Giải bài 51: Truyền tải điện năng - Máy biến áp

A. Hoạt động khởi động

Tại sao điện năng sau khi được sản xuất ở nhà máy thủy điện Hòa Bình lại được tăng hiệu điện thế lên 500 kV, trong khi hiệu điện thế sử dụng trong các hộ gia đình chỉ có 220V.?

Thiết bị nào giúp ta tăng và giảm hiệu điện thế? Thiết bị này được sử dụng như thế nào trong đời sống và kĩ thuật?

Trả lời: 

Cần tăng hiệu điện thế lên 500kV để giảm hao phí khi truyền tải điện năng.

Thiết bị giúp ta tăng và giảm hiệu điện thế là máy biến áp. Thiết bị này được sử dụng rất phổ biến trong đời sống và kĩ thuật.

B. Hoạt động hình thành kiến thức

1. Sự hao phí điện năng trên đường dây truyển tải điện

Lập công thức xác định sự phụ thuộc của công suất hao phí ($\mathcal{P}_{hp}$) theo $\mathcal{P}$, U và R

Hoàn thành kết luận sau:

• Muốn giảm hao phí do toả nhiệt trên đường dây dẫn thì có thể giảm điện trở của dây tải điện; hoặc tăng hiệu điện thế ở hai đầu đường dây.
• Công suất hao phí do toả nhiệt trên đường dây tải điện tỉ lệ thuận với điện trở dây dẫn và tỉ lệ nghịch với bình phương hiệu điện thế đặt vào hai đầu đường dây.

Từ công thức tìm được ở trên, khi cần truyền tải một công suất $\mathcal{P}$ xác định mà muốn giảm công suất hao phí trên đường dây thì có thể có những các làm nào?

Muốn giảm điện trở của dây dẫn thì có những cách nào? Trong thực tế người ta đã làm cách nào để giảm điện trở của dây dẫn?

Muốn tăng hiệu điện thế đặt vào hai đầu đường dây tải điện trong thực tế người ta làm cách nào?

Trả lời:

Công suất của toàn mạch là: $\mathcal{P} = U\times I$

Công suất hao phí do tỏa nhiệt là: $\mathcal{P}_{hp} = I^2\times R = \frac{(\mathcal{P})^2}{U^2}\times R = \frac{R\times \mathcal{P}^2}{U^2}$

• Muốn giảm hao phí do toả nhiệt trên đường dây dẫn thì có thể giảm điện trở của dây tải điện; hoặc tăng hiệu điện thế ở hai đầu đường dây.
• Công suất hao phí do toả nhiệt trên đường dây tải điện tỉ lệ thuận với điện trở dây dẫn và tỉ lệ nghịch với bình phương hiệu điện thế đặt vào hai đầu đường dây.

Muốn giảm hao phí trên đường dây thì có thể tăng điện áp U hoặc giảm điện trở R của dây dẫn.

Muốn giảm điện trở của dây dẫn, ta cần tăng tiết diện của dây dẫn do điện trở của dây được xác định theo công thức: $R = \rho \frac{l}{S}$ mà $l$ không đổi.

Muốn tăng hiệu điện thế đặt vào hai đầu đường dây tải điện trong thực tế người ta sử dụng máy biến áp.

2. Cấu tạo, nguyên tắc hoạt động và tác dụng làm biến đội hiệu điện thế của máy biến áp

a) Cấu tạo

Hãy quan sát sơ đồ mô tả các bộ phận chính của máy biến áp (Hình 51.1) và hoàn thành kết luận sau:

Máy biến áp gồm $...$ bộ phận chính. Hai cuộn dây dẫn có số vòng dây $...$, đặt cách điện với nhau. Một lõi $...$ dùng chung cho cả hai cuộn dây.

b) Nguyên tắc hoạt động

Thí nghiệm: sgk trang 106

Hoàn thành các kết luận sau:

• Khi đặt vào hai đầu cuộn sơ cấp một hiệu điện thế một chiều thì bóng đèn mắc ở hai đầu cuộn dây thứ cấp $...$.
• Khi đặt vào hai đầu cuộn sơ cấp một hiệu điện thế xoay chiều thì bóng đèn mắc ở hai đầu cuộn dây thứ cấp $...$.
• Nếu đặt vào hai đầu cuộn sơ cấp một hiệu điện thế xoay chiều thì hiệu điện thế xuất hiện ở hai đầu cuộn thức cấp $...$
• Từ kết quả thí nghiệm và các kiến thức đã học, hãy giải thích nguyên tắc hoạt động của máy biến áp.

c) Tác dụng làm biến đổi hiệu điện thế của máy biến áp

Sử dụng các máy biến áp được cung cấp, đọc và ghi lại số vòng $n_1$ của cuộn sơ cấp và $n_2$ của cuộn thứ cấp, rồi tiến hành thí nghiệm đohiệu điện thế ở hai đầu cuộn sơ cấp $U_1$ và hiệu điện thế ở hai đầu cuộn thứ cấp $U_2$ để hoàn thiện bảng số liệu sau:

Dựa vào bảng số liệu trên hãy rút ra nhận xét về mối quan hệ giữa hiệu điện thế U đặt vào hai đầu cuộn dây và số vòng n của các cuộn dây của máy biến áp.

•  Khi đặt vào hai đầu cuộn sơ cấp của máy biến thế một hiệu điện thế $....$ thì ở hai đầu cuộn thứ cấp xuất hiện một hiệu điện thế $...$
• Hiệu điện thế ở hai đầu mỗi cuộn dây tỉ lệ $...$ với số vòng dây của mỗi cuộn.
• Khi hiệu điện thế ở cuộn sơ cấp $...$ hiệu điện thế ở cuộn thứ cấp ta có máy hạ thế. Còn khi hiệu điện thế ở cuộn sơ cấp $...$ hiệu điện thế ở cuộn thứ cấp ta có máy tăng thế.

Trả lời

a)

Máy biến áp gồm 2 bộ phận chính. Hai cuộn dây dẫn có số vòng dây khác nhau, đặt cách điện với nhau. Một lõi thép dùng chung cho cả hai cuộn dây.

b)

• Khi đặt vào hai đầu cuộn sơ cấp một hiệu điện thế một chiều thì bóng đèn mắc ở hai đầu cuộn thứ cấp không sáng.
• Khi đặt vào hai đầu cuộn sơ cấp một hiệu điện thế xoay chiều thì bóng đèn mắc ở hai đầu cuộn thứ cấp phát sáng.
• Nếu đặt vào hai đầu cuộn sơ cấp một hiệu điện thế xoay chiều thì hiệu điện thế xuất hiện ở hai đầu cuộn thứ cấp cũng là hiệu điện thế xoay chiều.

c) 

•  Khi đặt vào hai đầu cuộn sơ cấp của máy biến thế một hiệu điện thế xoay chiều thì ở hai đầu cuộn thứ cấp xuất hiện một hiệu điện thế xoay chiều
• Hiệu điện thế ở hai đầu mỗi cuộn dây tỉ lệ thuận với số vòng dây của mỗi cuộn $\frac{U_1}{U_2} = \frac{n_1}{n_2}$
• Khi hiệu điện thế ở cuộn sơ cấp lớn hơn hiệu điện thế ở cuộn thứ cấp ta có máy hạ thế. Còn khi hiệu điện thế ở cuộn sơ cấp nhỏ hơn hiệu điện thế ở cuộn thứ cấp ta có máy tăng thế.