Giải chi tiết khoa học tự nhiên 9 KNTT bài 14 Cảm ứng điện từ. Nguyên tắc tạo ra đòng điện xoay chiếu

KHỞI ĐỘNG

Câu hỏi: Chúng ta đã biết ở lớp 7, dòng điện chạy qua cuộn dây quấn quanh lõi thép thì sinh ra từ trường. Vậy, từ trường có thể sinh ra dòng điện không?

Bài làm chi tiết:

Từ trường có thể sinh ra dòng điện khi có sự biến thiên số đường sức từ xuyên qua tiết diện của cuộn dây dẫn đó.

I. DÒNG ĐIỆN CẢM ỨNG

Hoạt động 1: Thí nghiệm về dòng điện cảm ứng điện cảm ứng dùng thanh nam châm vĩnh cửu

Chuẩn bị: Thanh nam châm vĩnh cửu; cuộn dây dẫn; điện kế và các dây nối.

Tiến hành:

- Nối hai đầu cuộn dây dẫn với điện kế.

- Quan sát sự thay đổi của kim điện kế khi đưa cực Bắc của thanh nam châm vĩnh cửu lại gần hoặc ra xa cuộn dây dẫn (Hình 14.1a và Hình 14.1b).

Trả lời câu hỏi sau: Sự thay đổi của kim điện kế chứng tỏ điều gì?

Bài làm chi tiết:

Sự thay đổi của kim điện kế chứng tỏ có dòng điện chạy trong cuộn dây dẫn.

Câu hỏi 1: Quan sát Hình 14.2 và cho biết số đường sức từ xuyên qua tiết diện của cuộn dây dẫn biên thiên như thế nào (tăng hay giảm) khi đưa cực Bắc của nam châm lại gần cuộn dây dẫn theo phương vuông góc với tiết diện của cuộn dây.

Bài làm chi tiết:

Số đường sức từ xuyên qua tiết diện của cuộn dây dẫn tăng lên.

Câu hỏi 2: Trong trường hợp thí nghiệm như Hình 14.1b thí số đường sức từ xuyên qua tiết diện của cuộn dây biến thiên như thế nào?

Bài làm chi tiết:

Số đường sức từ xuyên qua tiết diện của cuộn dây sẽ giảm dần.

Hoạt động 2: Thí nghiệm về dòng điện cảm ứng dùng nam châm điện

Chuẩn bị: Cuộn dây dẫn (1); nam châm điện (2); nguồn điện (3); điện kế (4); công tắc (5) và các dây nối.

Tiến hành: 

- Lắp mạch điện như Hình 14.3.

- Quan sát kim điện kế khi đóng, mở công tắc.

Trả lời câu hỏi và thực hiện yêu cầu sau:

1. Khi đóng hoặc mở công tắc thì số đường sức từ xuyên qua tiết diện cuộn dây dẫn biến thiên như thế nào?

2. Từ hai thí nghiệm dùng thanh nam châm vĩnh cửu dịch chuyển và nam châm điện ở trên, hãy nêu giả thuyết về nguyên nhân xuất hiện dòng điện cảm ứng trong cuộn dây.

Bài làm chi tiết:

1. Khi công tắc được đóng thì số đường sức từ xuyên qua cuộn dây tăng. Còn khi mở công tắc thì số đường sức từ xuyên qua cuộn dây giảm.

2. Từ hai thí nghiệm dùng thanh nam châm vĩnh cửu dịch chuyển và nam châm điện ở trên, ta có thể thấy nguyên nhân xuất hiện dòng điện cảm ứng trong cuộn dây là do số đường sức từ xuyên qua tiết diện cuộn dây biến thiên.

II. HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ

Hoạt động 1: Đề xuất một số cách làm biến thiên số đường sức từ xuyên qua cuộn dây dẫn.

Bài làm chi tiết:

Để biến thiên số đường sức từ xuyên qua cuộn dây dẫn cần: thay đổi số vòng của cuộn dây dẫn, thay đổi tiết diện của cuộn dây dẫn, sử dụng nam châm,…

Hoạt động 2: Đề xuất một số phương án làm thí nghiệm xuất hiện dòng điện cảm ứng.

Bài làm chi tiết:

Một số phương án làm thí nghiệm xuất hiện dòng điện cảm ứng là:

- Thay đổi tiết diện của cuộn dây dẫn.

- Thay đổi nguồn điện để tạo ra từ tường biến thiên trong cuộn dây

- Di chuyển nam châm lại gần hoặc ra xa khỏi cuộn dây dẫn…

Hoạt động 3: 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).

Tiến hành:

- Bố trí thí nghiệm như Hình 14.4.

- Quan sát sự sáng của hai đèn LED khi quay nam châm.

Thực hiện yêu cầu và trả lời câu hỏi sau:

1. Mô tả sự sáng của hai đèn LED khi nam châm quay.

2. Khi cực nam châm lại gần hoặc ra xa cuộn dây dẫn thì số đường sức từ xuyên qua tiết diện cuộn dây dẫn biến thiên như thế nào?

3. Chứng tỏ khi quay nam châm, dòng điện xuất hiện trong cuộn dây dẫn gần hai đèn LED có mối liên hệ với sự biến thiên của số đường sức từ xuyên qua tiết diện của cuộn dây dẫn.

Bài làm chi tiết:

1. Hai đèn LED luân phiên nhau sáng.

2. Khi cực nam châm lại gần cuộn dây dẫn thì số đường sức từ xuyên qua tiết diện cuộn dây dẫn tăng và ngược lại nếu đưa ra xa cuộn dây dẫn thì số đường sức từ xuyên qua tiết diện cuộn dây giảm.

3. Khi quay nam châm, số đường sức từ biến thiên, dòng điện cảm ứng trong dây cũng biến thiên. Từ đó tạo ra sự biến thiên trong sự sáng của đèn LED. 

Vậy khi quay nam châm, dòng điện xuất hiện trong cuộn dây dẫn gần hai đèn LED có mối liên hệ với sự biến thiên của số đường sức từ xuyên qua tiết diện của cuộn dây dẫn.

Hoạt động 4: 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 14.6.

- Bóp mạnh cuộn dây dẫn, quan sát kim điện kế khi cuộn dây dẫn bị giảm tiết diện.

Trả lời câu hỏi và thực hiện yêu cầu sau:

1. Khi tiết diện của cuộn dây giảm thì số đường sức từ xuyên qua tiết diện cuộn dây dẫn biến thiên như thế nào?

2. Từ kết quả thí nghiệm, chứng tỏ số đường sức từ xuyên qua tiết diện cuộn dây dẫn biến thiên thì trong cuộn dây dẫn xuất hiện dòng điện cảm ứng.

Bài làm chi tiết:

1. Khi tiết diện của cuộn dây giảm thì số đường sức từ xuyên qua tiết diện cuộn dây giảm.

2. Khi số đường sức biến thiên, từ trường xung quanh cuộn dây thay đổi. Sự thay đổi này tạo ra một dòng điện cảm ứng trong cuộn dây.

Câu hỏi 1: Khi làm biến thiên số đường sức từ xuyên qua tiết diện của cuộn dây dẫn, thí nghiệm 3 và 4 đã chứng tỏ điều gì?

Bài làm chi tiết:

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

Câu hỏi 2: Nêu điều kiện xuất hiện dòng điện cảm ứng trong cuộn dây dẫn kín.

Bài làm chi tiết:

Điều kiện xuất hiện dòng điện cảm ứng trong cuộn dây kín là có sự biến thiên số đường sức từ xuyên qua tiết diện của cuộn dây dẫn đó.

III. NGUYÊN TẮC TẠO RA DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU

Câu hỏi 1: Dòng điện xoay chiều có đặc điểm gì?

Bài làm chi tiết:

Dòng điện xoay chiều có đặc điểm là cường độ và chiều luân phiên nhau thay đổi theo thời gian.

Hoạt động 1: Thí nghiệm tạo dòng điện xoay chiều

Chuẩn bị: Bộ thí nghiệm mô hình máy phát điện xoay chiều có hai đèn LED như Hình 14.8.

Tiến hành: Quan sát sự thay đổi sáng, tối luân phiên của hai đèn LED khi quay chậm và quay nhay cuộn dây dẫn trong từ trường.

Trả lời các câu hỏi và thực hiện các yêu cầu sau:

1. Khi quay chậm cuộn dây dẫn thì hai đèn LED thay đổi sáng, tối luân phiên nhau như thế nào? Khi quay nhanh cuộn dây dẫn, có phân biệt được sự thay đổi này không?

2. Số đường sức từ xuyên qua tiết diện cuộn dây dẫn biến thiên (tăng giảm luân phiên) theo thời gian như thế nào?

3. Dòng điện xuất hiện trong cuộn dây dẫn đi qua đèn LED có đặc điểm gì?

4. Nêu nguyên tắc tạo ra dòng điện xoay chiều.

Bài làm chi tiết:

1. Khi quay chậm, sự biến thiên của đường sức từ xuyên qua tiết diện của cuộn dây diễn ra chậm, dẫn đến dòng điện cảm ứng trong cuộn dây cũng biến thiên chậm. Kết quả là, hai đèn LED sẽ sáng tắt luân phiên nhau. Tuy nhiên, khi quay nhanh, sự biến thiên của số đường sức từ diễn ra nhanh hơn, dẫn đến dòng điện cảm ứng trong cuộn dây biến thiên nhanh. Điều này làm khó có thể phân biệt sự sáng của hai đèn.

2. Số đường sức từ xuyên qua tiết diện cuộn dây dẫn biến thiên tăng, giảm tuần tự theo thời gian.

3. Dòng điện xuất hiện trong cuộn dây dẫn đi qua đèn LED có đặc điểm: số đường sức từ qua tiết diện của cuộn dây dẫn kín biến thiên (tăng, giảm luân phiên) theo thời gian.

4. Nguyên tắc tạo ra dòng điện xoay chiều là dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ.

Câu hỏi 2: Hình 14.9 minh họa trường hợp khung dây quay trong từ trường đều để tạo ra dòng điện xoay chiều. Vành khuyên là vòng tròn bằng đồng; chổi quét là lá đồng. Quan sát Hình 14.9 và cho biết cách dẫn dòng điện xoay chiều xuất hiện trong khung dây quay trong từ trường đều ra mạch ngoài như thế nào? 

Bài làm chi tiết:

Khi khung dây quay, dòng điện cảm ứng sẽ xuất hiện trong khung dây. Dòng điện cảm ứng này sẽ thay đổi hướng theo từ trường (tạo bởi cặp nam châm), tạo ra dòng điện xoay chiều trong mạch ngoài và làm cho đèn sáng.