Bài 11: Cảm ứng điện từ - Nguyên tắc tạo ra dòng điện xoay chiều
Mở đầu trang 57 KHTN 9: Đèn pin lắc (hình 11.1) không cần dùng pin mà chỉ cần
lắc để phát ánh sáng. Đèn có cấu tạo gồm một nam châm hình trụ, có thể trượt qua
lại trong lòng cuộn dây dẫn. Cuộn dây dẫn được nối với bộ phận lưu trữ năng lượng
để cung cấp dòng điện cho đèn LED.
Đèn pin lắc hoạt động dựa trên nguyên tắc nào? Lời giải:
Đèn pin lắc có cấu tạo gồm một nam châm hình trụ, có thể trượt qua lại trong lòng
cuộn dây dẫn. Khi lắc nam châm, nam châm trượt trong lòng ống dây thì số đường
sức từ xuyên qua tiết diện của cuộn dây dẫn kín biến thiên (tăng, giảm). Khi đó trong
cuộn dây dẫn kín xuất hiện dòng điện cảm ứng, sau đó cuộn dây dẫn được nối với
bộ phận lưu trữ năng lượng để cung cấp dòng điện cho đèn LED, từ đó đèn LED sáng.
Thí nghiệm trang 57 KHTN 9: Từ kết quả thí nghiệm, rút ra nhận xét về việc dùng
nam châm vĩnh cửu tạo ra dòng điện. Lời giải:
Thí nghiệm này chứng tỏ có thể dùng nam châm vĩnh cửu để tạo ra dòng điện trong
cuộn dây dẫn kín. Dòng điện xuất hiện trong trường hợp này được gọi là dòng điện
cảm ứng. Qua nhiều thí nghiệm tương tự, người ta thấy: Trong hầu hết các trường
hợp, khi đưa một cực của nam châm vĩnh cửu lại gần hoặc ra xa cuộn dây dẫn kín
thì trong cuộn dây dẫn kín xuất hiện dòng điện cảm ứng.
Câu hỏi 1 trang 57 KHTN 9: Khi dùng nam châm vĩnh cửu tạo ra dòng điện trong
cuộn dây dẫn kín, làm thế nào để nhận biết trong cuộn dây dẫn kín có xuất hiện dòng điện cảm ứng? Lời giải:
Khi đưa nam châm vĩnh cửu lại gần hoặc ra xa cuộn dây dẫn kín có 2 đèn LED,
trong quá trình đó đèn LED sáng tối thì khi đó trong cuộn dây dẫn kín có xuất hiện dòng điện cảm ứng.
Câu hỏi 2 trang 57 KHTN 9: Ở sơ đồ mạch điện hình 11.3, nếu dòng điện chạy qua
cuộn dây dẫn theo chiều từ A đến B và ngược lại từ B đến A, em hãy cho biết mỗi
đèn LED sáng tối như thế nào? Lời giải:
- Đèn LED chỉ cho dòng điện đi qua theo 1 chiều.
- Nếu dòng điện chạy qua cuộn dây dẫn theo chiều từ A đến B đèn: LED 1 sáng, LED 2 tối.
- Nếu dòng điện chạy qua cuộn dây dẫn theo chiều từ B đến A đèn: LED 1 tối, LED 2 sáng.
Thí nghiệm trang 58 KHTN 9: Từ bảng kết quả, rút ra nhận xét về chiều của dòng
điện cảm ứng xuất hiện trong cuộn dây dẫn kín. Lời giải:
Ở thí nghiệm này, ta nhận thấy rằng trong quá trình nam châm quay, nếu đèn này
sáng thì đèn kia tắt và ngược lại. Điều này chứng tỏ dòng điện cảm ứng đã đổi chiều.
Khi duy trì sự quay đều của nam châm trước cuộn dây dẫn kín thì tạo ra và duy trì
được dòng điện cảm ứng. Dòng điện này có chiều thay đổi luân phiên.
Câu hỏi 3 trang 59 KHTN 9: Tìm một phương án khác để làm thay đổi số đường
sức từ xuyên qua tiết diện cuộn dây dẫn kín. Từ đó, thực hiện thí nghiệm để kiểm
chứng về điều kiện xuất hiện dòng điện cảm ứng. Lời giải:
Phương án khác để làm thay đổi số đường sức từ xuyên qua tiết diện cuộn dây dẫn
kín: tăng thêm số lượng nam châm, thay đổi hình dạng tiết diện (kéo, co tiết diện lại)
để số đường sức từ xuyên qua tiết diện cuộn dây dẫn kín thay đổi, xuất hiện dòng điện cảm ứng.
Luyện tập 1 trang 59 KHTN 9: Treo nam châm vĩnh cửu lên giá thí nghiệm bằng
một sợi dây mềm. Đặt một cuộn dây dẫn kín phía dưới nam châm vĩnh cửu (hình 11.6).
a) Nêu cách tiến hành thí nghiệm để làm xuất hiện dòng điện cảm ứng trong cuộn dây dẫn kín.
b) Phân tích sự thay đổi của số đường sức từ xuyên qua tiết diện cuộn dây dẫn kín
trong quá trình chuyển động của nam châm vĩnh cửu.
c) Nêu một số cách để nhận biết sự xuất hiện của dòng điện cảm ứng trong thí nghiệm này. Lời giải:
a) Di chuyển nam châm vĩnh cửu lại gần hoặc ra xa cuộn dây dẫn kín.
b) Khi di chuyển nam châm vĩnh cửu lại gần cuộn dây số đường sức từ tăng lên.
- Khi di chuyển nam châm vĩnh cửu ra xa cuộn dây số đường sức từ giảm xuống.
c) Dùng kim điện kế, ampe kế, bóng đèn, cảm biến từ.
Luyện tập 2 trang 59 KHTN 9: Giải thích hoạt động của đèn pin lắc ở hình 11.1 Lời giải:
- Đèn pin lắc hoạt động dựa trên nguyên tắc cảm ứng điện từ. Khi lắc đèn, nam
châm vĩnh cửu di chuyển qua lại trong lòng cuộn dây dẫn, tạo ra sự thay đổi từ
thông qua cuộn dây. Theo định luật Faraday, sự thay đổi từ thông này sẽ sinh ra
suất điện động cảm ứng trong cuộn dây. Suất điện động cảm ứng này sẽ tạo ra
dòng điện chạy trong cuộn dây, cung cấp năng lượng cho đèn LED phát sáng.
Câu hỏi 4 trang 60 KHTN 9: Nếu nam châm chuyển động dọc theo trục của cuộn
dây dẫn kín đứng yên theo một chiều thì các đèn LED phát sáng như thế nào? Lời giải:
Khi nam châm chuyển động dọc theo trục của cuộn dây dẫn kín và cuộn dây đứng
yên, theo định luật Faraday về cảm ứng điện từ, dòng điện sẽ được tạo ra trong dây
dẫn. Dòng điện này có thể làm cho các đèn LED phát sáng nếu nối đây dây vào các
đèn LED. Điều này là do sự biến đổi của dòng điện tạo ra từ cảm ứng điện từ trong cuộn dây.
Luyện tập 3 trang 60 KHTN 9: Mô tả sự thay đổi của số đường sức từ xuyên qua
tiết diện của cuộn dây dẫn kín trong một vòng quay của nam châm ở hình 11.7. Lời giải:
Khi cực N của nam châm lại gần cuộn dây thì số đường sức từ xuyên qua tiết diện S
của cuộn dây tăng. Khi cực N ra xa cuộn dây thì số đường sức từ qua S giảm. Do
vậy khi nam châm quay liên tục thì số đường sức từ xuyên qua tiết diện S luân
phiên tăng, giảm. Khi đó dòng điện cảm ứng xuất hiện trong cuộn dây là dòng điện
xoay chiều (tức là đổi chiều 2 lần sau mỗi vòng quay của nam châm).
Thí nghiệm trang 60 KHTN 9: Quan sát sự sáng tối của các đèn LED. Giải thích
cách đưa dòng điện xoay chiều ra mạch ngoài mà dây không bị xoắn. Lời giải:
Khi cho cuộn dây dẫn quay đều trong từ trường của nam châm, dòng điện cảm ứng
xuất hiện có chiều thay đổi luân phiên. Hai vành kim loại quay theo cuộn dây dẫn
luôn tiếp xúc với hai lá đồng được gắn cố định, đảm bảo rằng mạch điện luôn kín và
dây không bị xoắn. Dòng điện trong cuộn dây dẫn được đưa ra mạch ngoài làm hai
đèn LED nhấp nháy liên tục.
Vận dụng trang 61 KHTN 9: Dynamo ở xe đạp là bộ phận tạo ra dòng điện để làm
đèn phát sáng. Cấu tạo của dynamo được mô tả như hình 11.10. Khi cho núm xoay
của dynamo tiếp xúc với bánh xe, bánh xe quay khiến cho núm xoay quay theo.
Hiện nay, dynamo được nối với bộ phận lưu trữ năng lượng để đèn có thể sáng
ngay cả khi núm xoay không quay. Giải thích cách tạo ra dòng điện của thiết bị này. Lời giải:
Quay núm của đinamô, nam châm quay theo. Khi một cực của nam châm lại gần
cuộn dây, số đường sức từ qua tiết diện S của cuộn dây tăng, lúc đó xuất hiện dòng
điện cảm ứng. Khi cực đó của nam châm ra xa cuộn dây thì số đường sức từ qua
tiết diện s của cuộn dây giảm, lúc đó cũng xuất hiện dòng điện cảm ứng.
Tìm hiểu thêm 1 trang 61 KHTN 9: Tìm hiểu và nêu một số cách để tạo ra sự quay
đều giữa nam châm và cuộn dây dẫn kín ở các máy phát điện xoay chiều trong thực tiễn. Lời giải:
Nêu một số cách để tạo ra sự quay đều giữa nam châm và cuộn dây dẫn kín ở các
máy phát điện xoay chiều trong thực tiễn.
- Gắn cánh quạt trên rotor tạo lực đẩy gió, giúp máy phát điện quay đều.
- Sử dụng AVR để duy trì điện áp đầu ra ổn định, giữ tốc độ quay ổn định.
- Sử dụng bộ điều khiển để duy trì và điều chỉnh tốc độ quay của máy phát điện.
Tìm hiểu thêm 2 trang 61 KHTN 9: Kể tên một số nhà máy phát điện ở Việt Nam.
Tìm hiểu cách tạo ra dòng điện xoay chiều ở những nhà máy phát điện đó. Lời giải:
Một số nhà máy phát điện ở Việt Nam bao gồm:
1. Nhà máy phát điện Hạ Long: Sử dụng hệ thống phát điện nhiệt, đốt than để nung
nước thành hơi, sau đó đẩy cánh quạt turbine xoay để tạo dòng điện.
2. Nhà máy phát điện sông Đà: Sử dụng phương pháp thủy điện, nước từ sông Đà
đẩy cánh quạt turbine, tạo năng lượng động học, sau đó biến đổi thành dòng điện.
3. Nhà máy phát điện Vĩnh Tân: Sử dụng phát điện nhiệt điện, đốt khí để làm nóng
nước thành hơi, tạo áp suất để đẩy turbine quay và tạo dòng điện.
Cách tạo ra dòng điện xoay chiều chủ yếu thông qua sự chuyển động của turbine
hoặc cánh quạt do nước hơi hoặc nước chảy, thúc đẩy cảm ứng điện động trong
cuộn dây để tạo ra điện xoay chiều.