Giải SBT Vật Lí 12 Bài 13 (Chân trời sáng tạo): Đại cương về dòng điện xoay chiều

464

Với giải sách bài tập Vật Lí 12 Bài 13: Đại cương về dòng điện xoay chiều sách Chân trời sáng tạo hay, chi tiết giúp học sinh dễ dàng xem và so sánh lời giải từ đó biết cách làm bài tập trong SBT Vật Lí 12. Mời các bạn đón xem:

Sách bài tập Vật Lí 12 Bài 13: Đại cương về dòng điện xoay chiều

A. Trắc nghiệm

Câu 13.1 (B) trang 55 Sách bài tập Vật Lí 12Đối với dòng điện xoay chiều, cường độ dòng điện hiệu dụng I có công thức liên hệ với cường độ dòng điện cực đại I0 là

A. I=I02.               

B. I=I0. 

C. I=I02.     

D. I=I02.

Lời giải:

Đáp án đúng là A

Câu 13.2 (B) trang 55 Sách bài tập Vật Lí 12Một ví dụ về nguồn cung cấp điện áp xoay chiều là

A. acquy ô tô.                                                

B. pin điện hoá.

C. nhà máy nhiệt điện.                                     

D. tụ điện.

Lời giải:

Đáp án đúng là C

Câu 13.3 (B) trang 55 Sách bài tập Vật Lí 12Trong mạch điện xoay chiều, điện áp giữa hai đầu đoạn mạch và cường độ dòng điện trong mạch biến thiên điều hoà theo thời gian. Liên hệ giữa pha điện áp và pha của dòng điện

A. luôn luôn cùng pha với nhau.                    

B. luôn luôn ngược pha với nhau.

C. hiệu số pha không đổi theo thời gian.           

D. luôn luôn vuông pha với nhau.

Lời giải:

Đáp án đúng là C

Câu 13.4 (B) trang 55 Sách bài tập Vật Lí 12Chọn cụm từ đúng để điền vào chỗ trống: Cường độ dòng điện của một dòng điện không đổi bằng với ... của một dòng điện xoay chiều khi hai dòng điện đi qua hai điện trở giống nhau và nhiệt lượng toả ra trong khoảng thời gian dài là bằng nhau.

A. cường độ dòng điện trung bình.                 

B. cường độ dòng điện cực đại.

C. cường độ dòng điện hiệu dụng.                    

D. cường độ dòng điện định mức.

Lời giải:

Đáp án đúng là C

Câu 13.5 (H) trang 56 Sách bài tập Vật Lí 12Một điện áp xoay chiều u = U0cos(ωt + φu) có đồ thị điện áp – thời gian như Hình 13.1a. Lần lượt sử dụng điện áp xoay chiều này đặt vào các đoạn mạch A, B, C có chứa các linh kiện điện tử, ta thu được đồ thị cường độ dòng điện – thời gian như Hình 13.1b.

Một điện áp xoay chiều u = U0cos(omega t + phi u) có đồ thị điện áp – thời gian như Hình 13.1a

Một điện áp xoay chiều u = U0cos(omega t + phi u) có đồ thị điện áp – thời gian như Hình 13.1a

Chỉ ra phát biểu sai.

A. Tần số của điện áp xoay chiều và tần số của cường độ dòng điện trong ba đoạn mạch (A), (B), (C) là 25 Hz.

B. Pha ban đầu của cường độ dòng điện trong ba đoạn mạch (A), (B), (C) lần lượt là 0 rad, π3 rad, π6 rad.

C. Đoạn mạch (B) chỉ chứa điện trở thuần và có giá trị R = 40 Ω.

D. Cường độ dòng điện trong mạch điện (C) vuông pha với điện áp xoay chiều.

Lời giải:

Đáp án đúng là B

Tần số của điện áp xoay chiều và tần số của cường độ dòng điện trong ba đoạn mạch (A), (B), (C) là: f=1T=10,04=25Hz

Pha ban đầu của điện áp xoay chiều và cường độ dòng điện trong ba đoạn  mạch (A), (B), (C) lần lượt là:

φu=π3rad,φi(A)=0rad,φi(B)=π3radφi(C)=π6rad

Cường độ dòng điện và điện áp xoay chiều trong đoạn mạch (B) dao động cùng pha với nhau nên mạch chỉ chứa điện trở thuần và có giá trị: R=U0I0=2406=40Ω

Câu 13.6 (VD) trang 57 Sách bài tập Vật Lí 12Trong mỗi phát biểu sau, em hãy chọn đúng hoặc sai.

a) Dòng điện xoay chiều giúp giảm hao phí điện năng khi truyền tải đi xa.

b) Dòng điện xoay chiều không làm toả nhiệt trên các linh kiện điện tử.

c) Điện áp hiệu dụng và cường độ dòng điện hiệu dụng của dòng điện xoay chiều có độ lớn thay đổi theo thời gian.

d) Khác với dòng điện không đổi, khi sử dụng dòng điện xoay chiều, có các điện tích tự do đi xuyên qua lớp điện môi của tụ điện.

e) Cả dòng điện không đổi và dòng điện xoay chiều đều được tăng giá trị điện áp thông qua việc sử dụng máy biến áp tăng áp có nguyên lí hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ.

f) Mạng điện dân dụng ở nước ta sử dụng dòng điện xoay chiều có giá trị hiệu dụng 220V.

g) Dòng điện xoay chiều làm điện trở toả nhiệt như dòng điện một chiều.

Lời giải:

a) Đúng;

b) Sai; dòng điện chạy qua mọi linh kiện đều toả nhiệt (nhiều hay ít phụ thuộc vào điện trở của linh kiện đó).

c) Sai; giá trị hiệu dụng không đổi theo thời gian.

d) Sai; tụ điện cho dòng xoay chiều đi qua theo nguyên lí phóng nạp.

e) Sai; dòng điện không đổi không áp dụng cho máy biến áp.

f) Đúng;

g) Đúng.

B. Tự luận

Bài 13.1 (B) trang 57 Sách bài tập Vật Lí 12Đặt điện áp xoay chiều có biểu thức  (V) vào một đoạn mạch chứa các linh kiện điện tử. Biểu thức cường độ dòng điện  (A). Tính độ lệch pha giữa điện áp và cường độ dòng điện.

Lời giải:

Độ lệch pha giữa điện áp và cường độ dòng điện là  . Điện áp trễ pha hơn cường độ dòng điện.

Bài 13.2 (B) trang 57 Sách bài tập Vật Lí 12Cường độ dòng điện xoay chiều qua một đoạn mạch có biểu thức i=cos20πt+π6 (mA). Hãy xác định cường độ dòng điện tại thời điểm ban đầu.

Lời giải:

Tại thời điểm ban đầu ứng với t = 0 s,

ta có i=cos20π.0+π6=0,866mA.

Bài 13.3 (B) trang 57 Sách bài tập Vật Lí 12Mạng điện xoay chiều dân dụng ở Việt Nam có tần số 50 Hz. Hãy xác định số lần dòng điện đổi chiều trong 1 giây.

Lời giải:

Trong một chu kì, dòng điện đổi chiều 2 lần. Một giây tương ứng với 50 chu kì, do đó dòng điện sẽ đổi chiều 100 lần.

Bài 13.4 (H) trang 57 Sách bài tập Vật Lí 12Một khung dây dẫn có diện tích 50 cm2 gồm 500 vòng dây quay đều với tốc độ 2 000 vòng/phút trong một từ trường đều  có phương vuông góc với trục quay của khung và có độ lớn cảm ứng từ 0,02 T. Giá trị cực đại của suất điện động cảm ứng trong khung dây là bao nhiêu?

Lời giải:

Giá trị cực đại của suất điện động cảm ứng là:

Bài 13.5 (H) trang 58 Sách bài tập Vật Lí 12Cường độ dòng điện xoay chiều qua một đoạn mạch có biểu thức i = I0 cos(100πt + φ). Trong một giây dòng điện có độ lớn bằng không bao nhiêu lần?

Lời giải:

Chu kì T = 0,02 s.

Trong một chu kì, dòng điện có độ lớn bằng không 2 lần. Một giây tương ứng với 50 chu kì nên dòng điện có độ lớn bằng không 100 lần.

Bài 13.6 (H) trang 58 Sách bài tập Vật Lí 12Một điện áp xoay chiều được đặt vào hai đầu của một điện trở có giá trị 100 Ω. Nhiệt lượng mà điện trở toả ra trong 5 phút là 3 600 J. Điện áp cực đại có giá trị là bao nhiêu?

Lời giải:

Từ biểu thức tính nhiệt lượng mà điện trở toả ra, suy ra được cường độ dòng điện hiệu dụng trong mạch là:

Q=RI2tI=QRt=3600100.5.60=35A

Cường độ dòng điện cực đại là: I0=I2=352=65 A.

Điện áp cực đại là: U0=RI0=6510049V.

Bài 13.7 (H) trang 58 Sách bài tập Vật Lí 12Bạn A thực hiện thí nghiệm sóng dừng với một thanh thép mỏng. Bạn A dùng một nam châm điện được nối với điện áp xoay chiều có tần số không đổi để tạo ra dao động cưỡng bức trên thanh thép. Muốn thanh thép dao động với tần số 100 Hz thì bạn A cần phải điều chỉnh tần số của dòng điện là bao nhiêu?

Lời giải:

Khi dòng điện xoay chiều đi qua nam châm, cực tính của nam châm thay đổi khi chiều dòng điện thay đổi. Cực tính của nam châm biến đổi cùng tần số với tần số dòng điện. Khi nam châm hướng cực nam hoặc cực bắc vào thanh thép thì lực hút thanh thép có độ lớn cực đại. Vậy trong một chu kì của dòng điện, lực hút nam châm tác dụng lên thanh thép đã lặp lại trạng thái 2 lần. Do đó lực cưỡng bức có tần số bằng gấp đôi tần số đổi cực của nam châm. Từ đó suy ra fd=fnc=ft2=50Hz.

Bài 13.8 (H) trang 58 Sách bài tập Vật Lí 12Một bếp điện có điện trở R khi được mắc vào một điện áp xoay chiều có cường độ dòng điện cực đại là 6,4 A thì có công suất toả nhiệt trung bình của bếp là 1 000 W. Giá trị điện trở của bếp điện là bao nhiêu?

Lời giải:

Giá trị điện trở của bếp điện là: Một bếp điện có điện trở R khi được mắc vào một điện áp xoay chiều

Bài 13.9 (H) trang 58 Sách bài tập Vật Lí 12Một khung dây dẫn có diện tích 50 cm2 gồm 500 vòng dây quay đều với tốc độ 2 000 vòng/phút trong một từ trường đều B có phương vuông góc với trục quay của khung và có độ lớn cảm ứng từ 0,02 T. Xem khung dây như một điện trở thuần có điện trở 50 Ω. Hãy tính nhiệt lượng toả ra trên khung dây trong 10 phút.

Lời giải:

Nhiệt lượng toả ra trên khung dây trong 10 phút là:

Một khung dây dẫn có diện tích 50 cm^2 gồm 500 vòng dây quay đều

Bài 13.10 (VD) trang 58 Sách bài tập Vật Lí 12Máy biến áp là một thiết bị hoạt động theo nguyên lí cảm ứng điện từ nhằm thay đổi điện áp xoay chiều nhưng vẫn giữ nguyên tần số. Máy biến áp đóng vai trò rất quan trọng trong hệ thống truyền tải và phân phối điện năng. Cụ thể, để tối ưu hiệu suất của quá trình truyền tải điện năng đi xa và giảm thiểu hao phí trong quá trình này, việc sử dụng dòng điện xoay chiều với điện áp cao là cần thiết. Trước khi được truyền đi, điện áp cần được tăng lên thông qua máy tăng áp. Khi đến nơi tiêu thụ như khu công nghiệp hoặc khu dân cư, điện áp được hạ xuống thông qua máy hạ áp để phù hợp với nhu cầu sử dụng.

Cấu tạo máy biến áp gồm hai bộ phận chính (Hình 13.2): lõi thép và dây quấn. Lõi thép được chế tạo bởi vật liệu dẫn từ tốt, gồm nhiều lá thép ghép cách điện với nhau. Dây quấn thường làm bằng đồng hoặc nhôm, bên ngoài có bọc cách điện.

Máy biến áp là một thiết bị hoạt động theo nguyên lí cảm ứng điện từ

Nối cuộn dây sơ cấp của máy biến áp vào một điện áp xoay chiều u1 = U1cos(ωt + φu1) thì trong cuộn sơ cấp sẽ xuất hiện dòng điện sơ cấp i1 = I1cos(ωt + φi1) và sinh ra từ thông Φ(t) = Φcos(ωt+φ), từ thông này xuyên qua đồng thời cả hai dây quấn sơ cấp N1 và thứ cấp N2. Theo định luật Faraday, chứng minh rằng, suất điện động xoay chiều xuất hiện trong dây quấn thứ cấp có cùng tần số với điện áp xoay chiều đặt vào hai đầu cuộn dây sơ cấp.

Lời giải:

Từ thông qua dây quấn thứ cấp là: Φ2(t)=N2Φ0cos(ωt+φ).

Trong cuộn thứ cấp xuất hiện suất điện động là:

e2=dΦ2dt=N2Φ0ωsin(ωt+φ)

Vậy suất điện động xoay chiều xuất hiện trong dây quấn thứ cấp có cùng tần số với điện áp xoay chiều đặt vào hai đầu cuộn dây sơ cấp.

Bài 13.11 (VD) trang 59 Sách bài tập Vật Lí 12Hiện tượng lưu ảnh của mắt là hiện tượng mà cảm giác về ánh sáng của mắt vẫn được não ghi nhận dù ánh sáng không còn truyền vào mắt nữa. Thời gian lưu ảnh trung bình của mắt người vào khoảng 0,1 s. Thông số này rất quan trọng để các kĩ sư thiết kế tần số của mạng điện xoay chiều dùng trong thắp sáng.

Một đèn cần điện áp có độ lớn tối thiểu là 100 V để phát sáng, được đặt vào điện áp xoay chiều có giá trị hiệu dụng là 220 V. Hãy xác định tần số tối thiểu của điện áp để mắt người không cảm thấy đèn chớp nháy liên tục, làm ảnh hưởng đến sức khoẻ của mắt người.

Lời giải:

Điều kiện để đèn sáng: u=2202|cosφ|100V.

Các giá trị của pha điện áp mà tại đó làm đèn sáng lên hoặc tắt đi là:

φ1=α hoặc φ2=α+π

φ3=α hoặc φ4=α+π

Với cosα=12,22

Thời gian giữa hai lần liên tiếp đèn sáng lên là: Δt=φ4φ12πf.

Với Δt<0,1sf>1,042Hz.

Do đó, tần số tối thiểu của điện áp để mắt người không cảm thấy đèn chớp nháy liên tục là 1,042 Hz.

Bài 13.12 (VD) trang 60 Sách bài tập Vật Lí 12Ở các nhà máy phát điện, máy tăng áp thường được sử dụng để nâng điện áp từ mức trung thế (từ 10 kV đến 50 kV) lên mức cao thế (từ 110 kV đến 500 kV) trước khi truyền tải qua đường dây điện cao thế (Hình 13.3).

Ở các nhà máy phát điện máy tăng áp thường được sử dụng để nâng điện áp

Một nhà máy phát điện cung cấp điện năng với công suất Ở các nhà máy phát điện máy tăng áp thường được sử dụng để nâng điện áp cho một thành phố cách nhà máy 24 km. Trước khi truyền tải, điện áp được sản xuất từ nhà máy điện có giá trị hiệu dụng khoảng 22 kV. Đường dây tải điện làm bằng đồng có điện trở suất 1,69.10-8 Ω.m với tiết diện 0,65 cm2. Xem các hao phí năng lượng chỉ xảy ra trên điện trở đường dây tải điện. Hãy xác định chi phí phải chi trả do hao phí năng lượng xuất hiện trên dây trong một ngày (24 giờ) ở hai trường hợp sau và nhận xét.

a) Điện áp từ nhà máy phát điện chưa được tăng qua máy biến áp và được truyền tải đi với điện áp là 22 kV.

b) Điện áp từ nhà máy phát điện qua một máy tăng áp để nâng điện áp lên 220kV trước khi truyền tải.

Lấy chi phí truyền tải trên đường dây đến thành phố đối với cả hai mức điện áp này là khoảng 145 đồng/kW.h.

Lời giải:

Điện trở của đường dây tải điện là: R=ρlS=1,69108241030,65104=6,24Ω

a) Cường độ dòng điện hiệu dụng là: Ở các nhà máy phát điện máy tăng áp thường được sử dụng để nâng điện áp

Công suất toả nhiệt trên dây dẫn là: 

Ở các nhà máy phát điện máy tăng áp thường được sử dụng để nâng điện áp

Năng lượng nhiệt toả ra trên dây dẫn truyền tải điện trong một ngày (24 giờ) là:

Ở các nhà máy phát điện máy tăng áp thường được sử dụng để nâng điện áp

Giá thành cần phải bỏ ra do hao phí năng lượng nhiệt xuất hiện trên dây truyền tải trong một ngày là: 123 768,24.145 ≈ 17946395 đồng

b) Sau khi tăng áp, cường độ dòng điện hiệu dụng là: 

Ở các nhà máy phát điện máy tăng áp thường được sử dụng để nâng điện áp

Công suất toả nhiệt trên dây dẫn là: 

Ở các nhà máy phát điện máy tăng áp thường được sử dụng để nâng điện áp

Năng lượng nhiệt toả ra trên dây dẫn truyền tải điện trong một ngày (24 giờ) là:

Ở các nhà máy phát điện máy tăng áp thường được sử dụng để nâng điện áp

Giá thành cần phải bỏ ra do hao phí năng lượng nhiệt xuất hiện trên dây truyền tải trong một ngày là: 1237,68.145 ≈ 179 464 đồng.

Nhận xét: Trong bài toán trên, khi điện áp truyền tải được nâng lên 10 lần từ 22 kV lên 220 kV, hao phí điện năng trên đường dây tải điện được giảm đáng kể (100 lần), dẫn đến giảm chi phí truyền tải, có lợi cho kinh tế. Qua đó cho thấy ưu điểm của việc sử dụng dòng điện xoay chiều trong truyền tải điện năng, thông qua việc tăng/ giảm điện áp bằng cách sử dụng các máy biến áp.

  • Lý thuyết Đại cương về dòng điện xoay chiều

    1. Dòng điện xoay chiều

    Khái niệm

    Xét một khung dây dẫn phẳng kín có diện tích S (gồm N vòng dây) được đặt trong một từ trường đều. Khung dây có thể quay quanh trục A cố định nằm trong mặt phẳng của khung dây. Tại thời điểm ban đầu (t = 0), khung dây được đặt vuông góc với cảm ứng từ B. Khi đó từ thông qua khung dây là Φ(t=0)=NBScos0°=NBS

    Lý thuyết Vật Lí 12 Chân trời sáng tạo Bài 13: Đại cương về dòng điện xoay chiều

    Cho khung dây quay đều với tốc độ góc ω quang trục Δ. Tại thời điểm t bất kì, từ thông qua khung dây là Φ(t)=NBScosα=NBScosωt

    Suất điện động cảm ứng sinh ra e(t)=NBSωcos(ωt+φ0)=E0cos(ωt+φ0)

    Chu kì, tần số của suất điện động xoay chiều được xác định bởi công thức:

    T=2πω;f=ω2π

    Khi nối hai đầu khung dây với mạch ngoài tiêu thụ điện (có điện trở R, tụ điện C hoặc cuộn dây L), những phép đo cho thấy trong mạch xuất hiện dòng điện có cường độ biến thiên điều hoà theo thời gian. Đây được gọi là dòng điện xoay chiều.

    Dòng điện xoay chiều là dòng điện có cường độ biến thiên điều hoà theo thời gian.

    Điện áp xoay chiều và cường độ dòng điện xoay chiều

    Điện áp xoay chiều giữa hai đầu một đoạn mạch là: u=U0cosωt+φu

    Cường độ dòng điện xoay chiều trong đoạn mạch là: i=I0cosωt+φi

    - u và i tương ứng là giá trị điện áp tức thời và cường độ dòng điện tức thời tại thời điểm t;

    - U0 và I0 tương ứng là giá trị cực đại của điện áp và cường độ dòng điện xoay chiều;

    - ω là tần số góc của dòng điện xoay chiều, có đơn vị là rad/s;

    - φu, φi lần lượt là pha ban đầu của điện áp và cường độ dòng điện xoay chiều.

    Độ lệch pha của điện áp so với cường độ dòng điện là: φ=φuφi

    2. Các giá trị hiệu dụng

    Cường độ hiệu dụng của dòng điện xoay chiều là I=I02

    Giá trị hiệu dụng của điện áp xoay chiều là U=U02

    Giá trị hiệu dụng của suất điện động xoay chiều là E=E02

    3. Ứng dụng dòng điện xoay chiều trong cuộc sống

    Truyền tải điện năng đi xa

    Trong quá trình truyền tải điện năng từ nhà máy điện đến nơi tiêu thụ, dây dẫn toả nhiệt theo định luật Joule - Lenz, do đó một phần điện năng bị hao phí. Thực tế và lí thuyết đã chứng tỏ để giảm hao phí trong quá trình truyền tải một cách hiệu quả nhất thì trước khi truyền tải, điện áp cần được tăng lên. Khi đến nơi tiêu thụ, điện áp được hạ xuống để phù hợp với mục đích sử dụng. Thiết bị điều chỉnh điện áp trong quá trình truyền tải là máy biến áp.

    Dùng trong sinh hoạt và sản xuất

    Dòng điện xoay chiều được sử dụng trong:

    - Các loại đèn thắp sáng.

    - Động cơ của các thiết bị như quạt điện, máy giặt, ...

    - Lò luyện kim, mỏ hàn, bàn ủi, bếp từ, bình đun nước, lò vi sóng, ...

    Dòng điện xoay chiều cũng được sử dụng trong việc chế tạo các nam châm điện của cần cẩu để nâng các vật khối lượng lớn (Hình 13.6). Ngoài ra, dòng điện xoay chiều cũng có tác dụng sinh lí được sử dụng trong điều trị bệnh như: châm cứu, kích tim, ...

    Lý thuyết Vật Lí 12 Chân trời sáng tạo Bài 13: Đại cương về dòng điện xoay chiều

    4. Quy tắc an toàn điện

    Dưới đây là một số quy tắc để đảm bảo an toàn khi sử dụng điện trong gia đình:

    - Lắp đặt thiết bị đóng ngắt điện đúng cách và ở vị trí phù hợp.

    - Lựa chọn thiết bị điện phù hợp và chất lượng tốt.

    - Không chạm vào dụng cụ sử dụng điện khi tay ướt.

    - Tránh sử dụng thiết bị điện khi đang sạc.

    - Không được chạm tay vào những chỗ hở của dây điện hay cầu dao, cầu chì không có nắp che khi chưa cắt nguồn điện.

    - Kiểm tra hệ thống mạng điện và bảo trì thiết bị điện định kì.

Xem thêm các bài giải SBT Vật Lí lớp 12 Chân trời sáng tạo hay, chi tiết khác:

Đánh giá

0

0 đánh giá