Lý thuyết Máy phát điện xoay chiều - Vật lí 12 Kết nối tri thức

Bài 17. Máy phát điện xoay chiều

I. Nguyên tắc tạo ra dòng điện xoay chiều

- Xét một khung dây dẫn MNPQ có diện tích S, quay đều với tốc độ góc \(\omega \) quanh một trục OO’ vuông góc với các đường sức của một từ trường đều có cảm ứng từ \(\overrightarrow {\rm{B}} \).

- Theo hiện tượng cảm ứng điện từ, trong khung dây xuất hiện một suất điện động biến đổi theo thời gian:

\(e = {E_0}\cos \left( {\omega t + {\varphi _0}} \right)\)           (*)

Trong đó:

+) \({E_0} = BS\omega \) là suất điện động cực đại trong khung dây

+) \({\varphi _0}\) là pha ban đầu của suất điện động.

- Nếu khung dây dẫn MNPQ có N vòng dây thì suất điện động cực đại của khung dây là \({E_0} = NBS\omega \).

- Suất điện động biến đổi theo thời gian theo định luật dạng cosin (hoặc sin) trong biểu thức (*) được gọi là suất điện động xoay chiều. Chu kì T và tần số f của suất điện động liên hệ với tần số góc \(\omega \) bởi các công thức:

\({\rm{T}} = \frac{{2\pi }}{\omega }({\rm{s}}),{\rm{f}} = \frac{\omega }{{2\pi }}({\rm{Hz}})\)

- Khi nối hai đầu khung dây dẫn trên với điện trở thuần R tạo thành mạch kín, thì dòng điện trong khung dây dẫn biến thiên theo thời gian với tần số bằng tần số của suất điện động xoay chiều. Dòng điện này gọi là dòng điện xoay chiều.

Do đó, nguyên tắc tạo ra dòng điện xoay chiều dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ là làm cho từ thông qua khung dây dẫn biến thiên điều hoà theo thời gian.

II. Dòng điện xoay chiều

1. Biểu thức dòng điện xoay chiều

- Trong trường hợp tổng quát, biểu thức của điện áp xoay chiều giữa hai đầu đoạn mạch và cường độ dòng điện xoay chiều chạy trong mạch có dạng:

\(\begin{array}{l}u = {U_0}\cos \left( {\omega t + {\varphi _u}} \right)\,\left( V \right)\\i = {I_0}\cos \left( {\omega t + {\varphi _i}} \right)\,\left( A \right)\end{array}\)

Trong đó:

+ \(\omega \) là tần số góc của dòng điện xoay chiều, bằng tần số góc của suất điện động cảm ứng do máy phát điện xoay chiều tạo ra.

+ \(u\) và \(i\) là giá trị tức thời của điện áp giữa hai đầu đoạn mạch và cường độ dòng điện trong mạch.

+ \({U_0}\) và \({I_0}\) là độ lớn cực đại (biên độ) của điện áp và cường độ dòng điện xoay chiều.

+ \({\varphi _u}\) và \({\varphi _i}\) là pha ban đầu của điện áp và cường độ dòng điện xoay chiều.

- Dòng điện có cường độ biến thiên điều hòa với thời gian theo quy luật của hàm cosin (hoặc sin) gọi là dòng điện xoay chiều

2. Giá trị hiệu dụng

- Cường độ hiệu dụng của dòng điện xoay chiều bằng cuờng độ của một dòng điện không đổi, nếu cho hai dòng điện đó lần luợt đi qua cùng một điện trở trong những khoảng thời gian bằng nhau thì nhiệt luợng toả ra bằng nhau:

\(I = \frac{{{I_0}}}{{\sqrt 2 }}\)

- Ngoài ra, đối với dòng điện xoay chiều, người ta cũng định nghĩa giá trị hiệu dụng của điện áp ở hai đầu đoạn mạch là:

\(U = \frac{{{U_0}}}{{\sqrt 2 }}\)

Và suất điện động hiệu dụng của nguồn điện là:

\(E = \frac{{{E_0}}}{{\sqrt 2 }}\)

III. Máy phát điện xoay chiều

1. Cấu tạo

- Máy phát điện xoay chiều hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, có hai bộ phận chính là phần cảm và phần ứng.

+ Phần cảm: là nam châm điện hoặc nam châm vĩnh cửu dùng để tạo ra từ trường.

+ Phần ứng: là các cuộn dây dẫn, trong đó xuất hiện suất điện động cảm ứng khi máy hoạt động.

- Một trong hai bộ phận chính được đặt cố định gọi là stato; phần còn lại quay quanh một trục gọi là roto.

2. Nguyên tắc hoạt động

Các máy phát điện xoay chiều một pha có thể hoạt động theo hai cách:

- Cách 1: Phần ứng quay, phần cảm cố định

+ Các máy hoạt động theo cách này có stato là nam châm đặt cố định, roto là khung dây quay quanh một trục trong từ trường tạo bởi stato.

+ Để dẫn dòng điện ra mạch ngoài, người ta dùng hai vành khuyên đặt đồng trục và cùng quay với khung dây (Hình vẽ).

+ Mỗi vành khuyên có một thanh quét ép sát. Khi khung dây quay, hai vành khuyên trượt trên hai thanh quét, dòng diện truyền từ khung dây qua hai thanh quét ra mạch ngoài.

- Cách 2: Phần cảm quay, phần ứng cố định

+ Các máy hoạt động theo cách này có roto là nam châm, thường là nam châm điện với từ trường được tạo bởi dòng điện một chiều. Các cuộn dây của roto có lõi sắt và xếp thành vòng tròn, quay quanh trục qua tâm vòng tròn.

+ Stato của máy gồm nhiều cuộn dây có lõi sắt, được sắp xếp cách đều nhau thành một vòng tròn (Hình vẽ).

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

1. Ứng dụng của dòng điện xoay chiều trong cuộc sống

- Dòng điện xoay chiều có ưu thế trong việc truyền tải điện năng đi xa, dẫn điện đến các nhà máy, xí nghiệp sản xuất, nơi tiêu thụ có sử dụng dòng điện xoay chiều.

- Dòng điện xoay chiều được sử dụng rộng rãi trong cuộc sống là nhờ vào các tác dụng nhiệt, tác dụng từ, tác dụng phát sáng và tác dụng sinh lí của nó.

- Các thiết bị như quạt điện, động cơ điện, đèn điện,... đã chuyển hoá năng lượng điện thành các dạng năng lượng khác nhằm đáp ứng các nhu cầu sống, sinh hoạt, lao động, sản xuất,... của con người.

- Trong y học, dòng điện xoay chiều được sử dụng để vận hành các thiết bị y tế bao gồm: máy chẩn đoán hình ảnh (như máy chụp cộng hưởng từ, máy siêu âm, máy chụp X- quang) hoặc các máy hỗ trợ điều trị bệnh nhân (như máy sốc điện, máy điện tim),...

2. Quy tắc an toàn khi sử dụng dòng điện xoay chiều

Để đảm bảo an toàn khi sử dụng điện xoay chiều, cần tuân thủ những quy tắc an toàn điện dưới đây:

+ Lắp đặt thiết bị đóng ngắt điện (cầu dao hay aptomat) đúng cách để ngắt dòng điện khi có chập điện hay quá tải.

+ Lựa chọn thiết bị đóng/ngắt điện phù hợp với công suất sử dụng.

+ Nơi lắp đặt cầu dao, cầu chì, công tắc, ổ điện phải ở những vị trí cao, khô ráo, thuận tiện.

+ Giữ khoảng cách an toàn với những khu vực có điện áp cao.

+ Nối đất vỏ kim loại cho các thiết bị điện (máy giặt, tủ lạnh, bếp điện,...).

+ Thường xuyên kiểm tra các thiết bị, đường dây điện, thiết bị đóng ngắt bảo vệ điện trong nhà để phòng tránh các sự cố giật diện, cháy nổ,...

+ Khi nhà bị ngập hoặc bị mưa bão làm tốc mái, cần ngắt cầu dao điện để đảm bảo an toàn.

Sơ đồ tư duy về “Máy phát điện xoay chiều”