Chuyên đề Vật lí 12 Cánh diều Bài 2. Máy biến áp và chỉnh lưu dòng điện xoay chiều có đáp án

Để truyền tải năng lượng điện đi xa, người ta phải tăng điện áp trước khi truyền. Đến nơi tiêu thụ, phải hạ điện áp để phù hợp với điện áp của các thiết bị trong sản xuất và đời sống. Vì sao phải làm như vậy, thiết bị nào có thể thực hiện được điều đó?

Vì sao muốn giảm điện trở r của dây dẫn điện, phải tăng tiết diện dây?

Nêu và phân tích một số biện pháp giảm hao phí năng lượng điện khi truyền điện đi xa.

Tìm hiểu cấu tạo của một máy biến áp và giải thích vì sao lõi của máy biến áp thường làm bằng các lá sắt hoặc thép pha silicon, ghép cách điện với nhau.

Vì sao từ thông ở cuộn dây B lại thay đổi khi đóng hoặc ngắt khoá K (Hình 2.3)?

Nêu cơ sở khoa học chứng tỏ ưu điểm của dòng điện xoay chiều và máy biến áp trong truyền tải năng lượng điện.

Điện trở của diode có mối liên hệ như thế nào với sự phân cực của diode?

Mục đích

• Đo được hiệu điện thế và cường độ dòng điện qua diode bán dẫn.

• Vẽ được đường đặc tuyến vôn-ampe của một diode bán dẫn.

Dụng cụ thí nghiệm

• Diode (1).

• Biến áp nguồn (có thể thay bằng bộ pin 6 V).

• Điện trở R₀ (2).

• Đồng hồ đo điện áp (3).

• Đồng hồ đo cường độ dòng điện (4).

• Biến trở R (5).

Hình 2.7 là ảnh chụp bộ dụng cụ.

Phương án thí nghiệm

• Tìm hiểu công dụng của từng dụng cụ đã cho.

• Thiết kế phương án thí nghiệm với các dụng cụ này.

Tiến hành

Sau đây là một phương án thí nghiệm với các dụng cụ trên.

a) Diode phân cực thuận

• Lắp đặt dụng cụ thí nghiệm theo sơ đồ mạch điện ở Hình 2.6, đặt đầu ra của biến áp nguồn ở điện áp một chiều.

• Điều chỉnh giá trị của biến trở R, ghi số chỉ của vôn kế và ampe kế vào vở như Bảng 2.1.

b) Diode phân cực ngược

• Tắt nguồn. Đảo đầu diode và mắc mạch điện theo sơ đồ Hình 2.8.

• Điều chỉnh giá trị của biến trở R, ghi số chỉ của vôn kế và ampe kế vào vở như ở Bảng 2.1.

• Vẽ đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa cường độ dòng điện và điện áp giữa hai cực của diode.

• Nhận xét hình dạng đồ thị (so với đồ thị ở Hình 2.5).

Kết quả

Bảng 2.1 là kết quả thí nghiệm với phương án đo trên.

Dựa trên các dụng cụ ở trường của mình, hãy thiết kế phương án thí nghiệm và thực hiện phương án đo được hiệu điện thế và cường độ dòng điện qua diode bán dẫn. Từ kết quả thí nghiệm, hãy vẽ đặc tuyến vôn-ampe của diode bán dẫn.

Nêu điểm khác nhau cơ bản giữa sơ đồ Hình 2.6 và Hình 2.8.

Hiện nay, hầu hết các dụng cụ bán dẫn được dùng trong thực tế sử dụng chất bán dẫn có thêm một lượng nhỏ các nguyên tố khác. Chất bán dẫn như vậy được gọi là chất bán dẫn pha tạp, chúng được tạo ra bằng cách pha thêm các chất thích hợp với tỉ lệ rất nhỏ vào chất bán dẫn nguyên chất.

Silicon là một chất bán dẫn thường dùng và có bốn electron hoá trị. Trong silicon nguyên chất, mỗi nguyên tử liên kết với bốn nguyên tử lân cận bằng các electron góp chung (Hình 2.9a).

Thêm một nguyên tố có ba electron hoá trị, chẳng hạn như boron, vào silicon (Hình 2.9b). Khi đó, một trong bốn liên kết của nguyên tử boron với silicon sẽ thiếu một electron. Nếu một electron từ nguyên tử silicon gần đấy di chuyển vào chỗ thiếu này thì để lại một "lỗ trống". Chất bán dẫn được pha tạp như vậy là bán dẫn loại p và hạt tải điện chủ yếu trong bán dẫn loại này là lỗ trống.

Thêm một nguyên tố có năm electron hoá trị, chẳng hạn như phosphorus, vào silicon (Hình 2.9c). Vì chỉ có bốn electron của nguyên tử phosphorus được góp chung với bốn nguyên tử silicon lân cận nên có một electron tự do. Chất bán dẫn pha tạp như vậy được gọi là bán dẫn loại n và hạt tải điện chủ yếu trong bán dẫn loại này là electron.

Lớp chuyển tiếp p-n

Lớp chuyển tiếp p-n được hình thành khi cho mẫu bán dẫn loại p và mẫu bán dẫn loại n tiếp xúc với nhau (Hình 2.8). Tại lớp chuyển tiếp p-n, khi electron gặp lỗ trống thì một cặp electron - lỗ trống sẽ biến mất và dẫn đến hình thành một lớp không có hạt tải điện gọi là lớp nghèo. Ở lớp nghèo, về phía bán dẫn n có các ion tích điện dương và về phía bán dẫn p có các ion tích điện âm.

Nếu mắc hai đầu của mẫu bán dẫn có lớp chuyển tiếp p-n vào một nguồn điện một chiều, với cực dương của nguồn nối với phía bán dẫn p, cực âm nối với phía bán dẫn n thì lỗ trống trong bán dẫn p sẽ chạy vào lớp nghèo (theo chiều từ cực dương đến cực âm); electron trong bán dẫn n sẽ chạy vào lớp đó (theo chiều ngược lại). Lúc này, lớp nghèo trở nên dẫn điện. Vì vậy sẽ có dòng điện chạy qua lớp nghèo từ miền p sang miền n. Khi đảo cực nguồn điện, dòng điện chạy từ miền n sang miền p hầu như không đáng kể. Chiều dòng điện qua lớp nghèo (từ p sang n) được gọi là chiều thuận, chiều kia (từ n sang p) là chiều ngược.

Diode bán dẫn thực chất là một lớp chuyển tiếp p-n. Vì sao khi nối cực âm của nguồn điện với phía bán dẫn p, còn cực dương nối với phía bán dẫn n thì cường độ dòng điện qua diode hầu như không đáng kể?

So sánh đồ thị (u_R - t) ở Hình 2.11c và Hình 2.13b, rút ra đặc điểm của điện áp u_R.

Thảo luận để nêu được dòng điện chạy qua điện trở R chỉ theo một chiều trong cả chu kì của nguồn xoay chiều khi sử dụng mạch cầu gồm bốn diode làm mạch chỉnh lưu.

Ở Hình 2.14b, khi điểm B có điện thế dương, tại sao dòng điện chỉ chạy qua diode 4 và diode 1, nhưng không qua diode 2 và diode 3?