Cảm ứng điện từ. Nguyên tắc tạo ra dòng điện xoay chiều SVIP

I. Dùng nam châm tạo ra dòng điện

1. Thí nghiệm với nam châm vĩnh cửu

Chuẩn bị: 

• Nam châm vĩnh cửu;
• Cuộn dây dẫn có hai đầu 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:

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 1).
• 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.

✔ Kết luận: 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. 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.

2. Thí nghiệm với nam châm điện

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:

• 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.

✔ Kết luận: Dòng điện cảm ứng xuất hiện trong cuộn dây dẫn kín ở các giai đoạn đóng và ngắt mạch của nam châm điện. Tức là, dòng điện cảm ứng xuất hiện trong khoảng thời gian dòng điện qua nam châm điện tăng lên hoặc giảm đi (biến thiên).

II. Điều kiện xuất hiện dòng điện cảm ứng

Ở thí nghiệm với nam châm điện (hình 2), khi đóng hay mở khóa K thì cường độ dòng điện trong mạch của nam châm điện tăng lên hoặc giảm đi tương ứng, dẫn đến số đường sức từ xuyên qua tiết diện cuộn dây dẫn kín thay đổi. Khi đó, dòng điện cảm ứng xuất hiện. Khi dòng điện qua nam châm điện được giữ ổn định, số đường sức từ xuyên qua tiết diện cuộn dây dẫn kín không thay đổi và dòng điện cảm ứng không xuất hiện.

✔ Kết luận: Khi số đường sức từ xuyên qua tiết diện của cuộn dây dẫn kín biến thiên thì trong cuộn dây dẫn kín xuất hiện dòng điện cảm ứng. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ.

III. Nguyên tắc tạo ra dòng điện xoay chiều

1. Duy trì dòng điện cảm ứng

Giống như việc chế tạo pin và acquy để tạo ra và duy trì dòng điện một chiều, người ta tìm cách chế tạo máy phát điện (nguồn điện) có khả năng tạo ra và duy trì dòng điện cảm ứng. Khi đó, cần duy trì sự biến thiên số đường sức từ qua cuộn dây dẫn kín.

Thí nghiệm về dòng điện cảm ứng dùng nam châm quay

Chuẩn bị:

• Cuộn dây dẫn kín có hai đèn LED đỏ và vàng mắc song song, ngược cực (1);
• Thanh nam châm vĩnh cửu có trục quay ở giữa (2);

• Bố trí thí nghiệm như hình 3.
• Cho nam châm quay.
• Quan sát hai đèn LED, ghi kết quả quan sát theo mẫu sau:

• Từ bảng kết quả, rút ra nhận xét về chiều của dòng điện cảm ứng xuất hiện trong cuộn dây dẫn kín.

✔ Kết luận: 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.

2. Nguyên tắc chung để tạo ra dòng điện xoay chiều

Dòng điện có cường độ dòng điện thay đổi theo thời gian như đồ thị hình 4 được gọi là dòng điện xoay chiều. Dòng điện này có chiều thay đổi luân phiên.

Nguyên tắc chung để tạo ra dòng điện xoay chiều là duy trì sự quay đều giữa nam châm và cuộn dây dẫn kín. Theo đó, có hai phương án để chế tạo máy phát điện xoay chiều.

• Phương án 1: Giữ cuộn dây dẫn kín cố định và quay đều nam châm.
• Phương án 2: Giữ nam châm cố định và quay đều cuộn dây dẫn kín.

Để tìm hiểu cách tạo ra và đưa dòng điện xoay chiều ra mạch tiêu thụ khi cho cuộn dây dẫn kín quay, ta khảo sát mô hình máy phát điện như hình 5.

Mô hình này gồm có một cuộn dây dẫn nằm trong từ trường của nam châm gắn với đế. Cuộn dây dẫn gắn với trục quay có thể quay được nhờ tay quay và đai truyền. Hai đầu của cuộn dây dẫn được nối với hai vành kim loại tròn bằng đồng gắn với trục quay. Hai lá đồng cố định luôn tiếp xúc với hai vành kim loại và được nối với hai đèn LED khác màu mắc song song ngược cực.

Kết quả: 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.

1. Khi số đường sức từ xuyên qua tiết diện của cuộn dây dẫn kín biến thiên thì trong cuộn dây dẫn kín xuất hiện dòng điện cảm ứng.

2. Dòng điện xoay chiều được tạo ra bằng cách duy trì sự biến thiên số đường sức từ qua cuộn dây dẫn kín. Trong thực tế, dòng điện xoay chiều thường được tạo ra bằng cách cho nam châm quay đều so với cuộn dây dẫn kín (hoặc ngược lại).