Máy biến áp(hay còn gọi là máy biến thế) là một thiết bị điện từ loại tĩnh, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, biến đổi một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp này thành một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp khác với tần số không thay đổi.
Do đó máy biến áp chỉ làm nhiệm vụ truyền tải hoặc phân phối năng lượng chứ không biến đổi năng lượng.
Nếu một cuộn dây được đặt vào một nguồn điện áp xoay chiều (gọi là cuộn dây sơ cấp), thì sẽ có một từ thông sinh ra với biên độ phụ thuộc vào điện áp sơ cấp và số vòng dây quấn sơ cấp.
Với tỷ số tương ứng giữa số vòng dây quấn sơ cấp và thứ cấp chúng ta sẽ có tỷ lệ tương ứng giữa điện áp sơ cấp và thứ cấp.
MBA có các bộ phận chính gồm: Lõi thép (mạch từ), dây cuộn và vỏ máy.
Lõi thép của máy biến thế thường là các lá thép kỹ thuật điện (tôn silic) có chức năng dẫn từ thông đồng thời làm khung để đặt dây cuốn. Đối với các loại biến áp dùng trong lĩnh vực thông tin, tần số cao thường được cấu tạo bởi các lá thép permalloy ghép lại.
Vỏ máy biến thế thường được làm bằng nhựa hoặc sắt, thép,…tuỳ vào thiết kế của từng loại biến áp. Nhiệt lượng sinh ra trong quá trình hoạt động của máy biến áp sẽ làm các cuộn dây và lõi thép nóng lên có thể gây hư hỏng hoặc giảm hiệu suất làm việc của máy. Nhưng hệ thống làm mát bằng dầu hoặc không khí được thiết kế trong mỗi máy biến thế sẽ giảm thiểu tối đa vấn đề này.
PAGE
PAGE 10
CHUYÊN ĐỀ: SỰ TRUYỀN TẢI ĐIỆN NĂNG ĐI XA - MÁY BIẾN ÁP
VẬT LÍ 12 ( 1 tiết)
Người thực hiện: Lê Thị Thía- Tổ toán lý, Trường THPT Nguyên Bình.
I. Xác định vấn đề cần giải quyết của chuyên đề
Người ta sử dụng điện năng ở khắp mọi nơi, nhưng chỉ sản xuất điện năng trên quy mô lớn, ở một vài địa điểm. Điện năng phải được tiêu thụ ngay khi sản xuất ra. Vì vậy luôn luôn có nhu cầu truyển tải điện năng với số lượng lớn, đi xa tới hàng trăm, hàng nghìn kilômet. Điện trở trên dây là R, một phần điện năng biến thành nhiệt năng tỏa vào khí quyển. Vậy làm thế nào để giảm công suất hao phí do toả nhiệt trên đường dây?
II. Nội dung kiến thức cần xây dựng trong chuyên đề
1. Bài toán truyền tải điện năng đi xa
- Công suất phát từ nhà máy: Pphát = UphátI trong đó I là cường độ dòng điện hiệu dụng trên đường dây.
- Công suất hao phí do toả nhiệt trên đường dây:
® Muốn giảm Php ta có 2 cách
Cách 1: Giảm R bằng cách tăng tiết diện S (tốn kém, không khả thi, ít được sử dụng)
Cách 2: Tăng Uphát trước khi truyền tải bằng cách sử dụng máy biến áp.
2. Máy biến áp
a.Định nghĩa: Là những thiết bị có khả năng biến đổi điện áp (xoay chiều) mà không ảnh hưởng đến tần số của dòng điện.
b.Cấu tạo và nguyên tắc của máy biến áp:
* Cấu tạo: (Sgk)
U1
U2
D2
D1
* Nguyên tắc hoạt động
- Đặt điện áp xoay chiều tần số f ở hai đầu cuộn sơ cấp. Nó gây ra sự biến thiên từ thông trong hai cuộn.
- Gọi từ thông này là: F = F0coswt
- Từ thông qua cuộn sơ cấp và thứ cấp:
F1 = N1F0coswt
F2 = N2F0coswt
- Trong cuộn thứ cấp xuất hiện suất điện động cảm ứng e2:
Vậy: nguyên tắc hoạt động của máy biến áp dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ.
3, Khảo sát thực nghiệm một máy biến áp
*Công thức biến đổi điện áp: > 1: máy tăng áp; < 1: máy hạ áp.
*Công thức biến đổi cường độ dòng điện.
* Công thức tổng quát:
Phương pháp sử dụng trong quá trình tổ chức dạy học. Dạy học theo hướng hoạt động nhóm và sử dụng phương pháp nghiên cứu tài liệu (SGKVL12)
nhằm bồi dưỡng được nhiều năng lực thành phần của năng lực chuyên biệt môn Vật lí
III. Mục tiêu dạy học
1. Kiến thức
- Giải thích được vì sao có sự hao phí điện năng trên đường dây tải điện.
- Viết được biểu thức của điện năng hao phí trên đường dây tải điện, từ đó suy ra những giải pháp giảm điện năng hao phí trên đường dây tải điện, trong đó tăng áp là biện pháp triệt để và hiệu quả nhất.
- Nêu được công suất hao phí trên đường dây tải điện tỉ lệ nghịch với bình phương của điện áp hiệu dụng đặt vào hai đầu dây dẫn.
- Phát biểu được định nghĩa, nêu được cấu tạo và nguyên tắc làm việc của máy biến áp.
- Nêu đ ược điện áp hiệu dụng ở hai đầu các cuộn dây máy biến áp tỉ lệ thuận với số vòng dây của mỗi cuộn.
- Nêu được một số ứng dụng của máy biến áp.
2. Kĩ năng
-Lập được công thức tính công suất hao phí do toả nhiệt trên đường dây tải điện:
- Giải thích được nguyên tắc hoạt động của máy biến áp
- Vận dụng được công thức .
- Vận dụng giải được bài tập trong SGK
3. Thái độ
+ Hứng thú học tập, tích cực chủ động chiếm lĩnh kiến thức
+ Có tinh thần học tập hợp tác
4. Định hướng các năng lực hình thành
+ Năng lực sử dụng kiến thức.
+ Năng lực phương pháp.
+Năng lực trao đổi thông tin
- Bảng mô tả các năng lực có thể phát triển trong chủ đề
Nhóm năng lựcNăng lực thành phầnMô tả mức độ thực hiện trong chủ đềNăng lực sử dụng kiến thức vật lí
K1: Trình bày được kiến thức về các hiện tượng, đại lượng, định luật, nguyên lí vật lí cơ bản, các phép đo, các hằng số vật lí- Nêu được các cách giảm hao phí điện năng trên đường dây tải điện.
- Nêu được định nghĩa, cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của máy biến áp
- Biết được vị trí lắp đặt máy biến áp trên đường dây tải điệnK2: Trình bày được mối quan hệ giữa các kiến thức vật lí - Viết được biểu thức của Php
- Viết được biểu thức của máy biến áp liên hệ giữa U1, N1 và U2, N2 và I1,I2K3: Sử dụng được kiến thức vật lí để thực hiện các nhiệm vụ học tập- Giải được bài tập về máy biến áp
- Giải được bài tập về công suất hao phí trên đường dây tải điệnK4: Vận dụng (giải thích, dự đoán, tính toán, đề ra giải pháp, đánh giá giải pháp … ) kiến thức vật lí vào các tình huống thực tiễn- Giải thích được sơ đồ truyền tải điện năng.
- Ứng dụng máy biến áp để hàn điện, nấu chảy kim loại...Năng lực về phương pháp
P1: Đặt ra những câu hỏi về một sự kiện vật lí- Để giảm điện năng hao phí trong quá trình truyền tải điện năng cần dùng thiết bị nào?
+ Thiết bị đó có cấu tạo và nguyên tắc hoạt động như thế nào?P2: Thu thập, đánh giá, lựa chọn và xử lí thông tin từ các nguồn khác nhau để giải quyết vấn đề trong học tập vật lí- Thu thập, đánh giá , lựa chọn, xử lí thông tin thông qua SGK,sách tham khảo, báo chí, các thông tin khoa học trong đời sống ... về các vấn đề liên quan truyền tải điện năng, máy biến áp.P3: Vận dụng sự tương tự và các mô hình để xây dựng kiến thức vật líVận dụng mô hình máy Biến áp trong thí nghiệm để nghiên cứu phương án truyền tải điện năng đi xaP4: Lựa chọn và sử dụng các công cụ toán học phù hợp trong học tập vật lí.Tích hợp với môn toán để tìm tỉ lệ tương quan giữa U1, N1 và U2, N2 và I1,I2 .P5: Đề xuất được giả thuyết; suy ra các hệ quả có thể kiểm tra được.Để xuất được phương án về tăng và giảm điện ápNăng lực trao đổi thông tin
X1: trao đổi kiến thức và ứng dụng vật lí bằng ngôn ngữ vật lí và các cách diễn tả đặc thù của vật lí HS trao đổi kiến thức bằng ngôn ngữ vật líX2: Phân biệt được những mô tả các hiện tượng tự nhiên bằng ngôn ngữ đời sống và ngôn ngữ vật lí (chuyên ngành ) Sử dụng các kiến thức vật lí như cuộn sơ cấp, thứ cấpX3: lựa chọn, đánh giá được các nguồn thông tin khác nhau,So sánh, nhận xét kết quả nhóm mình với nhóm khác và kết luận nêu ở SGKX4: mô tả được cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của các thiết bị kĩ thuật, công nghệMô tả được cấu tạo, nguyên tắc hoạt động của máy biến ápX5: Ghi lại được các kết quả từ các hoạt động học tập vật lí của mình (nghe giảng, tìm kiếm thông tin, thí nghiệm, làm việc nhóm… )Ghi chép được nội dung hoạt động nhóm
Biểu diễn kết quả thí nghiệm dưới dạng bảng biểuX6: trình bày các kết quả từ các hoạt động học tập vật lí của mình (nghe giảng, tìm kiếm thông tin, thí nghiệm, làm việc nhóm… ) một cách phù hợpGiải thích được số liệu, kết quả đo được
Trình bày được kết quả hoạt động nhóm dưới dạng hệ thống văn bản, báo cáo thí nghiệm X7: thảo luận được kết quả công việc của mình và những vấn đề liên quan dưới góc nhìn vật lí Thảo luận đúng trọng tâm và đúng ngôn ngữ vật lí để trao đổi thông tin với nhómX8: tham gia hoạt động nhóm trong học tập vật líPhân công công việc trong nhóm hợp lí để đạt hiệu quả cao nhấtNăng lực cá thểC1: Xác định được trình độ hiện có về kiến thức, kĩ năng , thái độ của cá nhân trong học tập vật líHS xác định được kiến thức đã có về P, Php, R; dòng điện cảm ứngC2: Lập kế hoạch và thực hiện được kế hoạch, điều chỉnh kế hoạch học tập vật lí nhằm nâng cao trình độ bản thân.Lập kế hoạch và cố gắng thực hiện kế hoạchC3: chỉ ra được vai trò (cơ hội) và hạn chế của các quan điểm vật lí trong các trường hợp cụ thể trong môn Vật lí và ngoài môn Vật lí Chỉ ra được vai trò của truyền tải điện năng và các hạn chế trong các phương án nêu raC4: so sánh và đánh giá được - dưới khía cạnh vật lí- các giải pháp kĩ thuật khác nhau về mặt kinh tế, xã hội và môi trường So sánh, đánh giá được các giải pháp khác nhau trong việc xây dựng phương án truyền tải điện năng đi xaC5: sử dụng được kiến thức vật lí để đánh giá và cảnh báo mức độ an toàn của thí nghiệm, của các vấn đề trong cuộc sống và của các công nghệ hiện đại Cảnh báo được nguy hiểm trên các dây cao thế và trạm Biến thế, đặc biệt là khi có sét, mưa giôngC6: nhận ra được ảnh hưởng vật lí lên các mối quan hệ xã hội và lịch sử.Biết được tầm quan trọng của truyền tải điện năng và máy biến áp đến đời sống kinh tế xã hội hiện nayIV. Tiến trình dạy học: Truyền tải điện năng đi xa máy biến áp
Hoạt động 1: Tìm hiểu truyền tải điện năng đi xa: (10 phút)
TTHoạt độngNội dung1Chuyển giao nhiệm vụ- Đọc sách giáo khoa phần I (trang 86) trả lời các câu hỏi:
+Công thức tính công suất của máy phát điện ?
+Công thức tính công suất hao phí trên đường dây truyền tải điện năng?
+ Nêu các cách làm giảm điện năng hao phí trên đường dây tải điện?2Thực hiện nhiệm vụHọc sinh làm việc và thảo luận nhóm để trả lời các câu hỏi
HS trình bày kết quả hoạt động của nhóm3Báo cáo, thảo luận- Giáo viên tổ chức cho học sinh các nhóm báo cáo thảo luận về kết quả thu được
-Thảo luận từng câu hỏi trước lớp
- Một nhóm cử đại diện báo cáo trước lớp
- Các nhóm khác lắng nghe, đưa ra ý kiến thảo luận
- Giáo viên xác nhận ý kiến đứng từng câu hỏi4Kết luận nhận định-GV Nhận xét kết quả làm việc của học sinh
-HS ghi nhận kiến thức
+Công suất phát từ nhà máy:Pphát = UphátI
+ Công suất hao phí do toả nhiệt trên đường dây:
+ Các cách giảm Php :
Cách 1: Giảm R bằng cách tăng tiết diện S (tốn kém, không khả thi, ít được sử dụng)
Cách 2: Tăng Uphát trước khi truyền tải bằng cách sử dụng máy biến áp.Hoạt động 2: Tìm hiểu máy biến áp(20 phút):
TTHoạt độngNội dung1Chuyển giao nhiệm vụ- HS đọc SGK phần II (trang 87,88,89 ), quan sát bảng khảo sát đặc tính của máy biến áp (trang 88) và quan sát các mô hình của máy biến áp để trả lời các câu hỏi sau:
+ Nêu định nghĩa, cấu tạo, nguyên tắc hoạt động của máy biến áp?
+ Công thức biến đổi điện áp? Thế nào là máy tăng áp, máy hạ áp?
+ Công thức biến đổi dòng điện?2Thực hiện nhiệm vụHS thực hiện nhiệm vụ theo nhóm
Hoạt động nhóm thảo luận trả lời các câu hỏi 3Báo cáo, thảo luận- Giáo viên hướng dẫn báo cáo thảo luận
- Mỗi nhóm cử đại diện báo cáo trước lớp
HS trình bày kết quả hoạt động của nhóm
- Các nhóm khác lắng nghe, đưa ra ý kiến thảo luận
- Giáo viên xác nhận ý kiến đứng từng câu hỏi4Kết luận nhận định-GV Nhận xét kết quả làm việc của học sinh
-HS ghi nhận kiến thức
* Định nghĩa: Máy biến áp là những thiết bị có khả năng biến đổi điện áp (xoay chiều).
* Cấu tạo:
+Lõi biến áp gồm nhiều lá sắt mỏng ghép cách điện với nhau.
+ Cuộn nối với nguồn điện là cuộn sơ cấp.U1, N1 , I1.
+ Cuộn được nối với tải tiêu thụ điện năng là cuộn thứ cấp. U2, N2 ,I2 .
*Nguyên tắc hoạt động của máy biến áp dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ.
* Công thức biến đổi điện áp:
- > 1: máy tăng áp. - < 1: máy hạ áp.
* Công thức biến đổi cường độ dòng điện: Hoạt động 3: Tìm hiểu về ứng dụng của máy biến áp.(5 phút)
TTHoạt độngNội dung1Chuyển giao nhiệm vụHS nghiên cứu Sgk và những hiểu biết của mình để nêu các ứng dụng của máy biến áp.2Thực hiện nhiệm vụHS thực hiện nhiệm vụ theo nhóm
Hoạt động nhóm thảo luận trả lời các câu hỏi 3Báo cáo, thảo luận- Giáo viên hướng dẫn báo cáo thảo luận
- Mỗi nhóm cử đại diện báo cáo trước lớp
HS trình bày kết quả hoạt động của nhóm
- Các nhóm khác lắng nghe, đưa ra ý kiến thảo luận
- Giáo viên xác nhận ý kiến đứng từng câu hỏi4Kết luận nhận định
-GV Nhận xét kết quả làm việc của học sinh
-HS ghi nhận kiến thức
1. Truyền tải điện năng.
2. Nấu chảy kim loại, hàn điện.
3.Qui định khoảng cách thẳng đứng của đường dây điện cao áp trên không với đất:
Cấp điện áp của DDKĐi qua khu vực dân cưKhoảng cách
pha- đất ( m)Đến 110kVKhu vực đông dân cư7,0mĐến 220kVKhu vực đông dân cư8,0mĐến 500kVKhu vực đông dân cư14,0mHoạt động 4: Tổng kết bài học ( 10 phút)
TTHoạt độngNội dung1Chuyển giao nhiệm vụ-Tổ chức cuộc thi Ai trả lời nhanh nhất; Nêu thể lệ cuộc thi
-Các câu hỏi được chiếu lần lượt
- Ai giơ tay trước có quyền trả lời, nếu trả lời đúng được ghi điểm, nếu trả lời sai học sinh khác tiếp tục được trả lời
- Trong vòng 1’ nếu không có câu trả lời đúng đáp án được chiếu2Thực hiện nhiệm vụ HS tham gia cuộc thi3Tổng kết cuộc thi- Giáo viên công bố kết quả cuộc thi
- Giao nhiệm vụ về nhà
- Ghi câu hỏi và bài tập về nhà.
- Ghi những chuẩn bị cho bài sau4Kết luận nhận định
- Sau khi thực hiện thí nghiệm tìm tòi - nghiên cứu, các câu trả lời dần dần được giải quyết, kiến thức được hình thành, tuy nhiên vẫn chưa có hệ thống hoặc chưa chuẩn xác một cách khoa học.
- GV có nhiệm vụ tóm tắt, kết luận và hệ thống lại để học sinh ghi vào vở coi như là kiến thức của bài học
- Mở rộng: Cảnh báo nguy hiểm trên đường dây tải điện cao áp khi trời mưa giông, sấm sét và khoảng cách an toàn.V. Kiểm tra, đánh giá trong quá trình dạy học
1. Hình thức kiểm tra, đánh giá: Kiểm tra sau bài dạy
2. Công cụ kiểm tra, đánh giá
a. Trắc nghiệm:
Câu 1: Hiện nay người ta thường dùng cách nào sau đây để làm giảm hao phí điện năng trong quá trình truyền tải đi xa?
A. tăng tiết diện dây dẫn dùng để truyền tải
B. xây dựng nhà máy điện gần nơi tiêu thụ
C. dùng dây dẫn bằng vật liệus iêu dẫn
D. tăng điện áp trước khi truyền tải điện năng đi xa
Câu 2.
Nhận xét nào sau đây về máy biến áp là không đúng ?
A. Máy biến áp có thể tăng điện áp.
B. Máy biến áp có thể giảm điện áp
C. Máy biến áp có thể thay đổi tần số dòng điện.
D. Máy biến áp có thể biến đổi cường độ dòng điện
Câu 3: Một máy biến thế có cuộn sơ cấp gồm N1=1000 vòng dây, mắc vào mạng điện xoay chiều có hiệu điện thế U1 = 200V, khi đó hiệu điện thế ở hai đầu cuộn thứ cấp để hở là U2 = 10V. Bỏ qua hao phí của máy biến thế thì số vòng dây cuộn thứ cấp là
A. 100 vòng B. 50 vòng C. 500 vòng D. 25 vòng
Câu 4: Một máy biến thế có hiệu suất xấp xỉ bằng 100%, có số vòng dây cuộn sơ cấp lớn hơn 10 lần số vòng dây cuộn thứ cấp. Máy biến thế này
A. làm tăng tần số dòng điện ở cuộn sơ cấp 10 lần.
B. là máy tăng thế.
C. làm giảm tần số dòng điện ở cuộn sơ cấp 10 lần.
D. là máy hạ thế.
b. Tự luận
Câu 1 ( Nhận biết- K1, K2, X2 ): Em hãy nêu định nghĩa, cấu tạo của máy biến áp?
Câu 2 ( Nhận biết - X1, C6) : Máy biến áp được lắp đặt ở đâu trên đường dây tải điện?
Câu 3 (Nhận biết - K2, P5, C1): Công thức tính hao phí trên đường dây tải điện là gì?
Câu 4 (Nhận biết - K1, K4, P1, C4) : Phương án tốt nhất để giảm hao phí điện năng do tỏa nhiệt trên đường dây tải điện là gì ?
Câu 5 (Thông hiểu - K1, X2, X4): Em hãy trình bày nguyên tắc hoạt động của máy biến áp ?
Câu 6 (Thông hiểu - K1, C1): Nguyên tắc hoạt động của máy biến áp hàn?
Câu 7 ( Thông hiểu- C5) : Khi trời mưa giông, sấm sét ta có nên trú mưa gần đường dây cao thế và trạm biến áp không? Vì sao?
Câu 8 ( Vận dụng thấp- K2, P5): Trên đường dây tải điện nếu dùng máy biến thế tăng điện áp lên 100 lần thì công suất hao phí do tỏa nhiệt trên dường dây sẽ giảm đi bao nhiêu lần?
Câu 9 ( Vận dụng thấp- K3, P5 ): Cuộn sơ cấp của máy biến thế có 500 vòng. Muốn tăng hiệu điện thế lên 3 lần thì phải dùng cuộn thứ cấp có bao nhiêu vòng?
Câu 10 ( Vận dụng cao- K4, X4) : Có thể dùng máy biến thế để biến đổi điện áp của dòng điện một chiều không đổi được không? Tại sao?
PHỤ LỤC
PHIẾU HỌC TẬP SỐ 1
Đọc sách giáo khoa phần I (trang 86) thảo luận nhóm trả lời các câu hỏi:
- Công thức tính công suất của máy phát điện ?
- Công thức tính công suất hao phí trên đường dây truyền tải điện năng?
- Nêu các cách làm giảm điện năng hao phí trên đường dây tải điện?
PHIẾU HỌC TẬP SỐ 2
HS đọc SGK phần II (trang 87,88,89 ), quan sát bảng khảo sát đặc tính của máy biến áp (trang 88) và quan sát các mô hình của máy biến áp để trả lời các câu hỏi sau:
- Nêu định nghĩa, cấu tạo, nguyên tắc hoạt động của máy biến áp?
- Công thức biến đổi điện áp? Thế nào là máy tăng áp, máy hạ áp?
- Công thức biến đổi dòng điện?
PHIẾU HỌC TẬP SỐ 3
HS nghiên cứu Sgk và những hiểu biết của mình để nêu các ứng dụng của máy biến áp.