Cảm ứng điện từ, dòng điện xoay chiều và các tác dụng
Nhận ra khi nào có dòng điện cảm ứng, giải thích máy phát điện xoay chiều, nêu các tác dụng và cách đo dòng xoay chiều, và tính hao phí khi truyền tải điện đi xa.
Ứng với SGK Kết nối tri thức: Bài 14, Bài 15
⚡ Nhớ nhanh
- 1Cảm ứng điện từ: số đường sức từ xuyên qua cuộn dây kín biến thiên thì trong cuộn xuất hiện dòng điện cảm ứng.
- 2Phải có biến thiên. Nam châm đứng yên trong cuộn dây, dù rất mạnh, cũng không sinh dòng. Cuộn dây hở thì không có dòng.
- 3Dòng xoay chiều là dòng luân phiên đổi chiều. Máy phát điện xoay chiều: quay đều cuộn dây trong từ trường (hoặc quay nam châm trước cuộn dây).
- 4Dòng xoay chiều có tác dụng nhiệt, phát sáng, từ, sinh lí. Tác dụng từ đổi chiều theo dòng. Dụng cụ đo AC (kí hiệu ~) chỉ giá trị hiệu dụng.
- 5Truyền tải điện: P hao phí = P²R/U². Tăng U lên n lần thì hao phí giảm n² lần. Máy biến áp: U₁/U₂ = N₁/N₂.
- 6Gặp bài "có dòng không?" thì hỏi hai câu: mạch có kín không, số đường sức có đang đổi không.
👀 Nhìn là hiểu
Kéo nam châm vào ra cuộn dây, hoặc bấm "Giữ yên". Xem kim điện kế lệch khi nào, và đứng yên khi nào. Bấm "Quay đều" để thấy dòng xoay chiều hình thành.
Kéo nam châm N–S vào ra cuộn dây. Kim điện kế cho biết có dòng cảm ứng hay không.
Nam châm đứng yên
Nam châm đứng yên → số đường sức không đổi → không có dòng. Thử kéo nam châm vào cuộn.
Kim lệch phụ thuộc tốc độ biến thiên của số đường sức, không phụ thuộc bản thân số đường sức. Nam châm nằm trong cuộn mà đứng yên thì kim vẫn về 0.
1 🧲 Hiện tượng cảm ứng điện từ
Cần nhớ
- ✦Khi số đường sức từ xuyên qua một cuộn dây kín biến thiên thì trong cuộn dây có dòng điện cảm ứng.
- ✦Ba cách làm số đường sức biến thiên: đưa nam châm lại gần hoặc ra xa, quay cuộn dây trong từ trường, đóng, ngắt hoặc đổi dòng trong nam châm điện.
- ✦Nam châm đứng yên trong cuộn dây thì không có dòng, dù từ trường rất mạnh.
- ✦Đưa vào thì số đường sức tăng, rút ra thì giảm: hai lần dòng cảm ứng có chiều ngược nhau.
Đưa nam châm lại gần hoặc ra xa cuộn dây kín. Quay cuộn dây trong từ trường. Đóng, ngắt hoặc đổi dòng nam châm điện.
Nam châm đứng yên trong cuộn dây. Cuộn dây hở (dù số đường sức vẫn biến thiên). Nam châm và cuộn dây chuyển động cùng vận tốc.
Dạng bài
Xét xem có dòng cảm ứng không
- 1 Mạch có kín không? Hở thì kết luận ngay: không có dòng.
- 2 Số đường sức xuyên qua cuộn dây có đang thay đổi không (nam châm đang chuyển động, cuộn đang quay, dòng nam châm điện đang đổi)?
- 3 Nếu có biến thiên: số đường sức tăng hay giảm? Tăng và giảm cho hai dòng có chiều ngược nhau.
- 4 Kiểm tra: đứng yên thì số đường sức không đổi ⇒ không dòng ✓.
⚠️ Bẫy hay gặp: Từ trường mạnh không quyết định có dòng. Nam châm cực mạnh đặt yên cạnh cuộn dây vẫn cho dòng bằng 0; nam châm yếu đang chuyển động mới có dòng.
Đưa nam châm vào trong cuộn dây kín, giữ yên một lúc, rồi rút ra. Lúc nào có dòng điện cảm ứng?
Hướng dẫn giải
2 ⚡ Dòng xoay chiều và máy phát điện
Cần nhớ
- ✦Dòng điện xoay chiều là dòng có chiều luân phiên đổi.
- ✦Cách tạo ra: quay đều cuộn dây trong từ trường, hoặc quay nam châm trước cuộn dây. Số đường sức qua cuộn lúc tăng lúc giảm nên dòng đổi chiều liên tục.
- ✦Máy phát điện không tạo ra năng lượng, nó chuyển hoá cơ năng thành điện năng. Không có gì làm rôto quay thì không có điện.
- ✦Ví dụ: thuỷ điện lấy thế năng của nước làm quay tua-bin, tua-bin làm quay rôto của máy phát.
Các bộ phận của máy phát điện xoay chiều
| Bộ phận | Vai trò |
|---|---|
| Nam châm (hoặc nam châm điện) | Tạo ra từ trường |
| Cuộn dây | Nơi xuất hiện dòng điện cảm ứng |
| Bộ phận quay (rôto) | Làm số đường sức xuyên qua cuộn dây biến thiên |
| Nguồn cơ năng (nước, gió, hơi nước) | Làm rôto quay |
Dạng bài
Giải thích vì sao máy phát cho ra điện
- 1 Chỉ ra nguồn cơ năng làm rôto quay (nước, gió, hơi nước).
- 2 Rôto quay thì cuộn dây và nam châm chuyển động tương đối, số đường sức qua cuộn biến thiên liên tục.
- 3 Cuộn dây kín nối với mạch ngoài ⇒ có dòng cảm ứng; rôto quay đều nên dòng đổi chiều luân phiên.
- 4 Kiểm tra: ngừng quay thì số đường sức hết biến thiên ⇒ hết dòng ✓.
⚠️ Bẫy hay gặp: Đừng nói máy phát "tạo ra" điện từ hư không. Nó chỉ chuyển hoá cơ năng thành điện năng; không có nguồn cơ năng làm rôto quay thì không có điện.
Vì sao nhà máy thuỷ điện phát ra được điện?
Hướng dẫn giải
3 💡 Tác dụng và cách đo dòng xoay chiều
Bốn tác dụng của dòng xoay chiều
| Tác dụng | Biểu hiện | Ví dụ |
|---|---|---|
| Nhiệt | Làm vật dẫn nóng lên | Bàn là, ấm điện |
| Phát sáng | Làm đèn sáng | Bóng đèn, đèn ống |
| Từ | Tạo từ trường, lực từ đổi chiều theo dòng | Loa, nam châm điện dùng dòng AC |
| Sinh lí | Dòng đủ mạnh qua người gây co giật, nguy hiểm | Điện giật |
Cần nhớ
- ✦Giống dòng một chiều có đủ bốn tác dụng. Khác ở tác dụng từ: lực từ đổi chiều liên tục theo dòng.
- ✦Đo bằng ampe kế, vôn kế xoay chiều (kí hiệu AC hoặc dấu ~). Số chỉ là giá trị hiệu dụng.
- ✦Ổ điện ghi 220 V nghĩa là giá trị hiệu dụng 220 V, chính là số mà vôn kế xoay chiều chỉ.
- ✦Điện lưới có tần số 50 Hz: mỗi giây dòng đổi chiều 100 lần.
Dạng bài
Chọn dụng cụ để đo dòng xoay chiều
- 1 Xác định nguồn là một chiều hay xoay chiều.
- 2 Nguồn xoay chiều thì chọn dụng cụ có kí hiệu AC hoặc ~.
- 3 Đọc số chỉ: đó là giá trị hiệu dụng, không phải giá trị đỉnh.
- 4 Kiểm tra: ổ điện nhà đo ra khoảng 220 V, đúng nhãn ghi ✓.
⚠️ Bẫy hay gặp: Dòng xoay chiều vẫn có tác dụng từ, chỉ là lực từ đổi chiều liên tục. Màng loa bị đẩy kéo qua lại theo dòng chính là nhờ vậy.
Vì sao không thể dùng ampe kế một chiều để đo dòng xoay chiều?
Hướng dẫn giải
4 🗼 Truyền tải điện đi xa
Cần nhớ (theo tài liệu)
- ✦Truyền tải đi xa thì dây dẫn toả nhiệt, gây hao phí: P hao phí = P²R/U² (P: công suất truyền, R: điện trở dây, U: hiệu điện thế truyền tải).
- ✦Hao phí tỉ lệ nghịch với bình phương U. Tăng U lên 10 lần thì hao phí giảm 100 lần.
- ✦Máy biến áp: hai cuộn dây quấn trên một lõi sắt, U₁/U₂ = N₁/N₂. Điện áp tăng bao nhiêu lần thì cường độ dòng giảm bấy nhiêu lần.
- ✦Máy biến áp chỉ chạy với dòng xoay chiều: dòng một chiều cho từ thông không đổi nên không sinh dòng cảm ứng.
Tăng hiệu điện thế thì hao phí giảm bao nhiêu
| U truyền tải | Hao phí so với ban đầu |
|---|---|
| U | 100% |
| 2U | 25% |
| 10U | 1% |
| 100U | 0,01% |
Hao phí giảm theo U². Rẻ, chỉ cần máy biến áp. Cách được dùng thật.
Phải dùng dây to hơn hoặc vật liệu tốt hơn. Rất tốn kém, cột điện phải chịu tải nặng.
Dạng bài
Tính hao phí và so sánh khi đổi hiệu điện thế
- 1 Tính cường độ dòng I = P/U (P đổi ra W, U ra V).
- 2 Hao phí P hao phí = I²R, hoặc dùng thẳng P²R/U².
- 3 Đổi U lên n lần thì hao phí giảm n² lần.
- 4 Kiểm tra: tính lại bằng hai công thức phải ra cùng một số ✓.
⚠️ Bẫy hay gặp: Tăng U gấp 2 lần thì hao phí giảm còn 14 (2² = 4), không phải một nửa.
Truyền công suất 50 kW trên dây có điện trở 20 Ω ở hiệu điện thế 5 000 V. Tính hao phí. Nếu tăng U lên 50 000 V thì hao phí còn bao nhiêu?
Hướng dẫn giải
✏️ Luyện tập
Làm xong mỗi nhóm bấm Kiểm tra. Câu sai có lời giải ngắn và nút quay lại phần cách làm.
Khi nào có dòng cảm ứng
- 1Nhận biết
Hiện tượng cảm ứng điện từ là hiện tượng:
- 2Thông hiểu
Dòng điện cảm ứng xuất hiện trong cuộn dây kín khi:
- 3Thông hiểu
Giữ nam châm đứng yên trong lòng cuộn dây kín thì:
- 4Thông hiểu
Cách nào sau đây KHÔNG tạo ra dòng điện cảm ứng trong cuộn dây kín?
- 5Thông hiểu
Đưa nam châm vào cuộn dây kín thấy kim điện kế lệch sang phải. Rút nam châm ra thì kim:
- 6Vận dụng
Cuộn dây bị hở một chỗ. Đưa nhanh nam châm vào cuộn dây thì:
Dòng xoay chiều và máy phát điện
- 1Nhận biết
Máy phát điện xoay chiều hoạt động dựa trên hiện tượng:
- 2Nhận biết
Dòng điện xoay chiều là dòng điện:
- 3Thông hiểu
Trong nhà máy thuỷ điện, sự chuyển hoá năng lượng theo thứ tự là:
- 4Thông hiểu Dòng điện xoay chiều có tần số 50 Hz thì mỗi giây đổi chiều lần.
- 5Vận dụng
Một máy phát điện chạy bằng sức gió. Lúc lặng gió, cánh quạt và rôto đứng yên. Khi đó:
Tác dụng và cách đo
- 1Nhận biết
Dòng điện xoay chiều có những tác dụng nào?
- 2Nhận biết
Số chỉ của ampe kế xoay chiều là:
- 3Thông hiểu
Cho dòng xoay chiều chạy qua nam châm điện thì lực từ của nó:
- 4Thông hiểu
Vì sao dùng ampe kế một chiều đo dòng xoay chiều thì kim chỉ rung quanh vạch 0?
Truyền tải điện đi xa
- 1Thông hiểu
Công suất hao phí trên đường dây tải điện tỉ lệ:
- 2Thông hiểu
Cách kinh tế nhất để giảm hao phí trên đường dây tải điện là:
- 3Vận dụng
Tăng hiệu điện thế truyền tải lên 5 lần thì hao phí giảm:
- 4Vận dụng Muốn hao phí trên đường dây giảm 100 lần thì phải tăng hiệu điện thế truyền tải lên lần.
- 5Thông hiểu Truyền công suất 100 000 W trên dây có điện trở 10 Ω ở hiệu điện thế 10 000 V. Cường độ dòng I = A, công suất hao phí là W.
- 6Vận dụng Tiếp bài trên, tăng hiệu điện thế lên 20 000 V (công suất, dây không đổi) thì công suất hao phí còn W.
- 7Vận dụng Máy biến áp có cuộn sơ cấp 1 000 vòng, cuộn thứ cấp 10 000 vòng. Đặt vào sơ cấp hiệu điện thế 10 000 V thì thứ cấp có V.
🎯 Chủ điểm này ra kiểm tra và thi chuyên thế nào?
- •Bài kiểm tra hay hỏi điều kiện có dòng cảm ứng: nam châm đứng yên, cuộn dây hở, hay đang chuyển động. Đáp án hay xoay quanh chữ biến thiên.
- •Hay có câu tính công suất hao phí và so sánh khi tăng hiệu điện thế truyền tải (gấp 5 lần thì giảm 25 lần).
- •Đề thi vào lớp chuyên Lí thường đi xa hơn: máy biến áp, giá trị hiệu dụng và bài toán truyền tải điện nhiều bước.
7. Vòng năng lượng trên Trái Đất, nhiên liệu hoá thạch, năng lượng tái tạo