Bài học

Máy phát điện xoay chiều — nguyên tắc hoạt động

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em mô tả được cấu tạo cơ bản của máy phát điện xoay chiều (nam châm và cuộn dây, một bộ phận quay), giải thích được nguyên tắc hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, và lí giải được vì sao dòng điện sinh ra đổi chiều liên tục — gọi là dòng điện xoay chiều.

Kiến thức nền cần nhớ

Chương trước em đã kết luận: quay đều một nam châm cạnh một cuộn dây kín làm từ trường qua cuộn dây biến thiên liên tục, sinh ra dòng điện cảm ứng liên tục. Bài này biến chính ý tưởng đó thành một thiết bị thực tế: máy phát điện.

Khởi động

Đèn xe đạp kiểu cũ không dùng pin: có một bánh xe nhỏ (đi-na-mô) tì vào lốp xe, khi đạp xe bánh xe đó quay theo và đèn tự sáng lên, không cần cắm điện hay lắp pin. Ngừng đạp, đèn tắt gần như ngay lập tức. Điện năng thắp sáng đèn đó lấy từ đâu ra?

Kiến thức trọng tâm

Máy phát điện xoay chiều có cấu tạo cơ bản gồm hai bộ phận chính: một nam châm và một cuộn dây dẫn kín, trong đó một bộ phận đứng yên và bộ phận còn lại được làm cho quay nhờ một tác động cơ học từ bên ngoài — có thể là tay quay (như đi-na-mô xe đạp), sức nước chảy qua tua-bin (nhà máy thuỷ điện), sức gió (tua-bin gió), hay hơi nước áp suất cao (nhà máy nhiệt điện).

Khi bộ phận quay chuyển động, khoảng cách và góc giữa nam châm và cuộn dây liên tục thay đổi theo mỗi vòng quay, làm từ trường xuyên qua cuộn dây liên tục biến thiên — tăng, giảm, rồi đổi chiều theo đúng chu kì quay. Theo hiện tượng cảm ứng điện từ đã học, sự biến thiên liên tục này khiến trong cuộn dây liên tục xuất hiện dòng điện cảm ứng.

Điều đặc biệt: vì hướng biến thiên của từ trường đổi liên tục và tuần hoàn theo mỗi vòng quay (nửa vòng đầu từ trường tăng theo một chiều, nửa vòng sau đổi chiều), dòng điện cảm ứng sinh ra trong cuộn dây cũng đổi chiều liên tục và tuần hoàn theo đúng nhịp đó — gọi là dòng điện xoay chiều (kí hiệu AC). Đây chính là nguyên tắc mà lưới điện quốc gia — nguồn điện xoay chiều 220V tại mọi ổ cắm trong nhà — được tạo ra, dù ở quy mô công nghiệp máy phát tại nhà máy thuỷ điện, nhiệt điện lớn hơn đi-na-mô xe đạp rất nhiều lần. Cũng theo quy luật đã học ở chương trước, bộ phận quay quay càng nhanh thì từ trường biến thiên càng nhanh, dòng điện xoay chiều sinh ra càng lớn.

**Máy phát điện xoay chiều** có cấu tạo cơ bản gồm hai bộ phận chính: một **nam châm** và một **cuộn dây dẫn kín**, trong đó một bộ phận đứng yên và bộ phận còn lại được làm cho quay nhờ một tác động cơ học từ bên ngoài — có thể là tay quay (như đi-na-mô xe đạp), sức nước chảy qua tua-bin (nhà máy thuỷ điện), sức gió (tua-bin gió), hay hơi nước áp suất cao (nhà máy nhiệt điện). Khi bộ phận quay chuyển động, khoảng cách và góc giữa nam châm và cuộn dây liên tục thay đổi theo mỗi vòng quay, làm **từ trường xuyên qua cuộn dây liên tục biến thiên** — tăng, giảm, rồi đổi chiều theo đúng chu kì quay. Theo hiện tượng cảm ứng điện từ đã học, sự biến thiên liên tục này khiến trong cuộn dây liên tục xuất hiện dòng điện cảm ứng. Điều đặc biệt: vì hướng biến thiên của từ trường đổi liên tục và tuần hoàn theo mỗi vòng quay (nửa vòng đầu từ trường tăng theo một chiều, nửa vòng sau đổi chiều), dòng điện cảm ứng sinh ra trong cuộn dây cũng **đổi chiều liên tục và tuần hoàn** theo đúng nhịp đó — gọi là **dòng điện xoay chiều** (kí hiệu AC). Đây chính là nguyên tắc mà lưới điện quốc gia — nguồn điện xoay chiều 220V tại mọi ổ cắm trong nhà — được tạo ra, dù ở quy mô công nghiệp máy phát tại nhà máy thuỷ điện, nhiệt điện lớn hơn đi-na-mô xe đạp rất nhiều lần. Cũng theo quy luật đã học ở chương trước, bộ phận quay quay càng nhanh thì từ trường biến thiên càng nhanh, dòng điện xoay chiều sinh ra càng lớn.

Đường cong lặp lại tuần hoàn qua hai chu kì, thể hiện điện áp đổi chiều (đổi dấu) đều đặn theo mỗi vòng quay — đặc trưng của dòng điện xoay chiều.

Ví dụ

Dự đoán độ sáng đèn LED theo tốc độ quay của máy phát

1
Một máy phát điện xoay chiều kiểu tay quay (đi-na-mô) được nối với một bóng đèn LED. So sánh độ sáng của đèn khi quay tay quay chậm và khi quay tay quay nhanh.
2
Ta có tay quay chính là bộ phận làm nam châm (hoặc cuộn dây) quay trong máy phát. Tay quay càng nhanh thì bộ phận quay của máy phát quay càng nhanh, từ trường xuyên qua cuộn dây biến thiên càng nhanh.
3
Theo quy luật đã học ở chương trước, tốc độ biến thiên từ trường càng nhanh thì dòng điện cảm ứng sinh ra càng lớn.
4
Vậy khi quay tay quay nhanh, đèn LED sáng rõ hơn so với khi quay chậm — độ sáng của đèn phản ánh trực tiếp tốc độ quay của máy phát điện.

Ví dụ

Giải thích vì sao đèn dynamo tắt ngay khi ngừng đạp xe

1
Đèn dùng đi-na-mô gắn vào bánh xe đạp tắt gần như ngay lập tức khi người đi xe ngừng đạp, khác hẳn với đèn pin dùng pin vẫn tiếp tục sáng cho đến khi hết pin. Hãy giải thích sự khác biệt này dựa trên nguyên tắc hoạt động của máy phát điện.
2
Đèn pin dùng dòng điện từ pin, sinh ra nhờ phản ứng hoá học tích trữ sẵn bên trong pin — dòng điện này không phụ thuộc vào việc có chuyển động cơ học nào đang xảy ra hay không, nên đèn vẫn sáng liên tục cho đến khi hoá chất trong pin cạn kiệt.
3
Đèn dynamo dùng dòng điện cảm ứng sinh ra từ máy phát điện, mà theo nguyên tắc đã học, dòng điện cảm ứng chỉ xuất hiện khi có sự biến thiên từ trường — tức là khi bộ phận của máy phát đang quay. Khi ngừng đạp, bánh xe và đi-na-mô ngừng quay ngay, từ trường không còn biến thiên nữa.
4
Vậy đèn dynamo tắt ngay khi ngừng đạp vì dòng điện của nó phụ thuộc trực tiếp vào chuyển động quay đang diễn ra, trong khi đèn pin dùng nguồn điện tích trữ sẵn, không phụ thuộc chuyển động cơ học nào.

Sai lầm thường gặp

Học sinh hay nhầm máy phát điện xoay chiều với pin, ắc quy — coi chúng là cùng một loại nguồn điện. Pin, ắc quy tạo ra dòng điện một chiều nhờ phản ứng hoá học tích trữ sẵn bên trong; máy phát điện xoay chiều tạo ra dòng điện cảm ứng đổi chiều liên tục, chỉ có khi bộ phận của nó đang quay — hai cơ chế hoàn toàn khác nhau.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Máy phát điện xoay chiều gồm nam châm và cuộn dây, một bộ phận quay nhờ tác động cơ học bên ngoài. Bộ phận quay làm từ trường qua cuộn dây biến thiên tuần hoàn, sinh ra dòng điện cảm ứng đổi chiều tuần hoàn — dòng điện xoay chiều. Quay càng nhanh, dòng điện xoay chiều sinh ra càng lớn.

Cảm ứng điện từ không chỉ dùng để phát điện quy mô lớn — nó còn ẩn trong nhiều thiết bị quen thuộc quanh ta. Bài tiếp theo điểm qua một vài ứng dụng thực tế đó.