến máy biến áp. 1. Tại sao máy biến áp phải có lõi thép? - Từ nguyên tắc hoạt động của máy biến thế: Đặt vào cuộn sơ cấp hiệu điện thế xoay chiều suy ra ở cuộn sơ cấp xuất hiện suất điện động cảm ứng dt d Ne 1 11 Φ −= Với dt d 1 Φ là biến thiên từ thông qua 1 vòng dây ở cuộn 1 - Từ thông qua cuộn 2 biến thiên làm xuất hiện dt d Ne 1 22 Φ −= với dt d 2 Φ là biến thiên từ thông qua 1 vòng dây ở cuộn 2 - Nếu không có lõi sắt thì dt d 1 Φ dt d 2 Φ ≠ và do có sự mất mát đường sức ra môi trường nên dt d 1 Φ dt d 2 Φ > - Khi có lõi sắt: Vì độ tử thẩm của sắt lớn hơn của không khí vài nghìn lần nên sự mất mát đường sức từ ra môi trường là không đáng kể do đó: dt d 1 Φ 2 1 2 12 N N e e dt d =⇒ Φ ≈ - Mặt khác khi có lõi sắt: Z L của cuộn dây tăng nhiều lần suy ra Z L >>R do đó hao phí của máy biến thế sẽ không đáng kể. 2. Có thể dùng máy biến thế để tăng hiệu lực điện thế của một chiếc pin được không. - Máy biến thế hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Nếu làm cho từ thông biến thiên qua cuộn dây sẽ làm sinh ra suất điện động cảm ứng. - Dòng điện do pin phát ra là dòng không đổi sẽ không làm cho từ thông biến thiên, do đó không sinh ra 10 [...]... sinh lm c vic ny: Hệ thống hoá, phân loại và mở rộng các dạng bài tập xuất phát từ những bài tập cơ bản, nhằm củng cố và khắc sâu các kiến thức, đã phát huy đợc tính tích cực, sáng tạo của học sinh, gây đợc sự hứng thú cho học sinh trong học tập Bằng cách làm đó đã thực sự lôi cuốn học sinh say mê tìm tòi ra các phơng pháp giải các bài toán khác nhau vận dụng vào thực tế linh hoạt hơn Khi cũn ngi trờn... = 150 H dõn ỏp ỏn B IV Cỏc bi toỏn xut v ỏp s Bi 1: Mt mỏy bin ỏp dựng trong tivi cú mt cun s cp gm 1100 ( vòng ) mc vo mng in xoay chiu 220 (V ) v ba cun th cp ly ra cỏc hiu in th 10 (V ) , 15 (V ) và 20 (V ) Tớnh s vũng dõy ca mi cun s cp S: 50, 75, 100 Bi 2: Mt mỏy phỏt in xoay chiu cú cụng sut 1000 ( kW ) Dũng in nú phỏt ra sau khi tng th c truyn i xa bng mt dõy dn cú tng chiu di 200 ( km) . SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HOÁ TRƯỜNG THPT VĨNH LỘC SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM MỘT SỐ KIẾN GIẢI VỀ MÁY BIẾN ÁP, CÁC DẠNG BÀI TẬP VỀ MÁY BIẾN ÁP VÀ SỰ TRUYỀN TẢI ĐIỆN NĂNG Người thực hiện:. máy. III. Các dạng bài tập về máy biến áp và truyền tải điện năng. Chúng ta thường gặp trong đề thi hai loại toán: Bài toán máy biến áp và bài toán truyền tải điện năng. Loại 1 : Bài toán máy. này, tôi mạnh dạn đưa ra mong muốn góp một tiếng nói nhỏ về: “Đề tài một số kiến giải về máy biến áp, các dạng bài tập về máy biến áp và sự truyền tải điện năng . Vẫn biết rằng đó là vấn đề quá