3.6 · Generating and distributing electricity and household use

Phát điện và phân phối điện

Di chuyển nam châm, di chuyển dòng điện — xuất hiện hiệu điện thế. Chủ đề thứ sáu của OxfordAQA bao quát toàn bộ chuỗi từ hiệu ứng phát điện, biến áp trong lưới điện quốc gia đến thiết bị và hệ thống an toàn tại nhà. Tất cả nội dung trong chủ đề này là dạng Paper-2 (P).

OxfordAQA International GCSE Physics 9203, topic 3.6 (Phiên bản 5.1) — hoàn toàn là nội dung (P).

Phát điện (P)

Hiệu ứng phát điện tạo ra hiệu điện thế trên một dẫn điện khi nó di chuyển qua từ trường hoặc nằm trong từ trường thay đổi. Đảo ngược chuyển động hoặc cực tính thì hiệu điện thế cảm ứng cũng đảo ngược; từ trường của chính dòng điện cảm ứng chống lại sự thay đổi đó. Hiệu điện thế tăng khi chuyển động nhanh hơn, từ trường mạnh hơn, nhiều vòng dây hơn và diện tích cuộn lớn hơn.

Máy phát điện xoay chiều (alternator) quay cuộn dây trong từ trường để tạo dòng điện xoay chiều; máy phát điện một chiều (dynamo) tạo dòng điện một chiều — hãy nhớ đồ thị hiệu điện thế - thời gian. Các nhà máy điện quay tua-bin để quay cuộn dây giữa các nam châm.

Truyền tải, biến áp và thiết bị gia đình (P)

Từ nhà máy đến ổ cắm, mỗi watt đều đi qua cùng một chuỗi cuộn dây và cáp dẫn.

Với công suất xác định, điện áp truyền tải cao nghĩa là dòng điện thấp, do đó ít tỏa nhiệt trên cáp. Biến áp gồm hai cuộn dây quấn trên lõi sắt mềm: dòng điện xoay chiều ở cuộn sơ cấp tạo ra từ trường biến thiên, cảm ứng ra hiệu điện thế ở cuộn thứ cấp.

Tăng áp trước đường dây, giảm áp sau đó; biến áp chế độ chuyển mạch (50–200 kHz) nhỏ gọn và nhẹ — dùng cho bộ sạc điện thoại.

Ví dụ minh họa. Một biến áp tăng từ 25 kV lên 400 kV với 1000 vòng cuộn sơ cấp: cần $n_s = 1000 \times 400/25 = 16\,000$ vòng. Tại 100 MW, dòng điện trên đường dây là $I = P/V = 10^8/(4 \times 10^5) = 250$ A.

Ví dụ có hướng dẫn (P) (máy biến áp hạ thế). Bộ chuyển đổi nguồn cho laptop giảm từ 230 V xuống 11.5 V; cuộn sơ cấp có 2000 vòng dây. $n_s = 2000 \times 11.5/230 = 100$ vòng dây. Nếu nó cung cấp 2.0 A cho laptop và có hiệu suất 100%, thì dòng điện sơ cấp là $I_p = V_s I_s / V_p = 11.5 \times 2.0 / 230 = 0.10$ A. Điện áp thấp hơn ở một bên luôn đi kèm với dòng điện cao hơn ở bên đó.

Ví dụ có hướng dẫn (P) (đọc đồ thị tín hiệu). Một chu kỳ hoàn chỉnh của tín hiệu lưới điện trên máy dao động ký chiếm 4 ô vuông ở tốc độ 5 ms mỗi ô. Chu kỳ $= 4 \times 5 = 20$ ms $= 0.020$ s, do đó tần số $= 1 \div 0.020 = 50$ Hz.

Pin cung cấp điện một chiều; nguồn lưới là điện xoay chiều có tần số và điện áp cố định — đọc chu kỳ và tần số từ các biểu đồ dạng máy hiện sóng. An toàn: nối đất dẫn dòng sự cố khỏi vỏ kim loại; cầu chì nóng chảy hoặc rơ-le bảo vệ ngắt khi quá dòng — rơ-le có thể đặt lại, và thời gian ngắt phụ thuộc vào thiết kế và dòng sự cố; thiết bị cách điện kép không cần nối đất.

Hiệu ứng động cơ (P)

Dây mang dòng điện đặt vuông góc với từ trường sẽ chịu lực (bằng 0 nếu song song). Lực tăng khi từ trường mạnh hơn, dòng điện lớn hơn và đoạn dây trong từ trường dài hơn; đảo ngược bất kỳ yếu tố nào sẽ làm đảo ngược lực — Quy tắc bàn tay trái Fleming dự đoán phương hướng.

Ví dụ đã giải (P) (sử dụng quy tắc bàn tay trái). Dây dẫn nằm giữa cực Bắc bên trái và cực Nam bên phải, nên từ trường hướng sang phải; dòng điện chảy vào trong trang giấy. Ngón trỏ chỉ sang phải, ngón giữa chỉ vào trong trang giấy: ngón cái chỉ xuống dưới, nên dây dẫn bị đẩy xuống dưới. Đảo ngược dòng điện (hoặc các cực) thì lực sẽ hướng lên.

Cuộn dây mang dòng điện trong từ trường sẽ quay — đây là nguyên lý của động cơ điện.

Truyền tải năng lượng điện (P)

Nhãn thiết bị điện cho biết công suất; tính dòng điện để chọn cầu chì, và năng lượng theo kilowatt-giờ để tính hóa đơn (E = Pt; chi phí = kWh × giá mỗi đơn vị, đọc từ chỉ số đồng hồ).

Kiểm tra đã giải. Máy sưởi 2.0 kW trong 3 giờ tiêu thụ 6.0 kWh; với 0.9/kWh thì tốn 5.4. Ấm đun 230 V, 1.1 kW draw I = 1100/230 ≈ 4.8 A — chọn cầu chì 5 A hoặc 13 A (mức định mức cao hơn ngay sau đó).

Ví dụ có hướng dẫn (P) (đọc chỉ số đồng hồ). Đồng hồ điện chỉ 12 345 kWh vào đầu tháng và 12 465 kWh vào cuối tháng. Năng lượng tiêu thụ là $= 12\,465 - 12\,345 = 120$ kWh; với giá 0.9 mỗi kWh, hóa đơn sẽ là $120 \times 0.9 = 108$. Một thiết bị sưởi 1500 W để chạy trong 30 phút sẽ tiêu thụ $1.5\ \text{kW} \times 0.5\ \text{h} = 0.75$ kWh: cần đổi W sang kW và phút sang giờ trước khi tính.

Lỗi thường gặp

• (P) Nói rằng máy biến áp hoạt động trên dòng điện một chiều. Nó cần dòng điện xoay chiều, vì chỉ có dòng điện thay đổi mới tạo ra từ trường thay đổi trong lõi.
• (P) Cho rằng máy biến thế tăng áp làm tăng công suất. Nó nâng điện áp và giảm dòng điện; về mặt tốt nhất, công suất vẫn giữ nguyên.
• (P) Cho rằng điện áp cao được sử dụng vì nó truyền tải nhanh hơn. Điều này có nghĩa là dòng điện thấp, do đó ít năng lượng bị thất thoát dưới dạng nhiệt trên các dây dẫn.
• (P) Sử dụng watt và giây cho kWh. Nên dùng kilowatt và giờ: $E\,(\text{kWh}) = P\,(\text{kW}) \times t\,(\text{h})$.
• (P) Chọn cầu chì có định mức nhỏ hơn dòng điện hoạt động. Nên chọn định mức lớn hơn dòng điện ngay sau đó.
• (P) Cho rằng lực tác dụng lên động cơ lớn nhất khi dây dẫn song song với từ trường. Khi đó không có lực nào tác dụng; lực đạt cực đại khi vuông góc.
• (P) Cho rằng điện áp cảm ứng xuất hiện trong dây dẫn đứng yên trong từ trường ổn định. Dây dẫn phải chuyển động, hoặc từ trường phải thay đổi.

Tự kiểm tra

1. Nêu hai cách tạo ra hiệu điện thế cảm ứng trong một vật dẫn.
2. Đưa ra ba yếu tố làm tăng độ lớn của hiệu điện thế cảm ứng.
3. Vẽ đồ thị hiệu điện thế – thời gian của máy phát điện xoay chiều và máy phát điện một chiều.
4. Tại sao lưới điện truyền tải ở điện áp cao?
5. Một máy biến áp có 200 cuộn sơ cấp và 3000 cuộn thứ cấp trên nguồn 12 V a.c. Tính hiệu điện thế thứ cấp.
6. Nêu phương trình tỉ số vòng dây và công suất đối với máy biến áp có hiệu suất 100 %.
7. Giải thích cách nối đất và cầu chì bảo vệ người dùng kết hợp như thế nào.
8. Phát biểu quy tắc tay trái Fleming.
9. Tính dòng điện của máy sưởi 230 V, 2.3 kW và chọn cầu chì phù hợp.
10. Tính năng lượng theo kWh do ấm đun 1.5 kW sử dụng trong 20 phút.

Đáp án: 1 di chuyển dẫn điện tử qua từ trường; đặt nó trong từ trường biến đổi; 2 chuyển động nhanh hơn; từ trường mạnh hơn; nhiều vòng dây hơn (cũng như diện tích cuộn lớn hơn); 3 máy phát điện xoay chiều — sóng sin quanh trục zero; máy phát điện một chiều — các gò đều nằm phía trên (hoặc đều nằm dưới) trục; 4 đối với cùng công suất thì dòng điện nhỏ hơn, nên tổn thất nhiệt I²R trong cáp thấp hơn nhiều; 5 $V_s = 12 \times 3000/200 = 180$ V; 6 $V_p/V_s = n_p/n_s$ và $V_p I_p = V_s I_s$; 7 dây nối đất cung cấp đường đi cho dòng điện sự cố xuống đất, và cầu chì bị cháy, ngắt dây nóng; 8 ngón trỏ Từ trường, ngón giữa Dòng điện, ngón cái Chuyển động — vuông góc lẫn nhau; 9 I = 2300/230 = 10 A — sử dụng cầu chì 13 A; 10 t = 1/3 h, nên E = 1.5 × 1/3 = 0.5 kWh.