Câu hỏi mở đầu trang 72

Đề bài: Dòng điện xoay chiều được sử dụng rất phổ biến trong đời sống. Dòng điện xoay chiều được tạo ra bằng cách nào?

Lời giải:

Dòng điện xoay chiều được tạo ra dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ:

• Cho một khung dây dẫn quay đều trong một từ trường đều (hoặc cho nam châm quay quanh khung dây đứng yên).
• Khi đó, từ thông qua khung dây biến thiên điều hoà theo thời gian → trong khung xuất hiện suất điện động cảm ứng biến thiên điều hoà.
• Nối hai đầu khung dây với mạch ngoài kín → có dòng điện xoay chiều chạy trong mạch.

I. Nguyên tắc tạo ra dòng điện xoay chiều

Câu hỏi trang 72

Đề bài:

1. Khung dây dẫn trong Hình 17.2 ở vị trí nào thì suất điện động có giá trị cực đại? Giải thích.
2. Giả sử tại thời điểm t, từ thông qua khung dây dẫn phẳng MNPQ là: $$\Phi = BS\cos\alpha = BS\cos\omega t$$ Hãy chứng tỏ, suất điện động cảm ứng xuất hiện trong khung dây này có dạng: $$e = BS\omega\cos(\omega t + \varphi_0) ; (\text{V})$$

Lời giải:

1. Khung dây ở vị trí 1 và 5 thì suất điện động có giá trị cực đại.

Giải thích: Suất điện động cảm ứng có biểu thức:

$$e_c = -\dfrac{\Delta\Phi}{\Delta t} = BS\omega \sin\omega t$$

• Ở vị trí 1 và 5: mặt phẳng khung dây song song với vectơ cảm ứng từ $\vec{B}$, tức góc $\alpha = 90°$ → $\sin\alpha = 1$ → suất điện động đạt giá trị cực đại $E_0 = BS\omega$.
• Ở vị trí 3: mặt phẳng khung dây cũng song song với $\vec{B}$ ($\alpha = 90°$) nhưng lúc này khung đã quay được nửa vòng nên dòng điện qua khung đã đổi chiều → suất điện động có giá trị $-E_0$.

2. Chứng minh biểu thức suất điện động cảm ứng:

Từ biểu thức từ thông: $\Phi = BS\cos\omega t$.

Áp dụng định luật Faraday, suất điện động cảm ứng bằng tốc độ biến thiên của từ thông (lấy đạo hàm theo thời gian):

$$e = -\dfrac{d\Phi}{dt} = -(BS\cos\omega t)’ = -BS \cdot (-\omega\sin\omega t)$$

$$\Rightarrow e = BS\omega \sin\omega t$$

Ta biến đổi $\sin\omega t = \cos\left(\omega t – \dfrac{\pi}{2}\right)$, đặt $\varphi_0 = -\dfrac{\pi}{2}$:

$$\boxed{e = BS\omega\cos(\omega t + \varphi_0) ; (\text{V})}$$

Trong đó $E_0 = BS\omega$ là suất điện động cực đại, $\varphi_0$ là pha ban đầu của suất điện động. (Điều phải chứng minh.)

II. Dòng điện xoay chiều

Hoạt động trang 73

Đề bài: Dựa trên nguyên tắc tạo ra dòng điện xoay chiều, hãy thực hiện các nhiệm vụ sau:

1. Làm thế nào để dẫn dòng điện ra mạch ngoài khi khung dây dẫn quay đều trong từ trường (Hình 17.2)?
2. Thảo luận về:

   – Nguyên tắc tạo ra suất điện động xoay chiều.

   – Các yếu tố cần để tạo ra dòng điện xoay chiều.

   – Thiết kế phương án tạo ra dòng điện xoay chiều.

Lời giải:

1. Để dẫn dòng điện ra mạch ngoài, người ta dùng hai vành khuyên đặt đồng trục và cùng quay với khung dây. Mỗi vành khuyên có một chổi quét (thanh quét) cố định tì vào. Khi khung dây quay, hai vành khuyên trượt trên hai chổi quét → dòng điện được truyền từ khung dây qua vành khuyên và chổi quét ra mạch ngoài mà không bị xoắn dây.

2.

• Nguyên tắc tạo ra suất điện động xoay chiều:

Dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Khi cho khung dây quay đều trong từ trường đều, từ thông qua khung biến thiên điều hoà theo thời gian → trong khung xuất hiện suất điện động cảm ứng biến thiên điều hoà theo hàm sin hoặc cosin.

• Các yếu tố cần để tạo ra dòng điện xoay chiều:

• Nguồn từ trường (nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện).
• Khung dây (hoặc cuộn dây) dẫn kín.
• Bộ phận làm khung dây quay đều trong từ trường (hoặc làm nam châm quay).
• Mạch ngoài kín nối với hai đầu khung dây.
• Vành khuyên và chổi quét để dẫn điện từ khung dây quay ra mạch ngoài cố định.

• Thiết kế phương án tạo ra dòng điện xoay chiều:

• Phương án 1: Đặt khung dây trong từ trường của nam châm cố định, làm khung dây quay đều quanh trục vuông góc với đường sức từ.
• Phương án 2: Đặt cuộn dây cố định, làm nam châm quay quanh cuộn dây.

Cả hai phương án đều làm từ thông qua cuộn dây biến thiên điều hoà → sinh ra dòng điện xoay chiều.

Hoạt động trang 74

Đề bài: Dựa vào đồ thị biểu diễn cường độ dòng điện xoay chiều theo thời gian như Hình 17.3, hãy thực hiện các yêu cầu sau:

• Xác định chu kì $T$ (s) và tần số $f$ (Hz) của dòng điện xoay chiều.
• Xác định giá trị cực đại, giá trị hiệu dụng và pha ban đầu của cường độ dòng điện xoay chiều.
• Viết biểu thức cường độ dòng điện theo thời gian.

Lời giải:

• Chu kì và tần số:

Dựa vào đồ thị Hình 17.3, một chu kì hoàn chỉnh của dòng điện là $T = 0{,}02$ s.

Tần số: $f = \dfrac{1}{T} = \dfrac{1}{0{,}02} = 50$ Hz.

Tần số góc: $\omega = 2\pi f = 2\pi \cdot 50 = 100\pi$ rad/s.

• Giá trị cực đại, giá trị hiệu dụng và pha ban đầu:

• Giá trị cực đại: $I_0 = 4$ A.
• Giá trị hiệu dụng: $I = \dfrac{I_0}{\sqrt{2}} = \dfrac{4}{\sqrt{2}} = 2\sqrt{2}$ A.
• Tại thời điểm $t = 0$, đồ thị cho thấy cường độ dòng điện bằng $0$ và đang tăng → pha ban đầu $\varphi_i = -\dfrac{\pi}{2}$ rad.

• Biểu thức cường độ dòng điện theo thời gian:

$$\boxed{i = 4\cos\left(100\pi t – \dfrac{\pi}{2}\right) ; (\text{A})}$$

III. Máy phát điện xoay chiều

Hoạt động trang 75

Đề bài:

1. Hãy viết biểu thức suất điện động của máy phát điện xoay chiều trong trường hợp khung dây có N vòng dây, quay với tốc độ góc $\omega$ trong từ trường đều có vectơ cảm ứng từ $\vec{B}$ ($\vec{B}$ vuông góc với trục quay của khung).
2. Vì sao cần sử dụng vành khuyên và chổi quét để dẫn điện ra mạch ngoài đối với các máy phát điện xoay chiều hoạt động theo cách thứ nhất?

Lời giải:

1. Với khung dây có $N$ vòng dây, quay đều với tốc độ góc $\omega$ trong từ trường đều $\vec{B}$ (vuông góc với trục quay):

• Từ thông qua một vòng dây tại thời điểm $t$: $\Phi_1 = BS\cos(\omega t + \varphi_0)$.
• Từ thông tổng qua khung dây có N vòng: $\Phi = N \Phi_1 = NBS\cos(\omega t + \varphi_0)$.

Áp dụng định luật Faraday:

$$e = -\dfrac{d\Phi}{dt} = NBS\omega\sin(\omega t + \varphi_0)$$

Hay có thể viết dưới dạng cosin:

$$\boxed{e = E_0\cos(\omega t + \varphi_0′) ; (\text{V})}$$

Trong đó $E_0 = NBS\omega$ là suất điện động cực đại.

2. Cần sử dụng vành khuyên và chổi quét vì:

• Khi khung dây (rôto) quay, hai đầu khung dây cũng quay theo.
• Nếu nối trực tiếp hai đầu khung dây với mạch ngoài bằng dây dẫn cố định → các dây dẫn sẽ bị xoắn lại sau vài vòng quay → dễ đứt và không thể lấy điện ra ngoài.
• Vành khuyên gắn cố định vào hai đầu khung dây (quay cùng khung), còn chổi quét thì cố định và tì vào vành khuyên → dòng điện được truyền từ khung dây qua vành khuyên rồi qua chổi quét ra mạch ngoài mà không bị xoắn dây.

IV. Ứng dụng và quy tắc an toàn khi sử dụng dòng điện xoay chiều

Hoạt động trang 76 (Ứng dụng)

Đề bài: Thảo luận để thực hiện các yêu cầu sau:

1. Ngoài thắp sáng, chạy máy thì dòng điện xoay chiều còn được sử dụng vào những việc gì?
2. Tìm hiểu thông qua sách báo, internet về các biện pháp giảm hao phí trong truyền tải điện năng đi xa bằng dòng điện xoay chiều.

Lời giải:

1. Ngoài thắp sáng và chạy máy, dòng điện xoay chiều còn được sử dụng vào rất nhiều việc, dựa trên các tác dụng của nó:

• Tác dụng nhiệt: bếp điện, lò nướng, bàn là, ấm điện, bình nước nóng, máy sưởi.
• Tác dụng từ: quạt điện, máy giặt, tủ lạnh, máy bơm nước, máy khoan.
• Tác dụng phát sáng: đèn LED, đèn huỳnh quang, đèn sợi đốt.
• Tác dụng sinh lí: máy sốc điện (khử rung tim), máy châm cứu điện.
• Trong y tế: máy chụp X-quang, máy siêu âm, máy chụp cộng hưởng từ (MRI), máy điện tim.

2. Các biện pháp giảm hao phí trong truyền tải điện năng đi xa:

Công suất hao phí trên đường dây có dạng $P_{hp} = I^2 R$. Do đó, muốn giảm hao phí ta có thể:

• Tăng điện áp truyền tải (bằng máy biến áp): khi điện áp tăng $n$ lần thì dòng điện giảm $n$ lần → hao phí giảm $n^2$ lần. Đây là biện pháp hiệu quả nhất và được áp dụng phổ biến.
• Giảm điện trở $R$ của đường dây: chọn dây dẫn có tiết diện lớn hơn, làm bằng vật liệu dẫn điện tốt (đồng, nhôm).
• Rút ngắn khoảng cách truyền tải khi có thể.
• Lắp đặt các trạm biến áp dọc theo tuyến truyền tải để nâng, hạ điện áp cho phù hợp.

Hoạt động trang 76 (Quy tắc an toàn)

Đề bài: Thảo luận để thực hiện các yêu cầu sau:

1. Nhận biết được ý nghĩa của những biển báo an toàn điện.
2. Vì sao không nên sử dụng thiết bị điện trong quá trình sạc pin?
3. Vì sao cần lựa chọn và lắp đặt thiết bị đóng, ngắt điện ở vị trí phù hợp, dễ tiếp cận nhất tại gia đình?
4. Vì sao cần lựa chọn thiết bị điện có chất lượng, có công suất phù hợp với mạng lưới điện?
5. Nêu tầm quan trọng của việc tuân thủ quy tắc an toàn khi sử dụng dòng điện xoay chiều trong cuộc sống.

Lời giải:

1. Ý nghĩa các biển báo an toàn điện: các biển báo có tác dụng cảnh báo người xung quanh về nguy cơ điện giật, giúp phòng tránh tai nạn. Một số biển thường gặp:

• “Cấm lại gần! Có điện nguy hiểm chết người” → cảnh báo khu vực có điện thế cao.
• “Cấm đóng điện, có người đang làm việc” → cảnh báo khi đang sửa chữa.
• Biểu tượng tia sét trong tam giác vàng → cảnh báo có điện.

2. Không nên sử dụng thiết bị điện trong quá trình sạc pin vì:

• Khi vừa sạc vừa dùng, thiết bị và pin nóng lên nhanh chóng → dễ gây chập cháy, thậm chí nổ pin.
• Trong lúc sạc, nếu thiết bị gặp sự cố (rò rỉ điện, hỏng bộ sạc) có thể gây giật điện nguy hiểm cho người dùng.
• Làm giảm tuổi thọ pin và thiết bị.

3. Cần lắp thiết bị đóng, ngắt điện (cầu dao, aptomat) ở vị trí phù hợp, dễ tiếp cận vì:

• Để có thể ngắt điện nhanh chóng khi xảy ra sự cố (chập điện, cháy nổ, có người bị điện giật).
• Thuận tiện cho việc bảo trì, sửa chữa mạng điện trong gia đình.
• Đảm bảo an toàn cho tất cả các thành viên, đặc biệt là trẻ em và người già.

4. Cần lựa chọn thiết bị điện có chất lượng và công suất phù hợp vì:

• Thiết bị chất lượng đảm bảo an toàn khi sử dụng, giảm nguy cơ chập, cháy nổ.
• Công suất phù hợp với mạng lưới điện gia đình → tránh quá tải, không gây hư hỏng dây dẫn và các thiết bị khác.
• Tiết kiệm điện năng và kéo dài tuổi thọ thiết bị.

5. Tầm quan trọng của việc tuân thủ quy tắc an toàn khi sử dụng dòng điện xoay chiều:

• Bảo vệ tính mạng và sức khoẻ của bản thân và mọi người trong gia đình khỏi nguy cơ điện giật.
• Tránh nguy cơ cháy nổ, hoả hoạn do chập điện gây thiệt hại về tài sản.
• Bảo vệ các thiết bị điện, tránh hư hỏng do sự cố về điện.
• Góp phần tiết kiệm điện năng, giảm chi phí sinh hoạt cho gia đình và toàn xã hội.

Em có thể

Nêu được ý nghĩa của các thông số ghi trên các thiết bị điện

Lời giải:

Trên các thiết bị điện thường ghi các thông số cơ bản như: điện áp định mức (V), công suất định mức (W), tần số (Hz), cường độ dòng điện định mức (A).

Ví dụ: Trên bóng đèn ghi “220V – 100W”:

• 220V: điện áp định mức — hiệu điện thế cần thiết để bóng đèn hoạt động bình thường. Nếu điện áp thực tế thấp hơn → đèn sáng yếu; nếu cao hơn → đèn dễ cháy, hỏng.
• 100W: công suất định mức — công suất mà bóng đèn tiêu thụ khi hoạt động ở điện áp 220V.

Ngoài ra:

• Tần số (Hz): tần số của nguồn điện xoay chiều mà thiết bị được thiết kế để sử dụng (ở Việt Nam là 50 Hz).
• Cường độ dòng điện định mức (A): cường độ dòng điện mà thiết bị tiêu thụ khi hoạt động bình thường.

Ý nghĩa: giúp người dùng lựa chọn thiết bị phù hợp với mạng điện, tránh dùng sai điện áp gây hỏng thiết bị hoặc gây nguy hiểm.

Giải thích được cách tạo ra dòng điện xoay chiều trong nhà máy thuỷ điện

Lời giải:

Nhà máy thuỷ điện tạo ra dòng điện xoay chiều dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, thông qua quá trình chuyển hoá năng lượng:

$$\text{Thế năng nước} ; \to ; \text{Động năng nước} ; \to ; \text{Cơ năng tuabin} ; \to ; \text{Điện năng}$$

Các bước cụ thể:

• Bước 1: Nước được tích trữ ở đập cao (mang thế năng lớn). Khi mở cửa xả, nước từ đập cao chảy xuống mạnh mẽ.
• Bước 2: Dòng nước chảy xuống làm quay tuabin (bánh xe có nhiều cánh) đặt phía dưới.
• Bước 3: Trục của tuabin nối với rôto của máy phát điện → tuabin quay làm rôto quay.
• Bước 4: Rôto quay trong lòng stato (gồm các cuộn dây) → từ thông qua các cuộn dây stato biến thiên điều hoà → xuất hiện suất điện động cảm ứng trong các cuộn dây (theo định luật Faraday).
• Bước 5: Suất điện động này tạo ra dòng điện xoay chiều, được truyền đến mạng lưới điện quốc gia qua hệ thống máy biến áp và đường dây tải điện.

Đề xuất được một số biện pháp sử dụng điện an toàn trong gia đình

Lời giải:

Một số biện pháp sử dụng điện an toàn trong gia đình:

• Lắp đặt thiết bị bảo vệ: cầu dao, aptomat, cầu chì, thiết bị chống rò điện (ELCB) để tự động ngắt mạch khi có sự cố.
• Sử dụng ổ cắm có nắp che, tránh trẻ em nghịch nghợm.
• Không sử dụng thiết bị điện khi tay ướt hoặc khi đứng trong nước, môi trường ẩm.
• Không cắm quá nhiều thiết bị công suất lớn vào cùng một ổ cắm → tránh quá tải, cháy nổ.
• Kiểm tra, bảo trì dây điện định kỳ, thay ngay khi dây bị hư, đứt vỏ cách điện.
• Ngắt nguồn điện khi rời khỏi nhà lâu ngày hoặc khi có mưa bão, sấm sét.
• Không tự ý sửa chữa điện khi chưa có kiến thức chuyên môn; nên nhờ thợ điện có tay nghề.
• Không chạm vào dây điện đứt rơi xuống đất, phải báo ngay cho cơ quan điện lực.
• Đặt các thiết bị điện xa nguồn nước, xa tầm với của trẻ em.
• Ngắt điện trước khi vệ sinh, thay bóng đèn hoặc bảo trì thiết bị.

Thầy Phạm Trần Quốc Anh

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Vật Lý THPT

Trình độ: Cử nhân Sư phạm Vật lý, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 9+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Lê Quí Đôn