VẬT LÝ _ NLU CHƯƠNG ĐIỆN TRƯỜNG TĨNH TRONG CHÂN KHÔNG

VẬT LÝ _ NLU CHƯƠNG ĐIỆN TRƯỜNG TĨNH TRONG CHÂN KHÔNG Michael Faraday người nêu khái niệm điện trường Vật thể mang điện tạo khơng gian xung quanh điện trường, làm tác động lực lên vật thể mang điện khác nằm trường Điện trường tác dụng hai điện tích theo cách tương tự trường hấp dẫn tác dụng hai khối lượng: chúng coi có tầm tác dụng xa vơ hạn tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách hai vật Tuy nhiên có khác biệt quan trọng hai trường Trường hấp dẫn luôn hút vật phía nhau, điện trường tác dụng lực đẩy lực hút lên điện tích, tùy thuộc vào điện tích dương hay âm Do vật thể lớn hành tinh nói chung tổng thể trung hịa điện, điện trường khoảng cách lớn coi Do đó, trường hấp dẫn thống trị thang khoảng cách lớn vũ trụ, tương tác yếu tương tác Điện trường nói chung biến đổi khơng gian, cường độ điểm định nghĩa lực (trên đơn vị điện tích) tác dụng lên vật đứng yên có điện tích khơng đáng kể đặt điểm Khái niệm điện tích điểm, theo vật mang điện tích đủ nhỏ để điện trường tạo điện tích điểm khơng gây ảnh hưởng đến điện trường khảo sát phải đứng yên để tránh khỏi hiệu ứng sinh từ trường Khi điện trường định nghĩa theo phương pháp lực, mà lực đại lượng vector, điện trường trường vector có độ lớn hướng VẬT LÝ _ NLU Nhánh nghiên cứu điện trường tạo từ điện tích đứng yên gọi tĩnh điện học Trường tĩnh điện minh họa tập hợp đường cong liên tục tưởng tượng mà hướng điểm đường cong hướng điện trường điểm Khái niệm bắt nguồn từ Faraday, mà thuật ngữ “các đường sức” sử dụng Các đường sức trường quỹ đạo hạt điện tích điểm mà buộc phải chuyển động theo điện trường; đường sức không tồn thực tế mà khái niệm dễ hình dung, trường thấm vào khoảng không gian đường sức Các đường sức có số đặc điểm quan trọng: chúng điện tích dương kết thúc điện tích âm; thứ hai chúng phải vào vật dẫn góc vuông, thứ ba chúng không cắt tạo thành vịng kín Mọi điện tích tồn mặt phía ngồi vật rỗng Do điện trường khơng điểm bên vật dẫn Đây nguyên lý hoạt động lồng Faraday, vỏ kim loại dẫn điện cho phép lập thứ bên tránh khỏi ảnh hưởng điện trường bên Các nguyên lý tĩnh điện học sở quan trọng thiết kế thiết bị điện áp cao Có ngưỡng giới hạn cường độ điện trường mà mơi trường chịu Vượt khỏi ngưỡng này, tượng đánh thủng điện xuất hồ quang điện gây tia lửa phần tích điện Ví dụ khơng khí, hồ quang điện khoảng nhỏ với cường độ điện trường vượt 30 kV centimet Trên khoảng cách lớn hơn, cường độ trở lên nhỏ hơn, xuống kV centimet Hiện tượng hay gặp tự nhiên tia sét, hạt điện tích bị tách đám mây dâng cao cột khí, làm tăng điện trường khơng khí lớn hớn ngưỡng giới hạn mà chịu Điện áp đám mây có tia sét cao tới 100 MV lượng giải phóng tới 250 kWh Cường độ điện trường bị ảnh hưởng lớn vật dẫn điện gần nó, đặc biệt mạnh bị buộc phải lượn theo vật sắc nhọn Nguyên lý VẬT LÝ _ NLU ứng dụng cột thu sét, cột nhọn nhằm thu hút sét đánh phía đánh xuống cơng trình xây dựng mà bảo vệ Trong chương này, tìm hiểu rõ vấn đề nêu qua phần sau: 1.1 Sự nhiễm điện vật Điện tích Bảo tồn điện tích Từ kỷ thứ trước công nguyên, người ta thấy Hổ Phách cọ sát vào lông thú, có khả hút vật nhẹ Cuối kỷ 16, Gilbert nghiên cứu chi tiết nhận thấy nhiều chất khác thủy tinh, lưu huỳnh, nhựa cây, có tính chất giống hổ phách gọi vật có khả hút vật khác sau cọ xát vào nhau, vật nhiễm điện hay vật tích điện Ta làm cho vật nhiễm điện cách đặt tiếp xúc với vật khác nhiễm điện Sau chải tóc khơ lược nhựa, bạn lấy lược đặt gần mẫu giấy nhỏ, lược hút mẫu giấy Lực hút đủ mạnh để nhấc bổng mẫu giấy Một trường hợp khác, bạn lấy bóng bay cao su, bạn cọ xát bóng với mặt gỗ (đừng làm nổ), sau bạn đem bóng lên đầu (đầu tóc bạn thật khơ) bạn quan sát hình bên VẬT LÝ _ NLU Để thảo luận vấn đề trên, ta khảo sát thí nghiệm sau Franklin (1706–1790): Thanh thủy tinh cọ xát với lụa Thanh cao su cọ xát với lông thú Khi thủy tinh đặt gần cao su, chúng hút Thanh cao su đặt gần cao su tương tự, chúng đẩy Ta kết luận, vật nhiễm điện chúng đẩy ngược lại vật nhiễm điện khác chúng hút Theo quy ước Franklin: Điện tích thủy tinh gọi điện tích dương Điện tích cao su gọi điện tích âm Về phương diện điện, vật liệu chia làm hai loại Những vật mà điện tích di chuyển dễ dàng vật gọi vật dẫn điện Những vật mà điện tích định xứ nơi nhiễm điện gọi vật cách điện hay điện môi Những vật dẫn điện lại chia thành vật dẫn điện loại loại Vật dẫn điện loại vật dẫn mà dịch chuyển điện tích vật khơng gây biến đổi hóa học vật không gây dịch chuyển nhận thấy vật chất Kim loại chất bán dẫn vật dẫn điện loại Vật dẫn điện loại vật dẫn mà dịch chuyển điện tích vật gắn liền với biến đổi hóa học, dẫn đến thoát thành phần vật chất chỗ tiếp xúc chúng với vật dẫn điện khác Muối, bazơ nóng chảy, dung dịch muối, axit, bazơ vật dẫn điện loại Khơng khí khơ, thủy tinh, sứ, cao su, hổ phách, dầu, tinh thể muối, … chất cách điện Tuy vậy, việc phân chia vật dẫn điện vật cách điện tương đối, vật nói chung dẫn điện mức độ VẬT LÝ _ NLU Dựa vào tương tác vật nhiễm điện, người ta làm điện nghiệm để phát điện tích Ðiện nghiệm gồm hai kim loại nhẹ mỏng, gắn vào đầu kim loại, hai kim loại bị nhiễm điện dấu, đẩy xịe Ðiện tích vật lớn, hai xòe nhiều Chúng ta ý rằng, điện tích khơng tạo từ q trình giả sử tạo phải tạo đồng thời cặp điện tích âm điện tích dương Các vật nhiễm điện khơng phải chúng tự tạo điện tích mà điện tích chúng chuyển từ vật sang vật khác Điện tích dịch chuyển electron Một vật nhiễm điện âm nhận điện tích âm (nhận electron) vật nhiễm điện dương điện tích âm (mất electron) Thanh thủy tinh cọ xát với tơ lụa, tơ lụa chứa lượng điện tích âm độ lớn với lượng điện tích dương mà thủy tinh có Như tổng điện tích sau cọ xát thủy tinh tơ lụa không Điều cho phép ta suy luận: Nếu hệ lập điện, tức điện tích khơng bị mát, chúng tương tác tổng điện tích hệ ln bảo tồn Đó nội dung định luật bảo tồn điện tích Vào năm 1909, Robert Millikan (1868 – 1953) khám phá điện tích viết số nguyên lần điện tích nguyên tố e (e = 1,6.10-19C) Từ ý tưởng này, người ta nói rằng, điện tích bị lượng tử hóa Điện VẬT LÝ _ NLU tích e gọi điện tích nguyên tố Electon mang điện tích - e prơtơn mang điện tích + e Ngun tử trung hịa điện tổng điện tích electron trái dấu với tổng điện tích prơtơn 1.2 Định luật Coulomb Chồng chất lực điện Khơng thể tìm định luật tổng quát cho tương tác hai vật mang điện bất kỳ, lực phụ thuộc vào nhiều yếu tố, có hình dạng, vị trí tương đối hai vật môi trường bao quanh vật Ta tìm định luật tổng quát cho lực tương tác vật mang điện có kích thước nhỏ cho kích thước vật không ảnh hưởng đến lực tương tác Những vật mang điện thỏa mãn điều kiện gọi điện tích điểm Charles Coulomb (1736 - 1806) làm thí nghiệm với cân xoắn để đo lực tương tác hai cầu tích điện Ơng thu số kết từ phát biểu thành định luật: Lực tĩnh điện hai điện tích điểm đứng yên tỉ lệ thuận với tích độ lớn hai điện tích; tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách hai điện tích Phương lực nằm đường thẳng nối hai điện tích đó; chiều lực hướng vào hai điện tích khác dấu hướng xa hai điện tích dấu F k q1q2 r2 [1.1] VẬT LÝ _ NLU Trong đó:  k 4  9.109    8,8542.1012 Nm2 C2 C2 Nm2 : số Coulomb : số điện Coulomb  q1: Điện tích điện tích điểm thứ (C)  q2: Điện tích điện tích điểm thứ hai (C)  r: Khoảng cách hai điện tích điểm (m) Nếu hai điện tích q1 q2 đặt mơi trường có số điện mơi  , biểu thức định luật Coulomb viết lại: F k q1q2  r2 [1.2] VẬT LÝ _ NLU Ðịnh luật Coulomb bao hàm nguyên lý chồng chất lực điện, lực Coulomb có độ lớn tỉ lệ với tích điện tích Nội dung nguyên lí sau: “Lực tương tác hai điện tích đứng n khơng bị thay đổi có mặt điện tích khác” Nếu có n điện tích tác dụng lên điện tích q0 với lực F1 , F2 , , Fn hợp lực tác dụng lên q0 xác định biểu thức: F  F1  F2   Fn [1.3] ***************************************************************  BÀI TẬP VÍ DỤ ĐỊNH LUẬT COULOMB Ví dụ 1.1: Ba điện tích điểm q1 = 2µC; q2 = -3µC; q3 = -5µC đặt khơng khí điểm tương ứng A, B, C Biết AB = 40 cm; BC = 80 cm Tìm lực tác dụng lên điện tích q2 Giải: Lực tĩnh điện q1 q3 tác dụng lên q2 là: F F12 F32 Do vector, phương chiều nên: F F F12 F32 9.10 3.10 K q1q r122 2.10 0, 42 K q 3q r322 5.10 0, 82 0, 55N Ví dụ 1.2: Cho ba điện tích có độ lớn q1 = q3 = 5C; q2 = -2C, a = 0,1m Đặt ba vị trí hình vẽ Xác định vectơ lực tác dụng lên điện tích q3 Giải VẬT LÝ _ NLU Theo nguyên lý chồng chất lực: F3  F13  F23 F23 lực tác dụng điện tích q2 lên điện tích q3 có độ lớn F23  ke q q3  9N (a ) lực có thành phần Ox F13 lực tác dụng điện tích q1 lên điện tích q3 có độ lớn F13  ke q1 q3 ( 2a )  11N , lực có hai thành phần F13x =F13cos(450 )=7.9N F13y = F13Sin(45o) = 7,9N  F3x  F23  F13x  9N  7.9N  1.1N Do đó: F  F  7.9N 13 y   3y   Vectơ hợp lực tác dụng lên điện tích q3 F= -1,1i+7,9j N Ví dụ 1.3: Hai cầu nhỏ có khối lượng m treo khơng khí từ điểm chung hai dây dài Khi cầu mang điện tích q dây treo hợp với phương thẳng đứng góc θ Chứng minh giá trị điện tích q cho bởi: q Giải Khi cân bằng:  P : trọng lực tác dụng lên cầu  F : lực đẩy tĩnh điện điện tích q  T : lực căng dây P F T sin mg tan K 10 VẬT LÝ _ NLU F P tg F K K / sin q2 sin q q2 q2 K sin mg tan 2 sin mg tan mg tan k *************************************************************** 1.3 Điện trường 1.3.1 Điện trường điện tích điểm gây Dựa vào định luật vạn vật hấp dẫn Newton, bạn dễ dàng khẳng định điều: Hai vật tồn lực hút lẫn Để giải thích tương tác hút đó, người ta thừa nhận tồn xung quanh vật trường hấp dẫn Trường hấp dẫn tác dụng lực hấp dẫn lên vật đặt Một vấn đề đặt ra, hai điện tích tương tác với nhau, hút đẩy, có mơi trường xung quanh điện tích để truyền tương tác hay khơng? Thực nghiệm chứng tỏ rằng, xung quanh điện tích tồn “mơi trường” đặc biệt, tác dụng lực tĩnh điện lên tất điện tích khác đặt “Mơi trường” gọi điện trường điện tích xét Đặt vật dẫn mang điện tích dương Q vị trí cố định, sau đặt điện tích thử (dương) q1; q2; q3…qn điểm M cách điện tích Q khoảng khơng xa q Theo định luật Coulomb bạn thu độ lớn lực tương tác điện tích Q điện tích q1; q2; q3; …; qn F1; F2; F3; …; Fn Nếu kết phép đo xác bạn thu kết sau: F F1 F2 F3     n  E q1 q2 q3 qn [1.4] Giá trị E có biểu thức [1.4] gọi độ lớn điện trường gây điện tích Q điểm đặt q0, độ lớn không phụ thuộc vào độ lớn điện tích VẬT LÝ _ NLU 4.5 Năng lượng từ trường ống dây Giả sử lúc đầu mạch đóng kín, mạch có dịng điện khơng đổi I Khi đó, tồn lượng dòng điện sinh biến thành nhiệt Ðiều nghiệm mạch có dịng điện khơng đổi, khơng nghiệm đóng mạch ngắt mạch Thực vậy, đóng mạch, dịng điện i tăng dần từ giá trị khơng đến giá trị ổn định cực đại Io Do đó, mạch xuất dòng điện tự cảm IL ngược chiều với dịng điện Io nguồn phát ra, làm cho dịng điện tồn phần I = Io - IL mạch nhỏ Io Kết có phần điện nguồn sinh biến thành nhiệt Trái lại, ngắt mạch, dịng điện giảm đột ngột từ giá trị I giá trị khơng Do đó, mạch xuất dịng điện tự cảm chiều với dịng điện làm cho dịng điện giảm đến giá trị khơng chậm Như vậy, sau ngắt mạch, mạch dòng điện chạy thời gian ngắn nữa, cịn toả nhiệt mạch Thực nghiệm lý thuyết xác nhận nhiệt lượng toả mạch sau ngắt mạch có giá trị phần lượng khơng toả nhiệt mà ta nói Như vậy, rõ ràng đóng mạch, phần lượng nguồn điện sinh tiềm tàng dạng lượng để ngắt mạch, phần lượng toả dạng nhiệt mạch Ta nhận thấy đóng mạch, dịng điện mạch tăng từ trường ống dây tăng theo Mà từ trường ta biết dạng vật chất Nó có mang lượng, phần lượng tiềm tàng nói lượng từ trường ống dây điện Gọi dW phần lượng đó, ta có: dW  Lidi [4.5] Vậy, q trình thành lập dịng điện từ giá trị đến I, phần lượng nguồn điện tiềm tang dạng lượng từ trường ống dây điện bằng: 103 VẬT LÝ _ NLU I I W   dW   Lidi  0 LI [4.6] Trong công thức này, L tính Henry (H), I tính Ampere (A), cịn lượng từ trường W tính Joule (J) 4.6 Bài tập chương Bài 4.1/ Xác định chiều dòng điện cảm ứng trường hợp sau Đáp án: dùng định luật lenz quy tác bàn tay phải xác định Bài 4.2/ Cho ống dây quấn lỏi thép có dịng điện chạy qua đặt gần khung dây kín ABCD hình vẽ Cường độ dịng điện ống dây thay đổi nhờ biến trở có có chạy R Xác định chiều dịng điện cảm ứng xuất khung dây trường hợp: 104 VẬT LÝ _ NLU a/ Dịch chuyển chạy phía N (giá trị R giảm) b/ Dịch chuyển chạy phía M (giá trị R tăng) Đáp án: dùng định luật lenz quy tác bàn tay phải xác định Bài 4.3/ Một khung dây hình trịn diện tích 15cm2 gồm 10 vịng dây, đặt từ trường B hợp với véc tơ pháp tuyến mặt phẳng khung dây góc 30o hình vẽ Biết B = 0,04T Tính độ biến thiên từ thông qua khung dây a/ Tịnh tiến khung dây từ trường b/ khung dây quay quanh trục MN góc 180° c/ khung dây quay quanh trục MN góc 360° Đáp án: i  3.104Wb a)   ; b)  f  3 3.104 Wb 4    f   i  3.10 Wb ; c)  f  3.104 Wb    f   i  Bài 4.4/ Một khung dây phẳng diện tích 20cm2, gồm 10 vòng đặt từ trường Véc tơ cảm ứng từ làm thành với mặt phẳng khung dây góc 300 có độ lớn 2.10−4T Người ta làm cho từ trường giảm đến thời gian 0,01s Tính suất điện động cảm ứng xuất khung dây thời gian từ trường biến đổi Đáp án: i  2.104V Bài 4.5/ Một khung dây trịn bán kính 10 cm gồm 50 vịng dây đặt từ trường Cảm ứng từ hợp với mặt phẳng khung dây góc 60o Lúc đầu cảm ứng từ có giá trị 0,05 T Tìm suất điện động cảm ứng khung khoảng 0,05s: a/ Cảm ứng từ tăng gấp đôi b/ Cảm ứng từ giảm đến Đáp án: a)i  4.102V ; b)i  4.102V 105 VẬT LÝ _ NLU Bài 4.6/ Một khung dây hình chữ nhật kín gồm 10 vịng dây, diện tích vịng S = 20 cm2 đặt từ trường có véc tơ cảm ứng từ hợp với pháp tuyến mặt phẳng khung dây góc 600, độ lớn cảm ứng từ B = 0,04 T, điện trở khung dây R = 0,2 Ω Tính suất điện động cảm ứng cường độ dòng điện xuất khung dây thời gian Δt = 0,01 giây, cảm ứng từ: a/ Giảm từ B đến b/ Tăng từ đến 0,5B Đáp án: a)i  4.102V & Ii  0,2 A ; b)i  2.102V & I i  0,1A Bài 4.7/ Một khung dây cứng, phẳng diện tích 25cm2, gồm 10 vòng dây Khung dây đặt từ trường Khung dây nằm mặt phẳng hình vẽ Cảm ứng từ biến thiên theo thời gian đồ thị a/ Tính độ biến thiên từ thông qua khung dây kể từ lúc t = đến t = 0,4s b/ xác định giá trị suất điện động cảm ứng khung c/ Tìm chiều dòng điện cảm ứng khung Đáp án: a)  7,5.106Wb b)i  1,875.105V c) chiều kim đồng hồ Bài 4.8/ Một khung dây dẫn hình chữ nhật cạnh a b, có điện trở tổng cộng R, đặt từ trường  B biến thiên theo thời gian, theo qui luật 106 VẬT LÝ _ NLU   B  B0 cos t  B0 với không đổi hợp với mặt phẳng khơng dây góc  Xác định cường độ dịng điện cảm ứng khung dây Đáp án: i  B0 ab sin  sin t (V ) ; Ii  B0 ab sin  sin t (V ) ( A) R Bài 4.9/ Một kim loại có chiều dài l đặt song song với dây dẫn thẳng dài có dịng điện I chạy qua I cách dây dẫn khoảng r Hãy tính suất điện động cảm ứng xuất kim loại di chuyển với vận  tốc không đổi v vuông góc với dây dẫn từ vị trí Đáp án: i  0 I l.v 2 r Bài 4.10/ Một kim loại có chiều dài l, đặt vng góc với dây dẫn thẳng dài có dịng điện I chạy qua đầu gần dây dẫn cách dây dẫn khoảng r Hãy tính hiệu điện xuất hai đầu thanh kim loại di chuyển với vận tốc không đổi  v song song với dây dẫn Đáp án: i  0 Iv r  l ln 2 r Bài 4.11/ Một dây dẫn thẳng dài có dịng điện với cường độ I  I o e  t  chạy qua, đặt song song với cạnh b khung dây hình chữ nhật, có hai cạnh a b, mặt phẳng với khung dây Cạnh khung dây gần dây dẫn cách dây dẫn khoảng d Xác định suất điện động cảm ứng chiều dòng điện cảm ứng khung dây o I o d  a t ln e (V ) Đáp án: i  2 d 107 VẬT LÝ _ NLU Bài 4.12/ Cạnh dây dẫn thẳng dài có dịng điện cường độ I1 = 30A chạy, người ta đặt khung dây dẫn hình vng có dịng điện cường độ I2 = 2A Khung quay xung quanh trục song song với dây dẫn qua điểm hai cạnh đối diện khung Trục quay cách dây dẫn đoạn h = 30mm Mỗi cạnh khung có bề dài a = 20mm Tìm a/ Lực tác dụng lên khung b/ Cơng cần thiết để quay khung 1800 xung quanh trục Đáp án: a) F  6.106 N ; b) W  3,3.107 J 108 VẬT LÝ _ NLU CHƯƠNG ĐIỆN NĂNG SẢN XUẤT VÀ TRUYỀN TẢI 5.1 Điện Vai trò điện 5.1.1 Các khái niệm  Điện (điện lực) công học thực điện trường lên điện tích di chuyển nó, nói cách khác, điện năng lượng cung cấp dòng điện  Điện thường phân phối đơn vị đo kWh W  U q  UIt [5.1]  Năng lượng sinh dòng điện đơn vị đo thời gian công suất điện P W t [5.2]  Điện biến đổi thành nhiều dạng lượng khác, nhiệt năng, quang năng, động năng, … 5.1.2 Vai trị điện  Điện có vai trò quan trọng sản xuất đời sống: nguồn động lực cho máy hoạt động, nguồn lượng cho máy thiết bị ; nhu cầu thiếu sinh hoạt đời sống nhân dân  Điện điều kiện để phát triển tự động hóa nâng cao chất lượng sống Ví dụ: hệ thống tự động hóa nhà máy xí nghiệp, thơng tin Internet, đồ điện tử, đồ dùng điện gia đình… 5.2 Sản xuất điện Sản xuất điện giai đoạn trình cung cấp điện đến người tiêu dùng, giai đoạn truyền tải phân phối điện 5.2.1 Cách sản xuất điện Thực chất sản xuất điện biến đổi dạng lượng khác sang lượng điện Điện sản xuất theo nhiều cách khác nhau, 109 VẬT LÝ _ NLU phần lớn sản xuất máy phát điện (hoạt động sở tượng cảm ứng điện từ) nhà máy điện Ngồi ra, cịn có hình thức khác pin, ắc quy, tế bào nhiên liệu, hay từ lượng mặt trời, Phần lớn điện sản xuất máy phát điện nhà máy điện Chuyển động quay turbine dẫn đến chuyển động quay máy phát điện tạo điện Trong tài liệu này, tìm hiểu nhà máy điện sau: 5.2.1.1 Nhà máy Nhiệt điện Trong nhà máy nhiệt điện, tạo động nhiệt Động nhiệt tạo nhiệt lấy cách đốt nhiên liệu Cơ lưu trữ dạng động quay tuabin Sơ đồ tóm tắt qui trình sản xuất điện nhà máy nhiệt điện 5.2.1.2 Nhà máy Thủy điện Thủy điện nguồn điện có từ lượng nước Đa số lượng thủy điện có từ nước tích đập nước làm quay turbine nước máy phát điện Thủy điện nguồn lượng hồi phục 110 VẬT LÝ _ NLU Quy trình sản xuất điện nhà máy thủy điện 5.2.1.3 Nhà máy Điện Hạt nhân Như nhà máy nhiệt điện, lượng nhiệt ban đầu để đun nước lấy từ phản ứng lò phản ứng hạt nhân nguyên tử Quá trình sản xuất điện nhà máy điện nguyên tử 111 VẬT LÝ _ NLU 5.2.2 Nguyên tắc hoạt động máy phát điện Định luật Faraday cho ta nguyên lý sở để biến thành điện điện Tầm quan trọng việc biến đổi xã hội công nghiệp điều rõ ràng Nguyên lý hoạt động chúng hiểu cách xét khung dây chữ nhật quay từ trường tiếp xúc điện làm chổi quét hai vành khuyên sau: Quan sát máy phát điện có cấu tạo đơn giản Để đơn giản taa giả sử từ trường có phương vng gốc với trục quay khung dây Khung dây quay tác nhân (trình bày mục 5.2) Mặt phẳng giới hạn khung dây có hình dạng tùy thuộc vào cấu tạo máy, khơng thiết phải hình chữ nhật Từ thông qua khung dây xác định biểu thức: N  Bd s  NBS cos [5.3] (S ) Với N số vòng dây khung, α góc hợp vector B vector pháp tuyến n mặt giởi hạn khung dây Nếu khung dây quay quanh trục với tốc độ góc ω khơng đổi, α = ωt biểu thức [5.3] viết lại sau:   NBS cos  t [5.4] Áp dụng định luật Faraday, ta có biểu thức suất điện động    /  NBS sin  t [5.5] 112 VẬT LÝ _ NLU 0  NBS suất điện động cực đại, suất điện động hiệu dụng giá trị chia hai Suất điện động tức thời biểu thức [5.5] biến thiên điều hòa theo thời gian dịng điện từ máy mạch ngồi biến thiên điều hịa theo thời gian (gọi dịng điện xoay chiều hình sin) Để lấy dịng điện xoay chiều AC mạch ta dùng cấu gồm hai vành khuyên hai chổi quét Còn nếu, muốn thu dòng điện chiều DC ta thay hai vành khuyên hai vành bán khuyên 5.3 Truyền tải điện Điện sản xuất từ nhà máy điện, truyền theo đường dây dẫn điện tới nơi tiêu thụ Khi truyền tải điện xa đường dây dẫn có phần điện hao phí tượng tỏa nhiệt đường dây Cơng suất hao phí ∆P tỏa nhiệt đường dây tải điện tỉ lệ nghịch với bình phương hiệu điện đặt vào hai đầu đường dây xác định sau: P2 P  I r  r U cos  [5.6] Với, r điện trở dây dẫn (Ω), U điện áp máy phát điện (V), P công suất máy phát điện (W), ∆P cơng suất hao phí q trình truyền tải điện từ nhà máy phát điện đến nơi tiêu thụ điện (W), cosφ hệ số công suất mạch điện xoay chiều 113 VẬT LÝ _ NLU 5.3.1 Giảm hao phí truyền tải điện xa Cơng suất hao phí lớn lượng điện vơ ích lớn, điều khơng có lợi cho sản xuất điện Dựa vào [5.6], ta có Các phương án giảm cơng suất hao phí truyền tải điện sau: 5.3.1.1 Tăng hệ số cơng suất Chúng ta tăng cosφ hai cách sau:  Nâng cao cosφ tự nhiên: có nghĩa tìm biện pháp để hộ tiêu thụ điện giảm bớt lượng công suất phản kháng mà chúng cần có nguồn cung cấp cách thay đổi cải tiến q trình cơng nghệ để thiết bị điện làm việc chế độ hợp lý nhất; thay động làm việc non tải động có cơng suất nhỏ hơn; hạn chế động chạy không tải; nơi công nghệ cho phép dùng động đồng thay cho động không đồng bộ; thay biến áp làm việc non tải máy biến áp có dung lượng nhỏ  Nâng cao cosφ nhân tạo: phương pháp thực cách đặt thiết bị bù công suất phản kháng hộ tiêu thụ điện Các thiết bị bù công suất phản kháng bao gồm: Máy bù đồng (chính động đồng làm việc chế độ không tải) Tụ bù điện (làm cho dòng điện sớm pha so với điện áp đó, sinh cơng suất phản kháng cung cấp cho mạng điện) Các phương án không khả thi phát sinh nhiều tốn 5.3.1.2 Giảm điện trở dây dẫn điện Điện trở dây dẫn xác định biểu thức: r S [5.7] Ta giảm giá trị r cách:  Sử dụng vật liệu làm dây tải điện có điện trở suất ρ nhỏ Tuy nhiên, vật liệu phải đầu tư kinh phí nhiều 114 VẬT LÝ _ NLU  Tăng tiết diện S dây dẫn Tuy nhiên, dây dẫn trở nên nặng tốn nhiều vật liệu Do vậy, phương án giảm cơng suất hao phí cách giảm r biện pháp lựa chọn làm tốn thêm nhiều kinh phí 5.3.1.3 Tăng hiệu điện áp truyền tải Dễ dàng thực cách cách sử dụng máy biến áp Trong thực tế để truyền tải điện xa, nhà máy điện Việt Nam sử dụng đường dây cao thông qua việc sử dụng máy tăng áp nhà máy phát điện Trong trình truyền tải điện xa nơi tiêu thụ điện có chạm biến áp lắp đặt nhiều loại máy biến áp để hạ áp đường dây 500kV thành điện áp thấp hơn, truyền tải đến hộ gia đình điện áp phù hợp với thiết bị điện 220V 5.3.2 Máy biến áp 5.3.2.1 Khái niệm cấu tạo  Máy biến áp hay máy biến thế, tên ngắn gọn biến áp, thiết bị điện thực truyền đưa lượng tín hiệu điện xoay chiều mạch điện thơng qua cảm ứng điện từ 115 VẬT LÝ _ NLU  Máy biến áp gồm có cuộn dây sơ cấp hay nhiều cuộn dây thứ cấp liên kết qua trường điện từ Khi đưa dòng điện với điện áp xác định vào cuộn sơ cấp, tạo trường điện từ Theo định luật cảm ứng Faraday trường điện từ tạo dòng điện cảm ứng cuộn thứ cấp Để đảm bảo truyền đưa lượng bố trí mạch dẫn từ qua lõi cuộn dây Vật liệu dẫn từ phụ thuộc tần số làm việc Ở tần số thấp biến áp điện lực, âm tần dùng vật liệu từ mềm có độ từ thẩm cao thép silic, permalloy, mạch từ khép kín lõi ghép chữ E, chữ U, chữ I Ở tần số cao, vùng siêu âm sóng radio dùng lõi ferrit khép kín mạch từ Ở tần số siêu cao vùng vi sóng sóng truyền hình, có biến áp dùng lõi khơng khí thường không khép mạch từ Tuy nhiên quan hệ điện từ chúng khác với hai loại nói trên, khơng coi biến áp thật 116 VẬT LÝ _ NLU  Các cuộn sơ cấp thứ cấp cách ly hay nối với điện, dùng chung vòng dây biến áp tự ngẫu Thông thường tỷ số điện áp cuộn thứ cấp với điện áp cuộn sơ cấp tỷ lệ với số vòng quấn, gọi tỷ số biến áp Khi tỷ số >1 gọi tăng thế, ngược lại