Bài 17. Máy phát điện xoay chiều

1. Kiến thức trọng tâm

1.1. Nguyên tắc tạo ra dòng điện xoay chiều

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

• Khi khung dây dẫn diện tích $S$ quay đều với tốc độ góc $\omega$ trong từ trường đều có cảm ứng từ $B$, từ thông qua khung dây biến thiên điều hòa theo thời gian.

• Trong khung dây xuất hiện suất điện động xoay chiều:

$\mathrm{e=}{E}_0\cos \text{⁡(ωt+}{\phi }_0)$.

Trong đó:

• $E_0$: suất điện động cực đại.

• $\omega$: tần số góc.

• ${\phi }_0$: pha ban đầu.

• Đối với khung dây có $N$ vòng: $E_0\text{=NBSω}$.

• Chu kì và tần số liên hệ với tần số góc bởi: $\mathrm{T=}\frac{\mathrm{2\pi }}{\omega }$, $\mathrm{f=}\frac{\omega }{\mathrm{2\pi }}$.

• Nguyên tắc tạo ra dòng điện xoay chiều là làm cho từ thông qua khung dây biến thiên điều hòa theo thời gian.

Với hình mới, ta chọn tại $\mathrm{t=0}$: $\overrightarrow{n}$ cùng chiều $\overrightarrow{B}$, nên $\Phi ={\Phi }_0$ và $\mathrm{e=0}$. Khi khung quay đều, ta có $\Phi ={\Phi }_0\cos \text{⁡(ωt)}$ và $\mathrm{e=}{E}_0\sin \text{⁡(ωt)}$.

Ghi nhớ ngắn: $\Phi$ cực đại hoặc cực tiểu thì $\mathrm{e=0}$; $\Phi \mathrm{=0}$ thì $\mid e\mid$ cực đại; dấu của $e$ phụ thuộc vào chiều biến thiên của $\Phi$ qua hệ thức $\mathrm{e=-}\frac{d\Phi }{\mathrm{dt}}$.

1.2. Dòng điện xoay chiều

Dòng điện có cường độ biến thiên điều hòa theo thời gian theo quy luật hàm sin hoặc cos được gọi là dòng điện xoay chiều.

• Điện áp xoay chiều có dạng: $\mathrm{u=}{U}_0\cos \text{⁡(ωt+}{\phi }_u)$.

• Dòng điện xoay chiều có dạng: $\mathrm{i=}{I}_0\cos \text{⁡(ωt+}{\phi }_i)$.

Trong đó:

• $\mathrm{u,}i$ là giá trị tức thời của điện áp và cường độ dòng điện.

• $U_0,I_0$ là giá trị cực đại của điện áp và cường độ dòng điện.

• ${\phi }_u,{\phi }_i$ là pha ban đầu.

• $\omega$ là tần số góc.

• $\left(\mathrm{\omega t}+{\phi }_u\right)$ là pha của điện áp.

• $\left(\mathrm{\omega t}+{\phi }_i\right)$ là pha của dòng điện.

• Độ lệch pha giữa điện áp và cường độ dòng điện: $\Delta \mathrm{\phi =}{\phi }_u-{\phi }_i$.

1.3. Giá trị hiệu dụng

• Giá trị hiệu dụng của cường độ dòng điện xoay chiều: $\mathrm{I=}\frac{I_0}{\sqrt{2}}$.

• Giá trị hiệu dụng của điện áp xoay chiều: $\mathrm{U=}\frac{U_0}{\sqrt{2}}$.

• Giá trị hiệu dụng là giá trị của dòng điện một chiều tạo ra cùng tác dụng nhiệt như dòng điện xoay chiều trong cùng một điện trở.

1.4. Máy phát điện xoay chiều

a) Cấu tạo

Máy phát điện xoay chiều gồm hai bộ phận chính:

• Phần cảm: tạo ra từ trường (nam châm điện hoặc nam châm vĩnh cửu).

• Phần ứng: các cuộn dây dẫn, nơi xuất hiện suất điện động cảm ứng.

• Bộ phận đứng yên gọi là stato.

• Bộ phận quay gọi là rôto.

b) Nguyên tắc hoạt động

• Máy phát điện xoay chiều hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ.

• Khi rôto quay làm từ thông qua các cuộn dây biến thiên theo thời gian, trong cuộn dây xuất hiện suất điện động cảm ứng xoay chiều.

• Máy phát điện kiểu khung dây quay cần dùng vành khuyên và chổi quét để đưa điện ra mạch ngoài.

• Máy phát điện hiện đại thường có rôto là nam châm điện và stato là các cuộn dây cố định.

1.5. Ứng dụng của dòng điện xoay chiều

• Truyền tải điện năng đi xa.

• Vận hành các thiết bị điện dân dụng và công nghiệp.

• Sử dụng trong các thiết bị y tế.

1.6. Quy tắc an toàn khi sử dụng điện xoay chiều

• Tuân thủ các biển báo an toàn điện.

• Không chạm vào dây dẫn điện hở.

• Không dùng vật kim loại cắm vào ổ điện.

• Tránh lại gần khu vực có điện áp nguy hiểm.

• Kiểm tra, bảo trì thiết bị điện định kì.

• Ngắt nguồn điện khi có thiên tai, sấm sét.

2. Giúp hiểu sâu

💡 Dòng điện xoay chiều được tạo ra nhờ hiện tượng cảm ứng điện từ.

💡 Muốn tạo ra suất điện động xoay chiều phải làm cho từ thông qua khung dây biến thiên tuần hoàn theo thời gian.

💡 Tần số của dòng điện xoay chiều bằng tần số của suất điện động xoay chiều.

💡 Giá trị hiệu dụng được sử dụng trong thực tế để đặc trưng cho điện áp và cường độ dòng điện xoay chiều.

💡 Máy phát điện xoay chiều biến đổi cơ năng thành điện năng.

💡 Dòng điện xoay chiều có ưu thế trong việc truyền tải điện năng đi xa.

3. Ghi nhớ nhanh

• Suất điện động xoay chiều: $\mathrm{e=}{E}_0\cos \text{⁡(ωt+}{\phi }_0)$.

• Suất điện động cực đại: $E_0\text{=NBSω}$.

• Điện áp xoay chiều: $\mathrm{u=}{U}_0\cos \text{⁡(ωt+}{\phi }_u)$.

• Dòng điện xoay chiều: $\mathrm{i=}{I}_0\cos \text{⁡(ωt+}{\phi }_i)$.

• Chu kì: $\mathrm{T=}\frac{\mathrm{2\pi }}{\omega }$.

• Tần số: $\mathrm{f=}\frac{\omega }{\mathrm{2\pi }}$.

• Giá trị hiệu dụng: $\mathrm{I=}\frac{I_0}{\sqrt{2}}$, $\mathrm{U=}\frac{U_0}{\sqrt{2}}$.

• Phần cảm → tạo từ trường.

• Phần ứng → xuất hiện suất điện động cảm ứng.

• Máy phát điện xoay chiều hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ.

4. Lưu ý cho học sinh

• Không nhầm giá trị cực đại $\left(I_0,U_0\right)$ với giá trị hiệu dụng $\left(I,U\right)$.

• Các giá trị ghi trên thiết bị điện và lưới điện như 220 V, 5 A,... đều là giá trị hiệu dụng.

• Khi tính chu kì và tần số cần nhớ: $\mathrm{T=}\frac{1}{f}$.

• Cần phân biệt rõ rôto, stato, phần cảm và phần ứng.

• Trong máy phát điện xoay chiều, suất điện động xuất hiện do từ thông qua cuộn dây biến thiên theo thời gian.

• Công thức giá trị hiệu dụng rất thường gặp trong bài tập: $\mathrm{I=}\frac{I_0}{\sqrt{2}}$, $\mathrm{U=}\frac{U_0}{\sqrt{2}}$.

• Khi gặp các bài toán đồ thị $\text{u(t)}$ hoặc $\text{i(t)}$, cần xác định đúng $U_0$, $I_0$, $T$, $f$ và pha ban đầu trước khi viết phương trình.