Bài 2. Máy biến áp và chỉnh lưu dòng điện xoay chiều

Câu hỏi tr 14 CHMĐ

Để truyền tải năng lượng điện đi xa, người ta phải tăng điện áp trước khi truyền. Đến nơi tiêu thụ, phải hạ điện áp để phù hợp với điện áp của các thiết bị trong sản xuất và đời sống. Vì sao phải làm như vậy, thiết bị nào có thể thực hiện được điều đó?

Phương pháp giải:

Vận dụng lí thuyết về máy biến áp và chỉnh lưu của dòng điện xoay chiều

Lời giải chi tiết:

Khi truyền đi xa, năng lượng điện thường bị tiêu hao đáng kể, chủ yếu do tỏa nhiệt trên đường dây. Công suát hao phí do tỏa nhiệt được tính theo công thức:

P_{hao phí} = $r.\frac{P_{phat}^2}{U_d^2}$

Như vậy, khi điện áp tăng 10 lần, công suất hao phí sẽ giảm 100 lần. Do đó, người ta tăng điện áp trước khi truyền để giảm hao phí trên đường truyền. Khi đến nơi, phải hạ điện áp để phù hợp với nhu cầu sử dụng của nơi tiêu thụ.

Thiết bị dùng để tăng, hạ điện áp là máy biến áp.

Câu hỏi tr 14 CH

Vì sao muốn giảm điện trở r của dây dẫn, phải tăng tiết diện dây?

Phương pháp giải:

Vận dụng lí thuyết về máy biến áp và chỉnh lưu của dòng điện xoay chiều

Lời giải chi tiết:

Điện trở r của dây dẫn được tính theo công thức:

$r=\rho \frac{l}{S}$

(với ρ là điện trở suất, l là chiều dài dây dẫn và S là tiết diện của dây dẫn)

Theo đó, điện trở và tiết diện của dây tỉ lệ nghịch. Khi tăng tiết diện dây, điện trở dây dẫn sẽ giảm.

Câu hỏi tr 15 CH 1

Nêu và phân tích một số biện pháp giảm hao phí năng lượng điện khi truyền điện đi xa?

Phương pháp giải:

Vận dụng lí thuyết về máy biến áp và chỉnh lưu của dòng điện xoay chiều

Lời giải chi tiết:

Một số biện pháp giảm hao phí năng lượng điện khi truyền điện đi xa là:

Cách thứ nhất: Giảm điện trở r của đường dây, bằng các biện pháp:

- Dùng dây dẫn có điện trở suất nhỏ như bạc, vàng hay dây siêu dẫn;

- Tăng tiết diện dây dẫn, làm cho khối lượng dây dẫn tăng lên,...

Cách này vừa hạn chế vừa không hiệu quả kinh tế.

Cách thứ hai: Tăng điện áp khi truyền đi và khi đến nơi tiêu thụ điện sẽ giảm điện áp về giá trị cần thiết. Đây là biện pháp mang lại hiệu quả rõ rệt và có thể thực hiện được nhờ máy biến áp.

Câu hỏi tr 15 CH 2

Tìm hiểu cấu tạo của một máy biến áp và giải thích vì sao lõi của máy biến áp thường làm bằng các lá sắt hoặc thép pha silicon, ghép cách điện với nhau.

Phương pháp giải:

Vận dụng lí thuyết về máy biến áp và chỉnh lưu của dòng điện xoay chiều

Lời giải chi tiết:

* Cấu tạo máy biến áp:

Máy biến áp gồm hai cuộn dây dẫn điện có số vòng khác nhau cùng quấn trên một lõi sắt kín. Lõi của máy thường được làm bằng các lá sắt hoặc thép pha silicon, ghép cách điện với nhau. Các cuộn dây dẫn thường được làm bằng đồng, cách điện với nhau. Các cuộn dây thường được làm bằng đồng, cách điện với nhau và cách điện với lõi sắt.

Một trong hai cuộn dây của máy biến áp được nối với nguồn điện xoay chiều, được gọi là cuộn sơ cấp. Cuộn còn lại được nối với một mạch tiêu thụ điện, được gọi là cuộn thứ cấp.

* Nguyên nhân lõi của máy biến áp thường làm bằng các lá sắt hoặc thép pha silicon, ghép cách điện với nhau:

Khi có dòng điện chạy trong cuộn dây máy biến áp sẽ sinh ra một từ trường biến đổi, từ trường này sinh ra trong lõi thép dòng điện Fucô (hay còn gọi là dòng điện xoáy, dòng điện quẩn).

Dòng điện Fucô luôn sinh ra một từ trường ngược chống lại nguyên nhân gây ra nó, đồng thời năng lượng của các dòng Fucô bị chuyển hóa thành nhiệt làm máy nhanh bị nóng. Do các nguyên nhân đó một phần năng lượng bị hao phí và làm giảm hiệu suất máy biến áp. 

Để hạn chế dòng Fucô phải tìm cách làm tăng điện trở của các lõi sắt. 

Do đó, lõi sắt được dùng bằng nhiếu lá sắt mỏng, sơn cách điện ghép lại với nhau sao cho tạo thành các lát cắt song song với chiều của từ trường. Vì các lá thép lõi sắt có kích thước nhỏ, do đó có điện trở lớn. Dòng điện Fucô sẽ chỉ chạy trong từng lá mỏng, nên cường độ dòng điện Fucô trong các lá đó giảm đi. 

Khoảng cách giữa các lá thép phải kín, không có không khí lọt vào để đảm bảo hiệu quả tối đa dẫn từ. Đồng thời không phát sinh tiếng kêu do các lá thép rung đập vào nhau.

Câu hỏi tr 16 CH

Vì sao từ thông ở cuộn dây B lại thay đổi khi đóng hoặc ngắt khóa K (Hình 2.3)?

Phương pháp giải:

Vận dụng lí thuyết về máy biến áp và chỉnh lưu của dòng điện xoay chiều

Lời giải chi tiết:

Khi đóng khóa K, trong mạch xuất hiện dòng điện xoay chiều chạy trong cuộn sơ cấp A sinh ra từ trường biến thiên khép kín trong lõi biến áp. Khi đó, từ thông qua cuộn dây thứ cấp B cũng biến thiên.

Câu hỏi tr 16 LT

Nêu cơ sở khoa học chứng tỏ ưu điểm của dòng điện xoay chiều và máy biến áp trong truyền tải năng lượng điện

Phương pháp giải:

Vận dụng lí thuyết về máy biến áp và chỉnh lưu của dòng điện xoay chiều

Lời giải chi tiết:

Từ công thức tính hao phí trên đường dây truyền tải điện: 

P_{hao phí} = $r.\frac{P_{phat}^2}{U_d^2}$

Theo đó, năng lượng hao phí do tỏa nhiệt trên đường dây phụ thuộc rất nhiều vào điện áp truyền đi. Nhờ máy biến áp, làm tăng điện áp ở đầu đường dây truyền tải và giảm điện áp tại nơi tiêu thụ, giúp giảm hao phí năng lượng điện khi truyền đi xa.

Câu hỏi tr 17 CH

Điện trở của diode có mối liên hệ như thế nào với sự phân cực của diode?

Phương pháp giải:

Vận dụng lí thuyết về máy biến áp và chỉnh lưu của dòng điện xoay chiều

Lời giải chi tiết:

Khi diode được phân cực thuận và dẫn điện thì dòng điện chủ yếu phụ thuộc vào điện trở của mạch ngoài (được mắc nối tiếp với diode). Dòng điện phụ thuộc rất ít vào điện trở thuận của diode vì điện trở thuận rất nhỏ, thường không đáng kể so với điện trở của mạch điện.

Khi diode được phân cực ngược, điện trở ngược của diode rất lớn nên hầu như không có dòng điện chạy qua mạch.

Câu hỏi tr 18 CH 1

Dựa trên các dụng cụ ở trường của mình, hãy thiết kế phương án thí nghiệm và thực hiện phương án đo được hiệu điện thế và cường độ dòng điện qua diode bán dẫn. Từ kết quả thí nghiệm, hãy vẽ đặc tuyến vôn - ampe của diode bán dẫn.

Phương pháp giải:

Vận dụng lí thuyết về máy biến áp và chỉnh lưu của dòng điện xoay chiều

Lời giải chi tiết:

Phương án thí nghiệm:

* Dụng cụ:

• Diode;
• Biến áp nguồn (có thể thay thế bằng bộ pin 6 V);
• Điện trở R_o;
• Đồng hồ đo điện áp;
• Đồng hồ đo cường độ dòng điện;
• Biến trở R.

* Tiến hành:

• Diode phân cực thuận:

Lắp đặt dụng cụ thí nghiệm theo sơ đồ mạch điện sau:

• Điều chỉnh giá trị của biến trở R, ghi số chỉ của vôn kế và ampe kế.
• Diode phân cực ngược
• Tắt nguồn. Đảo đầu diode và lặp đặt dụng cụ theo sơ đồ sau

• Điều chỉnh giá trị của biến trở R, ghi số chỉ của vôn kế và ampe kế.

Đặc tuyến vôn - ampe:

Câu hỏi tr 18 CH 2

Nêu điểm khác nhau cơ bản giữa sơ đồ Hình 2.6 và Hình 2.8.

Phương pháp giải:

Vận dụng lí thuyết về máy biến áp và chỉnh lưu của dòng điện xoay chiều

Lời giải chi tiết:

Điểm khác nhau cơ bản giữa sơ đồ Hình 2.6 và Hình 2.8 là chiều của diode.

- Hình 2.6: anode của diode nối với cực dương của dòng điện;

- Hình 2.8: anode của diode nối với cực âm của dòng điện.

Câu hỏi tr 19 TN

Mục đích

• Đo được hiệu điện thế và cường độ dòng điện qua diode bán dẫn.

• Vẽ được đường đặc tuyến vôn-ampe của một diode bán dẫn.

Dụng cụ thí nghiệm

• Diode (1).

• Biến áp nguồn (có thể thay bằng bộ pin 6 V).

• Điện trở R₀ (2).

• Đồng hồ đo điện áp (3).

• Đồng hồ đo cường độ dòng điện (4).

• Biến trở R (5).

Hình 2.7 là ảnh chụp bộ dụng cụ.

Phương án thí nghiệm

• Tìm hiểu công dụng của từng dụng cụ đã cho.

• Thiết kế phương án thí nghiệm với các dụng cụ này.

Tiến hành

Sau đây là một phương án thí nghiệm với các dụng cụ trên.

a) Diode phân cực thuận

• Lắp đặt dụng cụ thí nghiệm theo sơ đồ mạch điện ở Hình 2.6, đặt đầu ra của biến áp nguồn ở điện áp một chiều.

• Điều chỉnh giá trị của biến trở R, ghi số chỉ của vôn kế và ampe kế vào vở như Bảng 2.1.

b) Diode phân cực ngược

• Tắt nguồn. Đảo đầu diode và mắc mạch điện theo sơ đồ Hình 2.8.

• Điều chỉnh giá trị của biến trở R, ghi số chỉ của vôn kế và ampe kế vào vở như ở Bảng 2.1.

• Vẽ đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa cường độ dòng điện và điện áp giữa hai cực của diode.

• Nhận xét hình dạng đồ thị (so với đồ thị ở Hình 2.5).

Kết quả

Bảng 2.1 là kết quả thí nghiệm với phương án đo trên.

Phương pháp giải:

Vận dụng lí thuyết về máy biến áp và chỉnh lưu của dòng điện xoay chiều

Lời giải chi tiết:

Đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa cường độ dòng điện và điện áp giữa hai cực của diode.

Đồ thị khi diode phân cực thuận có dạng giống với đồ thị 2.5.

Câu hỏi tr 19 Tìm hiểu thêm

Bán dẫn loại n và bán dẫn loại p 

Hiện nay, hầu hết các dụng cụ bán dẫn được dùng trong thực tế sử dụng chất bán dẫn có thêm một lượng nhỏ các nguyên tố khác. Chất bán dẫn như vậy được gọi là chất bán dẫn pha tạp, chúng được tạo ra bằng cách pha thêm các chất thích hợp với tỉ lệ rất nhỏ vào chất bán dẫn nguyên chất.

Silicon là một chất bán dẫn thường dùng và có bốn electron hóa trị. Trong silicon nguyên chất, mỗi nguyên tử liên kết với bốn nguyên tử lân cận bằng các electron góp chung (Hình 2.9a).

Thêm một nguyên tố có ba electron hóa trị, chẳng hạn như boron, vào silicon (Hình 2.9b). Khi đó, một trong bốn liên kết của nguyên tử boron với silicon sẽ thiếu một electron. Nếu một electron từ nguyên tử silicon gần đấy di chuyển vào chỗ thiếu này thì để lại một “lỗ trống”. Chất bán dẫn được pha tạp như vậy là bán dẫn loại p và hạt tải điện chủ yếu trong bán dẫn loại này là lỗ trống.

Thêm một nguyên tố có năm electron hóa trị, chẳng hạn như phosphorus, vào silicon (Hình 2.9c). Vì chỉ có bốn electron của nguyên tử phosphorus được góp chung với bốn nguyên tử silicon lân cận nên có một electron tự do. Chất bán dẫn pha tạp như vậy được gọi là bán dẫn loại n và hạt tải điện chủ yếu trong bán dẫn loại này là electron.

Lớp chuyển tiếp p-n

Lớp chuyển tiếp p-n được hình thành khi cho mẫu bán dẫn loại p và mẫu bán dẫn loại n tiếp xúc với nhau (Hình 2.8).

Tại lớp chuyển tiếp p-n, khi electron gặp lỗ trống thì một cặp electron - lỗ trống sẽ biến mất và dẫn đến hình thành một lớp không có hạt tải điện gọi là lớp nghèo. Ở lớp nghèo, về phía bán dẫn n có các ion tích điện dương và về phía bán dẫn p có các ion tích điện âm.

Nếu mắc hai đầu của mẫu bán dẫn có lớp chuyển tiếp p - n vào một nguồn điện một chiều, với cực dương của nguồn nối với phía bán dẫn p, cực âm nối với phía bán dẫn n thì lỗ trống trong bán dẫn p sẽ chạy vào lớp nghèo (theo chiều từ cực dương đến cực âm); electron trong bán dẫn n sẽ chạy vào lớp đó (theo chiều ngược lại). Lúc này, lớp nghèo trở nên dẫn điện. Vì vậy sẽ có dòng điện chạy qua lớp nghèo từ miền p sang miền n. Khi đảo cực nguồn điện, dòng điện chạy từ miền n sang miền p hầu như không đáng kể. Chiều dòng điện qua lớp nghèo (từ p sang n) được gọi là chiều thuận, chiều kia (từ n sang p) là chiều ngược.

Diode bán dẫn thực chất là một lớp chuyển tiếp p-n. Vì sao khi nối cực âm của nguồn điện với phía bán dẫn p, còn cực dương nối với phía bán dẫn n thì cường độ dòng điện chạy qua diode hầu như không đáng kể?

Phương pháp giải:

Vận dụng lí thuyết về máy biến áp và chỉnh lưu của dòng điện xoay chiều

Lời giải chi tiết:

Bản chất của mắc diode là mắc chất bán dẫn p-n vào nguồn.

Khi này, p mắc với cực dương, n mắc với cực âm, dòng điện chạy theo chiều từ dương sang âm, eletron sẽ chạy theo chiều ngược lại, từ nơi có điện tích thừa sang nơi thiếu, tức là từ âm sang dương (từ n sang p).

Do đó, khi mắc ngược lại (nối cực âm của nguồn điện với phía bán dẫn p, còn cực dương nối với phía bán dẫn n), electron qua chất bán dẫn p-n sẽ mất 1 lượng electron nhất định để điền đầy lỗ trống, và khi bị điền đầy thì p không còn bản chất là lỗ trống nữa. Điều này làm cho bản chất dẫn truyền electron từ nơi thừa sang nơi thiếu bị mất đi, do đó, cường độ dòng điện chạy qua diode hầu như không đáng kể.

Câu hỏi tr 21 LT 1

So sánh đồ thị (u_R - t) ở Hình 2.11c và Hình 2.13b, rút ra đặc điểm của điện áp u_R.

Phương pháp giải:

Vận dụng lí thuyết về máy biến áp và chỉnh lưu của dòng điện xoay chiều

Lời giải chi tiết:

Hình 2.11c: Đồ thị điện áp (u_R - t) có phần giá trị điện áp u dương vẫn giữ nguyên; còn phần điện áp u âm có giá trị bằng 0.

Hình 2.13b: Phần dương của đồ thị điện áp u vẫn giữ nguyên; Còn phần âm của đồ thị điện áp u thì đổi dấu, nhưng vẫn giữ nguyên giá trị.

→ Đặc điểm của điện áp u_R là: Điện áp u_R phụ thuộc vào giá trị của điện áp đặt vào hai cực của diode và chiều phân cực (thuận hay ngược) của diode.

Câu hỏi tr 21 LT 2

Thảo luận để nêu được dòng điện chạy qua điện trở R chỉ theo một chiều trong cả chu kì của nguồn xoay chiều khi sử dụng mạch cầu gồm bốn diode làm mạch chỉnh lưu.

Phương pháp giải:

Vận dụng lí thuyết về máy biến áp và chỉnh lưu của dòng điện xoay chiều

Lời giải chi tiết:

Lời giải chi tiết

Trong nửa đầu chu kỳ, giả sử điểm A có điện thế dương và điểm B có điện thế âm. Dòng điện đi từ A qua diode 2 (phân cực thuận), qua R và qua diode 3 (phân cực thuận) để đến điểm B. (Dòng điện không thể đi qua diode 1 và 4 do chúng bị phân cực ngược).

Trong nửa sau chu kỳ, dòng điện đi từ B qua diode 4, qua R và diode 1 để đến điểm A. (Tương tự như trên, dòng điện không thể đi qua diode 2 và 3 do chúng bị phân cực ngược).

Như vậy, trong cả chu kỳ, dòng điện chạy qua R chỉ có 1 chiều

Câu hỏi tr 22 CH

Ở Hình 2.14b, khi điểm B có hiệu điện thế dương, tại sao dòng điện chỉ chạy qua diode 4 và diode 1, nhưng không qua diode 2 và diode 3?

Phương pháp giải:

Vận dụng lí thuyết về máy biến áp và chỉnh lưu của dòng điện xoay chiều

Lời giải chi tiết:

Khi B có hiệu điện thế dương, dòng điện sẽ đi từ B và qua diode 4 mà không thể đi qua diode 2 và 3 vì khi đó, 2 diode này phân cực ngược, không cho dòng điện chạy qua.

Câu hỏi tr 22 VD 1

Nêu hai điểm khác nhau chủ yếu giữa dòng điện một chiều và dòng điện xoay chiều.

Phương pháp giải:

Vận dụng lí thuyết về máy biến áp và chỉnh lưu của dòng điện xoay chiều

Lời giải chi tiết:

Hai điểm khác nhau giữa dòng điện một chiều và dòng điện xoay chiều

Câu hỏi tr 22 VD 2

Tìm thông tin và thảo luận để nêu hai ưu điểm của chỉnh lưu cả chu kì.

Phương pháp giải:

Vận dụng lí thuyết về máy biến áp và chỉnh lưu của dòng điện xoay chiều

Lời giải chi tiết:

Hai ưu điểm của chỉnh lưu cả chu kì:

- Điện áp một chiều lấy ra có độ gợn sóng nhỏ, dễ lọc, hiệu quả tốt, dòng điện tương đối ổn định;

- Diode không phải chịu điện áp ngược cao.