Bài tập Vật Lí 12 Bài 17: Máy phát điện xoay chiều (25 bài tập)

Lớp 12 · Vật Lí Bài 17

Máy Phát Điện Xoay Chiều

Nguyên tắc tạo dòng điện xoay chiều, suất điện động $e = E_0\cos(\omega t + \varphi)$, giá trị hiệu dụng $I = \dfrac{I_0}{\sqrt{2}}$ và cấu tạo máy phát điện

1
Nguyên tắc tạo ra dòng điện xoay chiều
NGUYÊN TẮC
Tạo ra từ thông biến thiên điều hòa qua một khung dây dẫn kín, dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ.

Có hai cách thực hiện: cho khung dây quay đều trong từ trường đều, hoặc cho nam châm quay đều quanh cuộn dây.

Khung dây quay đều trong từ trường
Hình 17.1. Khung dây quay đều trong từ trường đều (trục quay vuông góc với $\vec{B}$)

▸ Từ thông qua khung dây

Khung gồm $N$ vòng, diện tích mỗi vòng $S$, quay đều với tốc độ góc $\omega$. Gọi $\alpha = \omega t + \varphi_0$ là góc giữa pháp tuyến $\vec{n}$ và $\vec{B}$. Khi đó:

$\Phi = NBS\cos(\omega t + \varphi_0) = \Phi_0\cos(\omega t + \varphi_0)$

với $\Phi_0 = NBS$ là từ thông cực đại. Từ thông biến thiên điều hòa theo thời gian.

▸ Các vị trí đặc biệt của khung dây

Vị trí mặt phẳng khungGóc $\alpha$Từ thôngSuất điện động
Song song $\vec{B}$$90$°$\Phi = 0$$|e| = E_0$ (cực đại)
Vuông góc $\vec{B}$$0$° hoặc $180$°$\Phi$ cực đại$e = 0$ (đổi chiều)
💡
Mẹo: Từ thông cực đại thì suất điện động bằng 0; từ thông bằng 0 thì suất điện động cực đại.
2
Suất điện động cảm ứng trong khung quay

Khi từ thông $\Phi = \Phi_0\cos(\omega t + \varphi_0)$ biến thiên, theo định luật Faraday, trong khung xuất hiện suất điện động cảm ứng biến thiên điều hòa:

SUẤT ĐIỆN ĐỘNG XOAY CHIỀU
$e = E_0\cos(\omega t + \varphi)$
Đại lượngCông thức / Ý nghĩa
$E_0$$E_0 = NBS\omega$ — suất điện động cực đại
$\omega$$\omega = \dfrac{2\pi}{T} = 2\pi f$ — tần số góc (rad/s)
$\varphi$Pha ban đầu của suất điện động
⚠️
Nhớ công thức $E_0 = NBS\omega$ phải có $\omega$. Muốn tăng $E_0$ ta tăng $N$, $B$, $S$ hoặc $\omega$; muốn thay đổi tần số $f$ ta thay đổi tốc độ quay của khung (hoặc nam châm).
📐 Ví dụ — Suất điện động cực đại
Khung dây $N = 100$ vòng, diện tích mỗi vòng $S = 50$ cm² $= 5 \times 10^{-3}$ m², quay đều $n = 3000$ vòng/phút trong từ trường $B = 0{,}2$ T.
Tốc độ góc: $n = 3000$ vòng/phút $= 50$ vòng/s → $\omega = 2\pi n = 100\pi$ rad/s.
Suất điện động cực đại: $E_0 = NBS\omega = 100 \times 0{,}2 \times 5 \times 10^{-3} \times 100\pi = 10\pi \approx 31{,}4$ V.
3
Các đại lượng đặc trưng của dòng điện xoay chiều
ĐỊNH NGHĨA
Dòng điện xoay chiều là dòng điện có cường độ biến thiên điều hòa theo thời gian theo quy luật hàm cosin (hoặc sin).

▸ Biểu thức

$i = I_0\cos(\omega t + \varphi_i)\qquad u = U_0\cos(\omega t + \varphi_u)$

Trong đó $I_0, U_0$ là giá trị cực đại (biên độ); $\varphi_i, \varphi_u$ là pha ban đầu; $(\omega t + \varphi)$ là pha tức thời.

▸ Chu kì – Tần số – Tần số góc

Đại lượngCông thứcĐơn vị
Chu kì $T$$T = \dfrac{2\pi}{\omega} = \dfrac{1}{f}$giây (s)
Tần số $f$$f = \dfrac{1}{T} = \dfrac{\omega}{2\pi}$Héc (Hz)
Tần số góc $\omega$$\omega = \dfrac{2\pi}{T} = 2\pi f$rad/s

▸ Độ lệch pha giữa u và i

$\Delta\varphi = \varphi_u - \varphi_i$
Trường hợpMô tả
$\Delta\varphi > 0$$u$ sớm pha hơn $i$
$\Delta\varphi < 0$$u$ trễ pha hơn $i$
$\Delta\varphi = 0$$u$ và $i$ cùng pha
📐 Ví dụ — Đọc các đại lượng từ biểu thức
Cho $i = 2\cos\left(50\pi t + \dfrac{\pi}{3}\right)$ (A).
Cực đại: $I_0 = 2$ A; tần số góc: $\omega = 50\pi$ rad/s.
Chu kì: $T = \dfrac{2\pi}{\omega} = \dfrac{2\pi}{50\pi} = 0{,}04$ s → tần số: $f = 25$ Hz.
Pha ban đầu: $\varphi = \dfrac{\pi}{3}$ rad.
4
Giá trị hiệu dụng
ĐỊNH NGHĨA
Giá trị hiệu dụng của dòng xoay chiều bằng cường độ của một dòng điện không đổi mà khi qua cùng một điện trở $R$ thì công suất tỏa nhiệt là như nhau.
CÔNG THỨC HIỆU DỤNG
$I = \dfrac{I_0}{\sqrt{2}}\qquad U = \dfrac{U_0}{\sqrt{2}}\qquad E = \dfrac{E_0}{\sqrt{2}}$

Hay viết ngược: $I_0 = I\sqrt{2}$; $U_0 = U\sqrt{2}$; $E_0 = E\sqrt{2}$. Lưu ý $\dfrac{1}{\sqrt{2}} \approx 0{,}707$ và $\sqrt{2} \approx 1{,}414$.

🔌
Các dụng cụ đo điện xoay chiều (vôn kế, ampe kế) đo giá trị hiệu dụng. Điện áp 220 V trong gia đình là giá trị hiệu dụng; giá trị cực đại là $U_0 = 220\sqrt{2} \approx 311$ V.

▸ Đọc đồ thị i – t

Đồ thị cường độ dòng điện xoay chiều theo thời gian
Hình 17.3. Đồ thị biểu diễn cường độ dòng điện xoay chiều theo thời gian

Từ đồ thị: chu kì $T$ là khoảng cách giữa hai đỉnh liên tiếp; biên độ là $I_0$; pha ban đầu suy từ giá trị $i$ tại $t = 0$; rồi tính $f = \dfrac{1}{T}$ và $I = \dfrac{I_0}{\sqrt{2}}$.

5
Máy phát điện xoay chiều

▸ Cấu tạo

Bộ phậnChức năngCấu tạo
Phần cảmTạo ra từ trườngNam châm vĩnh cửu / nam châm điện
Phần ứngTạo ra suất điện động và dòng điệnCác cuộn dây dẫn

Phần quay gọi là rôto, phần đứng yên gọi là stato. Mẹo nhớ: "Cảm = cho từ trường; Ứng = sinh ra dòng điện".

Rôto và stato của máy phát điện
Hình 17.5. Rôto và stato của máy phát điện xoay chiều

▸ Nguyên tắc hoạt động

Dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ: khi từ thông qua cuộn dây biến thiên (do quay khung dây hoặc quay nam châm), trong cuộn dây xuất hiện suất điện động cảm ứng.

$e = E_0\cos(\omega t + \varphi)\quad\text{với}\quad E_0 = NBS\omega$

▸ Cách lấy điện ra mạch ngoài

Phần ứng làCách lấy điện
Rôto (cuộn dây quay)Dùng vành khuyên và chổi quét để dây không bị xoắn khi quay
Stato (cuộn dây đứng yên)Lấy điện trực tiếp, không cần vành khuyên (dùng cho máy công suất lớn)
6
Ứng dụng & an toàn điện

▸ Các tác dụng của dòng điện xoay chiều

Tác dụngỨng dụng
NhiệtBàn là, bếp điện, bình nóng lạnh
TừĐộng cơ điện, quạt điện, máy bơm
Phát sángĐèn sợi đốt, đèn huỳnh quang, đèn LED
Sinh líThiết bị y tế (máy kích tim, vật lí trị liệu)

▸ Quy tắc an toàn khi dùng điện xoay chiều

  • Không lại gần đường dây điện cao thế, trạm biến áp.
  • Không chạm vào dây điện bị mất vỏ cách điện.
  • Đặt công tắc điện ở vị trí dễ tiếp cận để ngắt điện nhanh khi có sự cố.
  • Dùng thiết bị điện chất lượng, phù hợp với mạng điện để tránh quá tải, chập điện.
  • Không để trẻ em chơi gần ổ điện.
Chú ý các biển báo: Nguy hiểm – Điện cao áp, Cấm lại gần, Chú ý – Có điện ở trạm biến áp, tủ điện, cột điện cao thế.
7
Tổng kết

▸ Công thức cần nhớ

Công thứcÝ nghĩa
$\Phi = NBS\cos(\omega t + \varphi_0)$Từ thông qua khung quay
$e = E_0\cos(\omega t + \varphi)$Suất điện động cảm ứng
$E_0 = NBS\omega$Suất điện động cực đại
$i = I_0\cos(\omega t + \varphi_i)$Cường độ dòng điện
$I = \dfrac{I_0}{\sqrt{2}}$Giá trị hiệu dụng
$\omega = \dfrac{2\pi}{T} = 2\pi f$Tần số góc

▸ Lỗi sai thường gặp

❌ Sai✅ Đúng
$I = \dfrac{I_0}{2}$$I = \dfrac{I_0}{\sqrt{2}}$
Điện áp 220 V là giá trị cực đại220 V là giá trị hiệu dụng
$E_0 = NBS$$E_0 = NBS\omega$ (phải có $\omega$)
Suất điện động cực đại khi $\Phi$ cực đạiCực đại khi $\Phi = 0$ (mặt phẳng khung // $\vec{B}$)
Đơn vị tần số là rad/sTần số: Hz; rad/s là của tần số góc $\omega$

Đã nắm vững lý thuyết, các em chuyển sang tab Bài Tập để luyện 25 câu bám sát SGK nhé!

1
Điểm: 0/25

Cùng luyện Bài 17 – Máy phát điện xoay chiều!

25 câu: 19 trắc nghiệm · 2 đúng/sai · 4 tự luận

💡 Gợi ý
Thầy Phạm Trần Quốc Anh

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