Nguyên tắc hoạt động máy phát điện xoay chiều
Dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ: Khi từ thông qua một vòng dây biến thiên điều hòa, trong vòng dây xuất hiện một suất điện động cảm ứng xoay chiều.
1. Máy phát điện xoay chiều một pha
* Khái niệm: là máy tạo ra một suất điện động xoay chiều hình sin.
* Cấu tạo
Máy phát điện xoay chiều 1 pha [còn gọi là máy dao điện] gồm 2 phần chính:
+ Phần cảm: Là nam châm dùng để tạo ra từ trường. Nam châm của phần cảm có thể là nam châm vĩnh cữu hoặc nam châm điện.
+ Phần ứng: Là khung dây dẫn dùng để tạo ra dòng điện.
Một trong hai phần cảm và phần ứng đứng yên, phần còn lại quay, bộ phận đứng yên gọi là stato, bộ phận quay gọi là rôto.
Từ thông qua mỗi cuộn dây biến thiên tuần hoàn với tần số \[f = np\] trong đó: n [vòng/s], p: số cặp cực.
Nếu N [vòng/phút] thì tần số \[f = \dfrac{{Np}}{{60}}\]
2. Máy phát điện xoay chiều ba pha
* Khái niệm: Là máy tạo ra ba suất điện động xoay chiều hình sin cùng tần số, cùng biên độ và lệch pha nhau \[2 \pi\]/3.
*Cấu tạo:
+ Stato: là 3 cuộn dây giống nhau gắn cố định trên một đường tròn lệch nhau một góc 1200
+ Roto: là một nam châm có thể quay quanh một trục cố định với tốc độ quay không đổi là \[\omega \]
Khi đó trên 3 cuộn dây xuất hiện 3 dòng điện xoay chiều có cùng tần số góc \[\omega \], cùng biên độ nhưng lệch pha nhau góc 1200, dòng điện sinh ra từ máy phát điện xoay chiều ba pha gọi là dòng ba pha.
Cấu tạo bên trong của máy phát điện xoay chiều 3 pha:
Mắc hình sao: \[{U_d} = \sqrt 3 {U_p},{I_d} = {I_p}\]
Mắc hình tam giác: \[{U_d} = {U_p},{I_d} = \sqrt 3 {I_p}\]
Công suất của dòng điện 3 pha: \[P = 3{U_p}{I_p}{\rm{cos}}\varphi {\rm{ }}\]
* Ưu điểm của dòng điện 3 pha:
+ Truyền tải điện năng bằng dòng 3 pha tiết kiệm được nhiều dây dẫn.
+ Máy phát điện 3 pha có cấu tạo đơn giản, dòng 3 pha được sử dụng rộng rãi cho các động cơ chạy điện 3 pha được sử dụng ở hầu hết các nhà máy sản xuất, xí nghiệp.
Video mô phỏng về máy phát điện - động cơ điện
Sơ đồ tư duy về máy phát điện xoay chiều - Vật lí 12
Xét 2 điểm M,N cách nguồn một khoảng ${{x}_{1}},{{x}_{2}}.$
Phương trình sóng tại M là ${{u}_{M}}=A\cos \left[ \omega t-\frac{2\pi {{x}_{1}}}{\lambda } \right].$
Phương trình sóng tại N là ${{u}_{N}}=A\cos \left[ \omega t-\frac{2\pi {{x}_{2}}}{\lambda } \right].$
Độ lệch pha dao động của M và N tại cùng một thời điểm là $\Delta \varphi =\frac{2\pi \left[ {{x}_{2}}-{{x}_{1}} \right]}{\lambda }.$
Nếu 2 điểm M và N cùng nằm trên một phương truyền song cách nhau một khoảng d thì ta có:$d={{x}_{2}}-{{x}_{1}}$
Độ lệch pha giữa 2 dao động tại M và N là$\Delta \varphi =\frac{2\pi d}{\lambda }.$
Như vậy: Xét trên cùng một phương truyền sóng.
+] Hai điểm M và N cùng pha với nhau khi: $\Delta \varphi =\frac{2\pi d}{\lambda }=k2\pi \Leftrightarrow d=k\lambda .$
M, N gần nhau nhất khi $MN=\lambda .$
+] Hai điểm M và N ngược pha với nhau khi: $\Delta \varphi =\frac{2\pi d}{\lambda }=\left[ 2k+1 \right]\pi \Leftrightarrow d=\left[ k+0,5 \right]\lambda .$
M, N gần nhau nhất khi $MN=\frac{\lambda }{2}.$
+] Hai điểm M và N vuông pha với nhau khi: $\Delta \varphi =\frac{2\pi d}{\lambda }=\left[ k+\frac{1}{2} \right]\pi \Leftrightarrow d=\left[ 2k+1 \right]\frac{\lambda }{4}.$
M, N gần nhau nhất khi$MN=\frac{\lambda }{4}.$
2. Độ lệch pha của một điểm ở hai thời điểm khác nhau
Xét 2 điểm M cách nguồn một khoảng x.
Phương trình sóng tại M là ${{u}_{M}}=A\cos \left[ \omega t-\frac{2\pi x}{\lambda } \right].$
Độ lệch pha của điểm M ở hai thời điểm ${{t}_{1}}$và ${{t}_{2}}$$\left[ {{t}_{2}}>{{t}_{1}} \right]$ là $\Delta \varphi =\omega \left[ {{t}_{2}}-{{t}_{1}} \right]=\omega \Delta t.$
3. Độ lệch pha của M tại thời điểm ${{\text{t}}_{\text{2}}}$so với điểm N tại thời điểm ${{t}_{1}}$
Ở cùng thời điểm ${{t}_{1}}$điểm M và N lệch pha nhau:$\frac{2\pi \left[ {{x}_{2}}-{{x}_{1}} \right]}{\lambda }$
Ở thời điểm ${{t}_{2}}$điểm M $\left[ {{t}_{2}} \right]$lệch pha so với điểm N$\left[ {{t}_{1}} \right]$là:
$\Delta \varphi =\omega .\left[ {{t}_{2}}-{{t}_{1}} \right]+\frac{2\pi \left[ {{x}_{2}}-{{x}_{1}} \right]}{\lambda }.$
4. Xác định tính chất của các điểm M, N và chiều truyền sóng
a. ĐẶT VẤN ĐỀ
Bài toán: Xét 2 điểm M, N trên cùng một phương truyền sóng, sóng truyền từ M đến N,$MN=d$. Tại thời điểm ${{t}_{1}}$cho trạng thái của điểm M. Xác định tính chất của điểm N sau khoảng thời gian $\Delta t$.
b. Phương pháp giải:
Sử dụng đường tròn lượng giác
Chú ý rằng sóng truyền từ M tới N nên trên đường tròn lượng giác điểm M chạy trước điểm N [như hình vẽ bên].
Sau khoảng thời gian$\Delta t$ta xác định đươc vị trí của điểm ${{M}_{2}}$. Dựa vào độ lệch pha giữa 2 điểm M và N để xác định trạng thái của điểm N.
Ta có kết quả: những điểm nằm ở vế trái bụng sóng thì dao động đi xuống và những điểm nằm ở vế phải bụng sóng thì dao động đi lên.
Phương trình sóng tại 2 nguồn cùng biên độ A:
[Điểm M cách hai nguồn lần lượt là ${{d}_{1}};{{d}_{2}}$]:
${{u}_{1}}=A\cos \left[ 2\pi ft+{{\varphi }_{1}} \right]$ và ${{u}_{2}}=A\cos \left[ 2\pi ft+{{\varphi }_{2}} \right]$
Phương trình sóng tại M do hai sóng từ nguồn truyền tới: ${{u}_{1M}}=A\cos \left[ 2\pi ft-2\pi \frac{{{d}_{1}}}{\lambda }+{{\varphi }_{1}} \right]$ và ${{u}_{2M}}=A\cos \left[ 2\pi ft-2\pi \frac{{{d}_{2}}}{\lambda }+{{\varphi }_{2}} \right]$
Phương tình giao thoa sóng tại M: ${{u}_{M}}={{u}_{1M}}+{{u}_{2M}}$
${{u}_{M}}=2A\cos \left[ \pi \frac{{{d}_{1}}-{{d}_{2}}}{\lambda }+\frac{\Delta \varphi }{2} \right]\cos \left[ 2\pi ft-\pi \frac{{{d}_{1}}+{{d}_{2}}}{\lambda }+\frac{{{\varphi }_{1}}+{{\varphi }_{2}}}{2} \right]$
Từ đó suy ra pha dao động của điểm M.
Điểm M dao động cùng pha với nguồn 1 khi ${{\varphi }_{M}}-{{\varphi }_{1}}=k2\pi $.
Điểm M dao động ngược pha với nguồn 1 khi ${{\varphi }_{M}}-{{\varphi }_{1}}=\left[ 2k+1 \right]\pi $.
Với dạng toán này ta xét một số trường hợp sau:
Dạng 1: Các điểm dao động cùng pha, ngược pha trên đường trung trực.
Bài toán:
Tìm điểm M thuộc đường trung trực của AB, dao động cùng pha, ngược pha so với điểm A [B, trung điểm của AB ....].
Phương pháp giải:
TH1: Hai nguồn A, B dao động cùng pha với nhau
Giả sử ${{u}_{A}}=a\cos \left[ \omega t \right],{{u}_{B}}=b\cos \left[ \omega t \right]$
Khi đó: ${{u}_{AM}}=a\cos \left[ \omega t-\frac{2\pi d}{\lambda } \right];$
${{u}_{BM}}=b\cos \left[ \omega t-\frac{2\pi d}{\lambda } \right]$
$\Rightarrow {{u}_{M}}=\left[ a+b \right]\cos \left[ \omega t-\frac{2\pi .d}{\lambda } \right]$
PT tại O: ${{u}_{O}}=\left[ a+b \right]\cos \left[ \omega t-\frac{2\pi .OA}{2} \right]$.
Suy ra: Độ lệch pha giữa M và A và B là: $\Delta {{\varphi }_{M/A,B}}=\frac{2\pi d}{\lambda }.$
Độ lệch pha giữa M so với O là: $\Delta {{\varphi }_{M/O}}=\frac{2\pi \left[ d-OM \right]}{\lambda }.$
Như vậy:
+] Điểm M dao động cùng pha với A [hoặc B] khi: $\frac{2\pi d}{\lambda }=k2\pi \Leftrightarrow d=k\lambda $.
+] Điểm M dao động cùng pha với điểm O khi: $d-OM=k\lambda \Rightarrow d=OM+k\lambda $.
+] Điểm M dao động ngược pha với A khi: $d=\left[ k+0,5 \right]\lambda $.
+] Điểm M dao động ngược pha với O khi: $d-OM=\left[ k+0,5 \right]\lambda \Rightarrow d=OM+\left[ k+0,5 \right]\lambda $.
TH2: Hai nguồn A, B dao động ngược pha: Giả sử: ${{u}_{A}}=a\cos \left[ \omega t+\pi \right],{{u}_{B}}=b\cos \left[ \omega t \right]$
Khi đó: ${{u}_{AM}}=a\cos \left[ \omega t+\pi -\frac{2\pi d}{\lambda } \right]$ và ${{u}_{BM}}=b\cos \left[ \omega t-\frac{2\pi d}{\lambda } \right]$
Suy ra ${{u}_{M}}={{u}_{AM}}+{{u}_{BM}}=-a\cos \left[ \omega t-\frac{2\pi d}{\lambda } \right]+b\cos \left[ \omega t-\frac{2\pi d}{\lambda } \right]=\left[ b-a \right]\cos \left[ \omega t-\frac{2\pi d}{\lambda } \right]$.
Với $b=a$ thì điểm M không dao động [ta không xét].
Với $b>a$ thì ${{\varphi }_{M}}=-\frac{2\pi d}{\lambda }$.
Với $b