Bài giảng Môn Vật lý lớp 12 - Thí nghiệm biểu diễn khảo sát máy biến áp-Truyền tải điện năng đi xa

Thí nghiệm biểu diễn
KHẢO SÁT MÁY BIẾN ÁP-TRUYỀN TẢI ĐIỆN NĂNG ĐI XA
Phần 1: KHẢO SÁT MÁY BIẾN ÁP
I. Mục đích thí nghiệm
- Khảo sát cấu tạo của máy biến áp.
- Khảo sát hoạt động của máy biến áp không tải. Nghiệm công thức tỉ số biến áp.
- Khảo sát hoạt động của máy biến áp có tải. Xác định hiệu suất của máy biến áp. 
II. Dụng cụ thí nghiệm
 	1. Máy biến áp thực hành (1 cái). 
	2. Vôn-kế xoay chiều 0-12-36V(2 cái).
	3. Ampe-kế xoay chiều 0-1-5A(2 cái).
	4. Bóng đèn 6V-5W có đui đèn (2 cái).
	5. Tấm đế bằng nhựa 10x16x3cm.
	6. Biến thế nguồn AC-DC: 0-3-6-9-12V/3A.
	7. Bộ dây nối mạch điện, mỗi dây dài 50cm, có hai đầu phích cắm.
III. Tiến hành thí nghiệm
1. Tìm hiểu cấu tạo của máy biến áp
	Máy biến áp dùng trong thí nghiệm này (H.2) có thể tháo lắp được, bao gồm:
- Lõi lõi biến áp là một khung kim loại được khép kín bởi phần chữ U và phần chữ I ghép với nhau nhờ hai vít hãm. Cả hai phần này đều làm bằng các lá tôn silic ép chặt và cách điện.
- Hai cuộn dây đồng D1 và D2 có số vòng dây khác nhau được lồng vào lõi biến áp. Cuộn dây dẫn có điện áp xoay chiều từ ngoài đặt vào nó gọi là cuộn sơ cấp. Cuộn dây dẫn có điện áp xoay chiều lấy ra từ nó (để tiêu thụ điện năng) gọi là cuộn thứ cấp.
- Toàn bộ máy biến áp được gắn trên một tấm đế bằng nhựa. Có thể dùng vôn kế và ampe kế xoay chiều để đo giá trị hiệu dụng của điện áp và cường độ dòng điện xoay chiều chạy trong cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp của máy biến áp.
(hình H.2)
2. Khảo sát máy biến áp không tải. Nghiệm công thức tỉ số biến áp.
*Thí nghiệm 1: 
a. Tắt công tắc K của nguồn điện AC-DC và vặn núm xoay của nó đến vị trí 6V. Mắc máy biến áp theo sơ đồ mạch tăng áp (H.3), trong đó:
-Chọn cuộn sơ cấp N1=200 vòng (trong cuộn D1) và nối nó với nguồn điện AC-DC.
-Chọn cuộn sơ cấp N2=400 vòng (trong cuộn D2) và để hở mạch.
- Tính tỉ số biến áp: (1)
b. Bật công tắc K của nguồn AC-DC: đèn LED phát sáng. Ghi điện áp U1 của cuộn sơ cấp N1 trên vôn kế V1 và điện áp U2 của cuộn thứ cấp N2 trên vôn kế V2.
- Tỉ số điện áp: (2)
c. So sánh tỉ số điện áp k1 với tỉ số biến áp k bằng cách tính độ si lệch tỉ đối:
 (3)
*Thí nghiệm 2:
a. Tắt công tắc K của nguồn điện AC-DC. Giữ nguyên vị trí 6Vcủa nguồn điện và cuộn thứ cấp hở mạch N2=400 vòng. Chọn cuộn sơ cấp N’1=200 vòng (trong cùng cuộn D2) thay thế cuộn N1=200 vòng (trong cuộn D1).
b. Bật công tắc K của nguồn AC-DC: đèn LED phát sáng. Ghi giá trị của U’1, U2’ của cuộn sơ cấp N’1 và cuộn thứ cấp N’2 .
- Tính tỉ số điện áp: 
c. Tính độ lệch tỉ đối: 
d. So sánh giá trị và . Nhận xét và kết luận. Giải thích vì sao? 
3. Khảo sát hoạt động của máy biến áp có tải. Xác định hiệu suất của máy biến áp.
*Thí nghiệm 3:
a. Tắt công tắc K của nguồn điện AC-DC: Mắc máy biến áp theo sơ đồ mạch tăng thế (H.4).
- Giữ nguyên vị trí 6C của nguồn AC-DC.
-Chọn cuộn sơ cấp N1=200 vòng (trong cùng cuộn D1) và nối nó với nguồn điện AC-DC.
- Dùng hai dây dẫn nối cuộn thứ cấp N2=400 vòng (trong cuộn D2) với tải tiêu thụ điện gồm hai đèn Đ1, Đ2 (loại 6V-5W) mắc nối tiếp.
b. Bật công tắc K của nguồn AC-DC: đèn LED phát sáng. Ghi giá trị của U1, U2 và của cường độ các dòng điện I1, I2 chạy trong cuộn sơ cấp N1 và cuộn thứ cấp N2 .
c. Tính công suất điện P1=U1.I1 cung cấp cho máy biến áp và công suất điện P2=U2.I2 do máy biến áp cung cấp cho tải tiêu thụ điện. Từ đó xác định hiệu suất của máy biến áp:
*Thí nghiệm 4:
a. Tắt công tắc K của nguồn điện AC-DC: 
- Giữ nguyên vị trí 6Vcủa nguồn điện và cuộn thứ cấp hở mạch N2=400 vòng (trong cuộn D2) đang nối với tải tiêu thụ gồm hai bong đèn Đ1 và Đ2 loại 6v-5w mắc nối tiếp.
-Chọn cuộn sơ cấp N’1=200 vòng (trong cùng cuộn D2) thay thế cuộn N1=200 vòng (trong cuộn D1).
b. Bật công tắc K của nguồn AC-DC: đèn LED phát sáng. Ghi giá trị của U’1, U2’ và của cường độ các dòng điện I’1, I’2 chạy trong cuộn sơ cấp N’1 và cuộn thứ cấp N’2 .
c. Tính công suất điện P’1=U’1.I’1 cung cấp cho máy biến áp và công suất điện P’2=U’2.I’2 do máy biến áp cung cấp cho tải tiêu thụ điện. Từ đó xác định hiệu suất của máy biến áp:
d. So sánh giá trị hiệu suất h và h’ của máy biến áp. Nêu nhận xét và kết luận.
Phần 2: KHẢO SÁT SỰ TRUYỀN TẢI ĐIỆN NĂNG ĐI XA
I. Mục đích thí nghiệm
Khảo sát công suất hao phí trên đường dây tải điện năng đi xa trong hai trường hợp:
- Không dùng máy biến áp để tăng điện áp trước khai tải điện năng đi xa.
- Dùng máy biến áp để tăng điện áp trước khai tải điện năng đi xa.
II. Dụng cụ thí nghiệm
 	1. Máy biến áp thực hành (2 cái). 
	2. Vôn-kế xoay chiều 0-12-36V(2 cái).
	3. Ampe-kế xoay chiều 0-1-5A(2 cái).
	4. Bóng đèn 6V-5W có đui đèn (2 cái).
	5. Tấm đế bằng nhựa 10x16x3cm. (2 cái)
	6. Dây tải điện (2 dây), mỗi dây dài 60cm có R=10Ω và 2 đầu phích cắm.
	7. Trụ inox cao 50cm, ren 2 đầu có eecu (2 cái).
	8. Ke nhôm có 6 lỗ cắm dùng nối dây tải điện (2 cái).
	9. Biến thế nguồn AC-DC: 0-3-6-9-12V/3A.
	10. Bộ dây nối mạch điện (14 dây), mỗi dây dài 50cm, có hai đầu phích cắm.
III. Tiến hành thí nghiệm
*Thí nghiệm 5
a. Dùng nguồn điện AC-DC làm máy phát điện và vặn núm xoay của nó đến 12V.
- Vặn chặt mỗi thanh trục inox vào một tấm đế của từng biến thế BT1 và BT2. Lắp them vào đầu trên của mỗi thanh trụ một ke nhôm có 6 lỗ cắm dùng để nối dây tải điện.
- Nối trực tiếp nguồn điện AC-DC với hai đầu 1-2 của đường dây tải điện. Điện trở tổng của đường dây tải điện là R=2R0=20Ω.
- Nối trực tiếp hai đầu 1’-2’ ở cuối đường dây tải điện với tải tiêu thụ điện gồm hai đèn Đ1 và Đ2 (loại 6V-5W) mắc nối tiếp.
b. Bật công tắc K của nguồn AC-DC. Quan sát độ sáng của hai đèn Đ1 và Đ2. Dùng hai vôn kế V1 và V2 (với hang đo 12V) để đo điện áp U12 ở hai đầu dây tải điện và điện áp U’12 ở cuối đường dây tải điện. Ghi các giá trị U12 và U’12.
c. Tính công suất điện tiêu hao ∆P trên đường dây tải điện theo công thức:
 trong đó là cường độ dòng điện chạy qua đường dây tải điện.
*Thí nghiệm 6
a. Tắt công tắc K của nguồn AC-DC và giữ nguyên vị trí 12V của nguồn điện này. Đặt 2 máy biến áp BT1 và BT2 cách nhau khoảng 40cm và nối chúng theo sơ đồ mạch truyền tải điện năng đi xa (H.7), trong đó:
- Dùng máy biến áp BT1 làm máy tăng áp. Nối cuộn sơ cấp N1=200 vòng của máy này với nguồn điện AC-DC (thay vai trò máy phát điện) và nối cuộn thứ cấp N2=400 vòng với hai đầu 1-2 ở đầu đường dây tải điện.
- Dùng máy biến áp BT2 làm máy hạ áp. Nối cuộn sơ cấp N’1=400 vòng của máy này với hai đầu 1’-2’ ở cuối đường dây tải điện và nối cuộn thứ cấp N’2=200 vòng với tải tiêu thụ điện gồm hai đèn Đ1 và Đ2 (loại 6V-5W) mắc nối tiếp.
b. Bật công tắc K của nguồn AC-DC. Quan sát độ sáng của hai đèn Đ1 và Đ2. Dùng hai vôn kế V1 và V2 (với hang đo 36V) để đo điện áp U12 ở hai đầu dây tải điện và điện áp U’12 ở cuối đường dây tải điện. Ghi các giá trị U12 và U’12.
c. Tính công suất điện tiêu hao ∆P trên đường dây tải điện theo công thức:
 trong đó là cường độ dòng điện chạy qua đường dây tải điện.
d. So sánh công suất điện tiêu hao ∆P trên đường dây tải điện trong thí nghiệm 5 và 6. Hãy cho biết muốn giảm công suất điện tiêu hao trên đường dây tải điện thì phải tăng hay giảm điện áp U12 ở hai đầu đường dây tải điện.