BÀI 11. CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ. NGUYÊN TẮC TẠO RA DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU
Trang bìa
Trang bìa
Ảnh
BÀI 11. CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ. NGUYÊN TẮC TẠO RA DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU
Mở đầu
Câu hỏi
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?
Ảnh
Đèn pin lắc hoạt động dựa trên nguyên tắc tạo ra dòng điện cảm ứng trong mạch điện: 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).
1.Dùng nam châm tạo ra dòng điện
1.1.Lý thuyết
Hiện tượng này dựa trên cảm ứng điện từ, được khám phá bởi nhà vật lý Michael Faraday. Khi một nam châm được di chuyển gần một cuộn dây, dòng điện được tạo ra trong cuộn dây. Điều này xảy ra do sự thay đổi từ trường qua cuộn dây. Cảm ứng điện từ: Một dòng điện được tạo ra trong một cuộn dây dẫn khi từ thông qua cuộn dây thay đổi theo thời gian.
1.2.Thực hành
Chuẩn bị Nam châm vĩnh cửu, cuộn dây dẫn có hai đầu dây nối với hai đèn LED khác màu được mắc song song ngược cực (cực dương của đèn này nối với cực âm của đèn kia) để tạo thành mạch điện kín (cuộn dây dẫn kín có hai đèn LED). Tiến hành thí nghiệm và thảo luận - Thực hiện thí nghiệm theo các trường hợp dưới đây. Quan sát hai đèn LED ở mỗi trường hợp. + Đặt nam châm vĩnh cửu và cuộn dây dẫn kín có hai đèn LED nằm yên ở gần nhau (hình 11.2).
Ảnh
Ảnh
+ Di chuyển nam châm vĩnh cửu ra xa rồi lại gần cuộn dây dẫn kín có hai đèn LED. - Từ kết quả thí nghiệm, rút ra nhận xét về việc dùng nam châm vĩnh cửu tạo ra dòng điện.
Nhận xét: Khi đưa một cực của nam châm vĩnh cửu lại gần hoặc ra xa cuộn dây dẫn kín thì thấy đèn LED phát sáng (cường độ sáng thay đổi khi di chuyển nam châm) tức là trong cuộn dây dẫn kín xuất hiện dòng điện cảm ứng.
1.3.Câu hỏi 1
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?
Để nhận biết trong cuộn dây dẫn kín có xuất hiện dòng điện cảm ứng hay không ta nhìn vào đèn LED, nếu đèn sáng thì trong mạch xuất hiện dòng điện cảm ứng.
1.4.Câu hỏi 2
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?
Đèn LED chỉ cho dòng điện đi qua theo 1 chiều nên: - 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.
Ảnh
1.5.Thực hành
Chuẩn bị Nam châm điện, cuộn dây dẫn có hai đầu nối với điện kế tạo thành mạch điện kín, nguồn điện, các dây nối, khóa K. Tiến hành thí nghiệm và thảo luận - Đặt nam châm điện trong lòng của cuộn dây dẫn kín. Dùng dây nối nam châm điện với nguồn điện qua khóa K. - Thực hiện thí nghiệm và quan sát kim điện kế theo các trường hợp dưới đây: đóng khóa K, mở khóa K, giữ dòng điện qua nam châm điện ổn định.
Ảnh
- Khi đóng khóa K và mở khóa K ta thấy kim điện kế lệch khỏi vị trí cân bằng 0. - Khi giữ dòng điện qua nam châm điện ổn định thì kim điện kế ở vị trí 0.
2. Điều kiện xuất hiện dòng điện cảm ứng
2.1.Câu hỏi 3
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.
- Phương án khác: Cho nam châm quay trước cuộn dây hoặc cho cuộn dây quay trước nam châm.
2.2.Luyện tập 1
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.
Ảnh
Ảnh
a. Di chuyển nam châm vĩnh cửu lại gần hoặc ra xa cuộn dây dẫn kín hoặc di chuyển cuộn dây lại gần hoặc ra xa nam châm vĩnh cửu. b. Khi di chuyển nam châm vĩnh cửu lại gần cuộn dây hoặc cuộn dây lại gần nam châm vĩnh cửu thì số đường sức từ qua tiết diện cuộn dây tăng lên. - Khi di chuyển nam châm vĩnh cửu ra xa cuộn dây hoặc cuộn dây ra xa nam châm vĩnh cửu thì số đường sức từ qua tiết diện cuộn dây giảm xuống. c. Dùng kim điện kế, ampe kế, bóng đèn LED, cảm biến từ.
2.3.Luyện tập 2
Giải thích hoạt động của đèn pin lắc ở hình 11.1.
2.4.Tìm hiểu thêm
Để làm thay đổi số đường sức từ qua tiết diện của cuộn dây dẫn kín, ta có thể thay đổi tiết diện của cuộn dây dẫn kín. Nêu phương án thí nghiệm để kiểm tra cách tạo ra dòng điện cảm ứng trong trường hợp này.
Phương án thí nghiệm: Thí nghiệm về dòng điện cảm ứng bằng cách thay đổi tiết diện của cuộn dây. - Chuẩn bị Một cuộn dây dẫn mềm có tiết diện dễ dàng thay đổi khi bóp mạnh (1); thanh nam châm vĩnh cửu (2); điện kế (3); kẹp giữ (4) và các dây nối. - Tiến hành: Bố trí thí nghiệm như hình dưới đây:
Ảnh
Ảnh
Bóp mạnh cuộn dây dẫn, quan sát kim điện kế khi cuộn dây dẫn bị giảm tiết diện. - Nhận xét: + Khi tiết diện của cuộn dây giảm (tăng) thì số đường sức từ xuyên qua tiết diện cuộn dây giảm (tăng). => Khi số đường sức biến thiên, xung quanh cuộn dây xuất hiện sự thay đổi của từ trường, từ đó tạo ra một lực điện động trong cuộn dây. Sự thay đổi này tạo ra một dòng điện cảm ứng trong cuộn dây.
3.Nguyên tắc tạo ra dòng điện xoay chiều
3.1.Lý thuyết
Nguyên tắc tạo ra dòng điện xoay chiều dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ được Michael Faraday phát hiện. Cụ thể, khi một dây dẫn chuyển động cắt qua các đường sức từ của từ trường, hoặc từ thông qua một vòng dây dẫn thay đổi theo thời gian, thì một suất điện động cảm ứng được sinh ra trong dây dẫn đó. Nếu dây dẫn này được nối thành mạch kín, dòng điện xoay chiều sẽ xuất hiện.
3.2.Câu hỏi 4
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?
Nếu nam châm chuyển động dọc theo trục của cuộn dây dẫn kín đứng yên theo một chiều thì 1 đèn LED phát sáng.
3.3.Thực hành
Chuẩn bị Nam châm vĩnh cửu có thể quay quanh trục cố định, cuộn dây dẫn kín có hai đèn LED đỏ và xanh. Tiến hành thí nghiệm và thảo luận - Bố trí thí nghiệm như hình 11.7.
Ảnh
- Cho nam châm quay. - Quan sát hai đèn LED, ghi kết quả quan sát vào vở theo bảng 11.1.
Ảnh
- Từ bảng kết quả, rút ra nhận xét về chiều của dòng điện cảm ứng xuất hiện trong cuộn dây dẫn kín.
Ảnh
Ảnh
Chiều của dòng điện cảm ứng xuất hiện trong cuộn dây dẫn kín là dòng điện xoay chiều.
3.4.Luyện tập 3
Mô tả sự thay đổi số đường sức từ xuyên qua tiết diện của cuộn dây dẫn kín trong một vòng quay của nam châm ở hình 11.7.
Ảnh
Khi cực Bắc (N) của nam châm lại gần cuộn dây thì số đường sức từ xuyên qua tiết diện S của cuộn dây tăng lên. Khi cực Bắc (N) ra xa cuộn dây thì số đường sức từ qua tiết diện S của cuộn dây giảm dần. Cứ tiếp tục như vậy, khi nam châm quay liên tục thì số đường sức từ xuyên qua tiết diện S của cuộn dây luân phiên tăng, giảm
3.5.Thực hành
Chuẩn bị Mô hình máy phát điện xoay chiều Tiến hành thí nghiệm và thảo luận - Quay tay quay để cuộn dây dẫn quay trong từ trường của nam châm. - 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.
- Hai đèn LED thay phiên nhau sáng liên tục. - Cách đưa dòng điện xoay chiều ra mạch ngoài mà dây không bị xoắn: Khi khung dây dẫn quay trong từ trường, dòng điện cảm ứng sẽ xuất hiện trong khung dây. Dòng điện này sẽ đi qua hai lá đồng và vành kim loại, tạo thành mạch kín. Do đó, dòng điện sẽ được dẫn ra mạch ngoài.
3.6.Vận dụng
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.
Ảnh
Khi núm xoay của dynamo tiếp xúc với bánh xe, bánh xe quay làm núm xoay quay theo, nam châm được gắn vào trục quay của núm xoay nên nam châm cũng quay và quay trong cuộn dây dẫn làm số đường sức từ xuyên qua cuộn dây thay đổi liên tục, làm xuất hiện dòng điện cảm ứng trong mạch điện và bóng đèn sáng lên.
3.7.Tìm hiểu thêm 1
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.
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.
3.8.Tìm hiểu thêm 2
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.
Một số nhà máy phát điện ở Việt Nam bao gồm: - Nhà máy thủy điện: Nhà máy thủy điện Sơn La, nhà máy thủy điện Hòa Bình, nhà máy thủy điện Lai Châu, …. Hoạt động dựa trên sự chuyển hóa năng lượng dòng chảy thành năng lượng điện. Dòng nước chảy mạnh từ trên cao xuống làm quay tuabin của máy phát điện, tạo ra điện năng. - Nhà máy nhiệt điện: Nhà máy nhiệt điện Vũ Áng 1, nhà máy nhiệt điện sông Hậu, nhà máy nhiệt điện Long Phú, …. Hoạt động dựa trên sự chuyển hóa năng lượng nhiệt thành năng lượng điện. Nhiệt năng được tạo ra từ việc đốt cháy nhiên liệu hóa thạch. Sau đó nhiệt năng này làm cho nước bay hơi từ đó hơi làm quay tuabin. Tuabin được gắn với máy phát điện để tạo ra điện năng.
4.Dăn dò
Dặn dò
Ảnh
Dặn dò:
Các em nhớ đọc kĩ bài mới!
Cảm ơn
Ảnh