Giúp học sinh làm tốt bài toán truyền tải điện năng thông qua sơ đồ truyền tải điện năng

Trong đó chương điện xoay chiều là chương mà Học sinh cảm thấy khó nhất trong chương trình Vật lý 12, đặc biệt là các bài toán về truyền tải điện năng đi xa.. Với mong muốn giúp học sinh

Mục lục Nội dung Trang

2.1.2 Sự truyền tải điện năng đi xa 6

2.2 Thực trạng vấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm 6

2.3.Giải pháp giúp học sinh làm tốt bài toán truyền tải điện năng 7

1 Mở đầu

1.1 Lý do chọn đề tài

Vật lý là một trong những nghành khoa học cơ bản nhất của Khoa học tự nhiên, và cũng là nghành có nhiều ứng dụng trong cuộc sống Sự phát triển của khoa học công nghệ gắn liền với sự phát triển của vật lý học Phần Điện xoay chiều của chương trình lớp 12 là phần có nhiều ứng dụng mà ta ta dễ nhìn thấy nhất trong cuộc sống hàng ngày thông qua quá trình sử dụng điện năng Và nó cũng là một chương quan trọng, chiếm tỉ lệ số câu hỏi cao hơn các chương khác trong kỳ thi THPT Quốc gia và kỳ thi HSG Đặc biệt những câu về truyền tải điện năng luôn là những câu được dùng để phân loại giữa Học sinh khá và giỏi Trong các môn học của chương trình PTTH Vật lý là một môn học khó và

trừu tượng Các bài tập vật lý cũng rất đa dạng và phong phú, có rất nhiều bài

liên quan đến thực tế đời sống hàng ngày Trong khi đó theo phân phối chương trình của môn Vật lý 12 số tiết bài tâp lại hơi ít so với nhu cầu cần củng cố và nâng cao kiến thức cho Học sinh Chính vì thế, người giáo viên phải làm thế nào

để tìm ra phương pháp tốt nhất giúp cho Học sinh hiểu rõ được bản chất vấn đề

từ đó tạo niềm say mê yêu thích môn học, đồng thời giúp Học sinh phân loại các dạng bài tập và hướng dẫn cách để Học sinh làm được các bài toán liên quan

Tuy nhiên qua quá trình giảng dạy môn vật lý ở lớp 12 các năm qua tôi nhận thấy đa số Học sinh đều có thể làm được các bài tập ở mức độ nhận biết và thông hiểu, nhưng với các bài tập vận dụng nhất là các bài vận dụng ở mức độ cao và các bài tập có ứng dụng trong thực tế thì rất ít Học sinh làm được Trong

đó chương điện xoay chiều là chương mà Học sinh cảm thấy khó nhất trong chương trình Vật lý 12, đặc biệt là các bài toán về truyền tải điện năng đi xa

Với mong muốn giúp học sinh nắm được kiến thức cơ bản, vận dụng giải được các bài tập nâng cao của phần truyền tải điện năng, nâng cao kết quả của

kỳ thi THPT quốc gia và kì thi HSG cấp tỉnh tôi chọn đề tài: “Giúp Học sinh làm tốt bài toán truyền tải điện năng thông qua sơ đồ truyền tải điện”.

Mặc dù đây không phải là đề tài mới mẻ, trong quá trình tìm hiểu thực hiện đề tài Tôi thấy có rất nhiều các sáng kiến kinh nghiệm cũng viết về vấn đề này, tuy nhiên các đồng nghiệp trong tổ bộ môn ở trường Tôi thì chưa ai nghiên cứu Mặt khác qua quá trình giảng dạy và học tập của Học sinh Tôi trực tiếp dạy mấy năm qua, Tôi nhận thấy đây là một trong những đề tài cần được nghiên cứu

để giúp Tôi dạy tốt hơn, từ đó Học sinh hiểu bài hơn làm được nhiều các bài tập

ở mức độ cao, giúp Học sinh có thể đạt được kết quả cao hơn trong các kỳ thi quan trọng, góp phần quyết định tương lai sau này của các em

1.2 Mục đích nghiên cứu:

Đề tài nhằm giúp Học sinh lớp 12 nắm vững kiến thức cơ bản của máy biến

áp và truyền tải điện năng Xây dựng và hiểu được sơ đồ truyền tải điện năng, phân loại được các dạng bài tập, nhớ được các công thức liên quan từ đó vận dụng làm được các bào tập cơ bản Với các em Học sinh khá giỏi có thể làm được các bài tập nâng cao góp phần nâng cao thành tích trong kỳ thi THPT quốc gia và kỳ thi HSG cấp tỉnh

Thông qua quá trình thực hiện đề tài giúp bản thân có thêm kinh nghiệm trong việc tự học, nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả giảng dạy Xây dựng

một chuyên đề sâu, chi tiết có thể làm tài liệu giảng dạy cho bản thân và có giá trị tham khảo cho các đồng nghiệp trong quá trình dạy Học sinh ôn thi vào các trường ĐH và thi Học sinh giỏi cấp tỉnh

1.3 Đối tượng nghiên cứu:

- Tóm tắt sơ lược lý thuyết về máy biến áp và truyền tải điện năng

- Vẽ sơ đồ truyền tải điện năng, chú thích các công thức cần dùng, các vấn đề cần chú ý trong quá trình truyền tải điện năng

- Nêu một số các bài tập ví dụ điển hình

- Đề xuất một số bài toán tham khảo

1.4 Phương pháp nghiên cứu:

- Phương pháp nghiên cứu xây dựng cơ sở lý thuyết

- Phương pháp điều tra khảo sát thực tế, thu thập thông tin

- phương pháp tổng kết rút kinh nghiệm

- Phương pháo điều tra khảo sát

2 Nội dung

2.1 Cơ sở lý luận của sáng kiến kinh nghiệm.

2.1.1 Máy biến áp

a Khái niệm: Máy biến áp là một thiết bị dùng để biến đổi một dòng điện xoay

chiều thành một dòng điện xoay chiều khác cùng tần số

nhưng có hiệu điện thế khác nhau

b Cấu tạo

+ Máy biến áp cấu tạo gồm có hai cuộn dây có số

vòng khác nhau quấn trên một lõi sắt kín Lõi biến áp

gồm nhiều lá sắt hoặc thép pha silic mỏng ghép cách

điện với nhau để giảm hao phí dòng Fu-cô và tăng

cường từ thông qua mạch

+ Hai cuộn dây thường làm bằng đồng, đặt cách điện

với nhau và cách điện với lõi

+ Trong thực thế thì máy biến áp có dạng như hình 1,

còn trong việc biểu diễn sơ đồ máy biến áp thì có dạng

như hình 2

c Nguyên tắc hoạt động

Hoạt động của máy biến áp dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ Một trong hai cuộn dây của máy biến áp được nối với nguồn điện xoay chiều, được gọi là cuộn sơ cấp có N1 vòng dây Cuộn thứ hai được nối với tải tiêu thụ điện năng, được gọi là cuộn thứ cấp có N2 vòng dây Dòng điện xoay chiều chạy trong cuộn sơ cấp gây ra từ thông biến thiên qua cuộn thứ cấp, làm xuất hiện trong cuộn thứ cấp một suất điện động xoay chiều Nếu mạch thứ cấp kín thì có

dòng điện chạy trong cuộn thứ cấp

d Sự biến đổi hiệu điện thế và cường độ dòng điện qua máy biến áp.

Gọi N1, N2 là số vòng của cuộn sơ cấp và thứ cấp

Gọi U1, U2 là hiệu điện thế 2 đầu cuộn sơ cấp và thứ cấp

Gọi I1, I2 là cường độ hiệu dụng của dòng điện 2 đầu

cuộn sơ cấp và thứ cấp(Hình vẽ bên )

- Khi nối cuộn sơ cấp với mạch điện xoay chiều có

hiệu điện thế hiệu dụng U1, dòng điện xoay chiều i1,

trong cuộn sơ cấp làm phát sinh một từ trường biến thiên

điều hoà tập trung trong lõi biến áp Tại mọi thời điểm

từ thông  qua mọi tiết diện của lõi có giá trị tức thời như nhau Trong khoảng thời gian t rất nhỏ từ thông biến thiên gây ra ở mỗi cuộn dây sơ cấp là:

t

N

e







 1

1 , còn ở cuộn thứ cấp là: e N t







 2

Từ đó suy ra

1

2 1

2

N

N e

e

 (1)

- Thông thường điện trở của cuộn sơ cấp là rất nhỏ nên hiệu điện thế u1 ở hai đầu cuộn sơ cấp có giá trị xấp xỉ bằng suất điện động e1

Hình 1

Hình 2

- Nếu mạch thứ cấp hở thì hiệu điện thế u2 ở hai đầu cuộn thứ cấp có giá trị bằng suất điện động e2 Do đó:

1

2 1

2 1

2

N

N e

e u

u



- Hiệu điện thế và suất điện động ở hai đầu sơ cấp và thứ cấp biến thiên điều hòa cùng pha, cùng tần số, nên ta có thể thay giá trị tức thời bằng giá trị hiệu dụng:

1

2 1

2

N

N U

U

- Vậy tỉ số hiệu điện thế hiệu dụng ở hai đầu cuộn thứ cấp và sơ cấp bằng

tỉ số vòng dây của hai cuộn đó

+ Nếu N2 > N1 thì U2 > U1: máy biến áp là máy tăng áp

+ Nếu N2 < N1 thì U2 < U1: máy biến áp là máy hạ áp

- Khi mạch thứ cấp nối với tải tiêu thụ thành một mạch kín thì U2 < e2; tuy nhiên người ta vẫn sử dụng công thức (3) như một công thức gần đúng

- Nếu dòng điện trong cuộn sơ cấp và thứ cấp cùng pha với hiệu điện thế thì công suất tiêu thụ ở hai mạch sơ cấp và thứ cấp là P1 = U1I1 và P2 = U2I2 Nếu coi những hao phí do các dòng Fucô trong lõi và do toả nhiệt trên các cuộn dây

là không đáng kể, thì điện năng qua máy biến thế được bảo toàn, nghĩa là công suất ở hai mạch sơ cấp và thứ cấp là như nhau: P1 = P2

Suy ra

1

2 1

2 2

1

N

N U

U I

I



Như vậy máy biến áp tăng hiệu điện thế lên bao nhiêu lần thì giảm cuờng độ dòng điện đi bấy nhiêu lần và ngược lại [1]

e.Các công thức thường dùng của máy biến áp

+ Cuộn dây cuộn sơ cấp và thứ cấp thuần cảm thì 1 1

2 2











+ H 100% (Bỏ qua hao phí dòng Fucô),   1 2 1

2

+ Cuộn dây cuộn sơ cấp có điên trở trong r1 thì

1

1

2 2

1

L

U N











+ Cuộn dây cuộn sơ cấp có điên trở trong r1 và cuộn thứ cấp có điên trở trong

2

r và mạch ngoài có điên trở R

1 2

2 1

2

k

k











[8]

2

1

L

L

U

2

L L

U E I N (Không được áp dụng công thức

2

1 2

1

N

N U

U

.cos

.cos

H





2 1.2 Sự truyền tải điện năng đi xa.

+ Điện năng được sản xuất từ các nhà máy điện truyền tải đến nơi tiêu thụ bằng đường dây dẫn dài hàng trăm km trong quá trình truyền tải điện một phần điện năng chuyển thành nhiệt năng tỏa ra trên dây dẫn điện, đây là phần điện năng bị hao phí bị mất đi.Vì vậy trong quá trình truyền tải điện năng cần phải đảm bảo giảm hao phí xuống mức thấp nhất và giảm chi phí trong quá trình truyền tải

+ Giả sử cần truyền tải một công suất điện P từ nhà máy điện bằng đường dây dẫn đến nơi tiêu thụ Công suất cần truyền tải điện năng là:

P = UIcosφ (1)

Trong đó U là điện áp tại nơi truyền đi, I là cường độ dòng điện trên dây dẫn truyền tải, cosφ là hệ số công suất

Công suất hao phí do tỏa nhiệt trên điện trở R của dây dẫn :

P = I2R

Từ (1) suy ra I =  P = I2R=

P R

U

P

2 2 2

cos







Vậy công suất tỏa nhiệt trên đường dây khi truyền tải điện năng đi xa là:

P

U  R

P

2 2

cos 



Để khi đến nơi sử dụng thì mục tiêu là làm sao để giảm tải công suất tỏa nhiệt P

để phần lớn điện năng được sử dụng hữu ích Có hai phương án giảm ∆P:

Phương án 1 : Giảm R

Do R =  nên để giảm R thì cần phải tăng tiết diện S của dây dẫn Phương án này không khả thi do tốn kém kinh tế

Phương án 2 : Tăng U

Bằng cách sử dụng máy biến áp, tăng điện áp U trước khi truyền tải đi thì công suất tỏa nhiệt trên đường dây sẽ được hạn chế Phương án này khả thi hơn

vì không tốn kém, và thường được sử dụng trong thực tế

2.2 Thực trạng vấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm.

Những năm học trước, khi dạy phần truyền tải điện năng cho Học sinh lớp 12 Tôi đã dạy theo trình tự:

+ Hướng đẫn Học sinh nắm được lí thuyết trong sách giáo khoa

+ Tóm tắt các công thức cơ bản có phát triển thêm một số các công thức cho trường hợp tổng quát

+ Hướng dẫn Học sinh làm một số ví dụ điển hình và giao bài tập về nhà cho Học sinh, sửa bài và nhận xét

Sau khi dạy phần truyền tải điện năng, Tôi cho Học sinh làm một bài kiểm tra

để đánh giá sự tiếp thu kiến thức của của Học sinh, đồng thời tổng hợp kết quả của Học sinh trong kỳ thi HSG và kỳ thi THPTQG về phần này kết quả thu được như sau:

Lớp Sĩ số HS đạt

9-10 điểm

HS đạt 7-8 điểm

HS đạt 5-6 điểm

HS đạt

4 điểm

HS đạt Dưới 3

Với Học sinh tham gia kỳ thi học sinh giỏi cấp Tỉnh năm 2015- 2016 thì không có học sinh nào làm được bài toán về truyền tải điện năng

Mặc dù đã rất cố gắng, nhiệt tình nhưng kết quả của Học sinh qua các kỳ thi không cao Tôi đã dò hỏi thu thập thông tin về nguyên nhân vì sao Học sinh không thể làm tốt được bài tập, sau đó tổng hợp các ý kiến, tìm tòi, suy nghĩ Tôi đưa ra giải pháp sau

2.3 Giải pháp giúp học sinh làm tốt bài toán truyền tải điện năng.

Với các bài toán truyền tải điện năng Tôi nhận thấy nếu ta sơ đồ hóa quá trình truyền tải điện năng, có chú thích các công thức cần dùng cho mỗi giai đoạn thì Học Sinh sẽ dễ hình dung, hiểu được bản chát của quá trình truyền tải điện năng

từ đó có thể làm tốt hơn loại bài toán này

2.3.1.Sơ đồ truyền tải điện năng.

Hạ áp trước khi sử dụng (N’

2<N1’ ; H=100%) :

R

U ’ ,P ’ , N ’

điện năng

U, N2

I, P

Uo,N1

I

o , P

U ” ,P ’ , N ’

2

Nhà máy sản suất điện năng

có công suất P, hiệu điện thế

Uo

Tăng áp trước khi truyền đi (N2>N1; H=100%):

Trên đường dây truyền tải có:

+ Điện trở: R =  ℓ ( l = 2d ) + Hao phí: P = I2R= = P-P’

+ Giảm thế trên đường dây : ∆U = U-U’ = IR + Hiệu suất:

2.3.2.Các công thức cần chú ý:

+ Công thức tính điện trở của dây dẫn R =  ℓ Trong đó  (Ω.m) là điện trở suất của dây dẫn, ℓ là chiều dài dây, S là tiết diện của dây dẫn Quãng đường truyền tải điện năng đi xa so với nguồn một khoảng là d thì chiều dài dây là ℓ = 2d

+ Công suất tỏa nhiệt cũng chính là công suất hao phí trên đường dây, phần công suất hữu ích sử dụng được là:

Pcó ích= P’ = P - P =

U  R

P

2

cos 



Từ đó hiệu suất của quá trình truyền tải điện năng là:

2 2

cos

có ích

Từ công thức trên ta thấy:

Khi U thay đổi các đại lượng khác không đổi:

2

1 1

 



 

Khi U, P thay đổi công suất nhận được ở cuối đường dây không đổi:

 

1 1 2

2 2 '

1

1 ( cos )

1

H

H H

H

P

P

H



















Khi P thay đổi các đại lượng khác không đổi: 2 2

1 1

1 1





Khi R thay đổi các đại lượng khác không đổi: 2 2

1 1

1 1





Phần trăm hao phí trên đường dây: 1 2

( cos )



    ta có khi công suất đưa lên không đổi, điện áp tăng n lần thì công suất hao phí giảm n2 lần [3]

+ Sơ đồ truyền tải điện năng từ A đến B : Tại A sử dụng máy tăng áp để tăng điện áp cần truyền đi Đến B sử dụng máy hạ áp để làm giảm điện áp xuống phù hợp với nơi cần sử dụng (thường là 220 V) khi đó độ giảm điện áp

là U = IR = U – U’, với U là điện áp hiệu dụng ở cuộn thứ cấp của máy tăng áp tại A, còn U’ là điện áp ở đầu vào cuộn sơ cấp của máy biến áp tại B

+ Với bài toán về truyền tải điện năng, để làm tốt được ta cần áp dụng đúng công thức theo các trình tự: Nơi phát → máy thăng thế → đường dây truyền tải điện → máy hạ thế → truyền tải → hộ tiêu thụ điện năng[8]

2.3.3 Một số bài tập ví dụ.

a Các bài tập tự luận.

Bài 1 : Một trạm phát điện truyền đi với công suất P= 50 kW, điện trở dây dẫn là

4 Hiệu điện thế ở trạm là 500V

a.Tính độ giảm thế, công suất hao phí trên dây dẫn

b.Nối hai cực của trạm phát điện với một biến thế có hệ số k=0,1 Tính công suất hao phí trên đường dây và hiệu suất của sự tải điện là bao nhiêu? Biết rằng năng lượng hao phí trong máy biến thế không đáng kể, hiệu điện thế và cường

độ dòng điện luôn cùng pha

Giải: a Ta có: I= P

U=50.103 100

500  A;Vậy độ giảm thế: U=IR=100.4=400 V Công suất hao phí trên dây: Ta có: P= RI2=4.1002=40000 W = 40 kW

b Ta có: k = 1

2

U

U  U2=U 1

k = 5000,1 =5000 V ; I2 =

3

2

P 50.10

10

U  5000  A

Do đó: công suất hao phí trên dây: P’ =R 2

2

I = 4 (10)2= 400 W = 0,4 kW

- Hiệu suất tải điện: H=P- P' 50 0, 4 99, 2

Bài 2: Người ta cần tải một công suất 5MW từ nhà máy điện đến một nơi tiêu

thụ cách nhau 5KM Hiệu điện thế cuộn thứ cấp máy tăng thế là U=100KV, độ giảm điện thế trên đường dây không quá 1%U Điện trở suất của dây tải là 1,7.10-8m Tiết diện dây dẫn thoả mãn điều kiện nào?

Giải:

Ta có d=5 Km suy ra l=2.d=10Km=10000m

Độ giảm điện thế: U I U 1 (KV) 1000V R 1000I

100

1





10 100

10 5

3

6

A U

P I UI

P     Khi đó: R20 

Mặt khác:

20

.

20 S l S

l S

l

Thay số ta được: 8 , 5 10 ( ) 8 , 5 ( ) 8 , 5 ( )

20

10000 10 7 ,

mm S

mm m



[2] Bài 3: (HSG 2011)Trong quá trình truyền tải điện năng đi xa cần tăng điện áp

của nguồn lên bao nhiêu lần để giảm công suất hao phí trên đường dây đi 100 lần Giả thiết công suất nơi tiêu thụ nhận được không đổi, điện áp tức thời u cùng pha với dòng điện tức thời i Biết ban đầu độ giảm điện thế trên đường dây bằng 15% điện áp của tải tiêu thụ

Giải

- Đặt: U, U1, ΔUU, I1, P1 là điện áp nguồn, điện áp ở tải tiêu thụ, độ giảm điện áp trên đường dây, dòng điện hiệu dụng và công suất hao phí trên đường dây lúc đầu

Và U’, U2, ΔUU', I2, P2 là điện áp nguồn, điện áp ở tải tiêu thụ, độ giảm điện áp trên đường dây, dòng điện hiệu dụng và công suất hao phí trên đường dây lúc sau

2 2

2

cos

R P R U

P R

I















