KHTN 9 – Bài 14: Cảm ứng điện từ

01. Mục tiêu bài học

Kiến thức · Năng lực · Phẩm chất

Sau bài học, em tự tạo được dòng điện cảm ứng trong thí nghiệm và giải thích được nguyên tắc tạo ra dòng điện xoay chiều.

Nhận biết

Nêu được dòng điện cảm ứng, hiện tượng cảm ứng điện từ và biểu hiện của dòng điện xoay chiều.

Thực nghiệm

Quan sát và rút ra điều kiện xuất hiện dòng cảm ứng qua nam châm tịnh tiến, nam châm điện, nam châm quay, cuộn dây thay đổi tiết diện.

Vận dụng

Giải thích đèn LED sáng luân phiên, dòng điện từ máy phát xoay chiều và các trường hợp không có cảm ứng.

Câu hỏi khởi động: Cuộn dây nối điện kế đặt gần nam châm. Vì sao điện kế lệch khi nam châm chuyển động nhưng lại trở về 0 khi giữ yên nam châm?

02. Kiến thức trọng tâm

I. Dòng điện cảm ứng

Đưa nam châm lại gần hay ra xa một cuộn dây dẫn kín nối điện kế có thể làm kim điện kế lệch. Dòng điện xuất hiện trong trường hợp này gọi là dòng điện cảm ứng.

Thí nghiệm 1 – Nam châm vĩnh cửu

Đưa cực Bắc lại gần: số đường sức qua tiết diện cuộn tăng, kim lệch. Kéo cực Bắc ra xa: số đường sức giảm, kim lệch về phía ngược lại. Đứng yên: kim về 0.

Thí nghiệm 2 – Nam châm điện

Đóng, mở công tắc điện trong cuộn nam châm điện: từ trường thay đổi, điện kế ở cuộn dây bên cạnh chỉ lệch thoáng qua. Giữ dòng không đổi: điện kế về 0.

II. Hiện tượng cảm ứng điện từ

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

Hiện tượng xuất hiện dòng điện cảm ứng gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ. Có nhiều cách làm thay đổi số đường sức: di chuyển nam châm hoặc cuộn dây; thay đổi dòng điện của nam châm điện; quay cuộn dây/nam châm; làm đổi tiết diện cuộn dây.

Thí nghiệm 3 – Nam châm quay: Cho nam châm quay gần cuộn dây kín nối hai LED mắc ngược cực. Nếu tín hiệu cảm ứng đủ lớn, hai đèn sáng luân phiên do dòng điện đổi chiều.

Thí nghiệm 4 – Thay đổi tiết diện: Đặt cuộn dây mềm nối điện kế trong từ trường rồi bóp nhỏ và thả rộng tiết diện. Dòng cảm ứng chỉ xuất hiện trong khi tiết diện đang thay đổi.

Chú ý: “Có từ trường” không đồng nghĩa “có dòng cảm ứng”. Khi từ trường xuyên qua cuộn không thay đổi, cuộn đứng yên và hình dạng giữ nguyên thì không có dòng cảm ứng duy trì.

III. Nguyên tắc tạo dòng điện xoay chiều

Dòng điện xoay chiều có cường độ biến đổi và chiều luân phiên thay đổi theo thời gian. Có thể quay cuộn dây trong từ trường hoặc quay nam châm gần cuộn dây để số đường sức xuyên tiết diện tăng – giảm luân phiên; trong mạch kín sinh ra dòng điện xoay chiều.

Máy phát có cuộn dây quay

Cuộn quay giữa hai cực từ. Hai vành khuyên nối hai đầu cuộn, hai chổi quét dẫn dòng ra mạch ngoài. Đây là tiếp xúc trượt, không phải bộ đảo chiều dùng hai bán khuyên.

Máy phát có nam châm quay

Cuộn dây đứng yên; nam châm quay làm số đường sức qua cuộn biến đổi tuần hoàn. Dòng cảm ứng đổi chiều theo từng khoảng thời gian.

Mô hình định lượng để quan sát – kiến thức mở rộng:

Φ(t) = Φ₀ cos(2πft), i(t) ∝ −dΦ/dt

Φ là từ thông; kí hiệu và hàm hình sin chỉ dùng để giải thích trực quan mô phỏng máy phát một cặp cực với tải tuyến tính, không phải yêu cầu tính toán bắt buộc của Bài 14. Độ lớn các tín hiệu mô phỏng là đơn vị tương đối, không phải số đo A hay W thực.

Phân biệt: Dòng điện xoay chiều không phải dòng điện “lúc có lúc không”. Khi giá trị dòng âm, dòng điện đang chạy ngược chiều dương đã chọn. Đối với dòng hình sin, tần số f là số chu kì trong một giây (Hz), không phải số lần đổi chiều. Một chu kì có hai lần đổi chiều.

IV. Bảng so sánh để ghi nhớ

Thao tác	Số đường sức qua cuộn	Điện kế / dòng cảm ứng
Đưa nam châm tiến gần	Biến đổi (thường tăng độ lớn)	Lệch trong lúc chuyển động
Rút nam châm ra xa	Biến đổi theo chiều ngược lại	Lệch ngược với khi tiến gần
Giữ yên mọi điều kiện	Không đổi	Về 0
Đóng/ngắt dòng nam châm điện	Thay đổi thoáng qua	Lệch thoáng qua rồi về 0
Quay đều nam châm hoặc cuộn	Tăng – giảm luân phiên	Dòng xoay chiều
Bóp/thả cuộn mềm	Thay đổi khi tiết diện đổi	Lệch trong lúc bóp/thả

03. Quan sát – mô phỏng thí nghiệm

Đặt giả thiết dùng cuộn dây dẫn kín và linh kiện lí tưởng; biểu diễn dấu và độ lớn của tín hiệu theo quy ước trong từng mô hình. Mô phỏng minh họa nguyên lí, không phải số đo phòng thí nghiệm.

Hoạt động 1. Nam châm tiến – lùi trước cuộn dây (Hình 14.1–14.2)

Chọn cực từ hướng vào cuộn dây, tốc độ và thao tác. Để ý: trong lúc nam châm đứng yên ở vị trí gần cuộn, điện kế không lệch!

Sơ đồ có tính minh họa; các đường sức từ thể hiện xu hướng, không biểu diễn từ trường thật theo tỉ lệ.

Cực hướng vào cuộn dây Tốc độ dịch chuyển Trung bình

Khoảng cách tương đối52Tín hiệu dòng0Trạng tháiĐứng yên

Nam châm đứng yên: không có dòng điện cảm ứng.

Hoạt động 2. Nam châm điện – đóng/mở công tắc (Hình 14.3)

Cuộn sơ cấp tạo nam châm điện, đặt gần cuộn thứ cấp nối điện kế. Chỉ khi đóng hoặc ngắt làm từ trường thay đổi, cuộn thứ cấp mới xuất hiện dòng cảm ứng thoáng qua.

Công tắcĐang mởDòng sơ cấp0Tín hiệu thứ cấp0

Trạng thái đầu: công tắc mở. Không có biến thiên từ trường qua cuộn thứ cấp.

Điện kế lệch trong một khoảng ngắn khi dòng cuộn sơ cấp tăng hoặc giảm, sau đó trở về 0. Hai cuộn không nối thông điện với nhau.

Hoạt động 3. Máy phát điện xoay chiều – nam châm quay (Hình 14.4–14.5)

Quay nam châm trong mô hình một cặp cực, theo dõi hai LED mắc ngược cực. Tín hiệu có dấu được vẽ theo quy ước: khi i > 0 đèn đỏ có thể sáng, khi i < 0 đèn vàng có thể sáng (nếu đủ ngưỡng).

Hình mô phỏng định tính và sơ đồ LED giản lược, không phải sơ đồ đấu dây đầy đủ; hai LED được giả định đã mắc song song ngược cực trong mạch kín.

Tốc độ quay 1,0 vòng/sĐộ mạnh từ trường mô phỏng 1,0×

Góc rôto0°i (tương đối)0,00LED đang dẫnKhông

Khi rôto đứng yên, số đường sức từ không đổi và không có dòng cảm ứng.

Đồ thị i–t cho mô hình sin lí tưởng, có trục thời gian (s), i tương đối và đường dóng tới trạng thái hiện tại. Khi dừng rôto, tín hiệu bằng 0. Độ mạnh từ trường chỉ thay đổi biên độ tín hiệu trong mô hình, không làm đổi tần số.

Hoạt động 4. Thay đổi tiết diện cuộn dây (Hình 14.6)

Giữ từ trường không đổi, điều chỉnh diện tích vòng dây mềm. Quan sát điện kế lệch chỉ trong khi thanh trượt đang làm đổi tiết diện; khi ngừng kéo, kim về 0.

Tiết diện tương đối 70%

Chiều thay đổiĐứng yênKim điện kế0

Khi cuộn dây giữ nguyên tiết diện, điện kế chỉ 0 trong từ trường không đổi.

Hoạt động 5. Phiếu thí nghiệm điện từ – ghi kết quả

Ghi các trạng thái đã kiểm tra ở hoạt động 1, 2, 3, 4. Nhận xét biến thiên số đường sức từ và tín hiệu cảm ứng; xuất CSV để lập báo cáo.

Lần	Thí nghiệm	Thao tác	Biến thiên số đường sức	Chiều tín hiệu tương đối
Chưa có số liệu.

Mỗi lần thao tác có thể tạo một dòng ghi.

04. Luyện tập – kiểm tra tự đánh giá

A. 12 ví dụ có lời giải theo từng bước

Ưu tiên câu hỏi giải thích hiện tượng, dự đoán chiều cảm ứng và xử lí số liệu có giả thiết rõ. Những ví dụ tần số được ghi là mở rộng.

B. Tự luyện 36 câu ABCD

Chọn một đáp án để nhận phản hồi tức thời và lời giải; có thể làm lại nhiều lần.

Đã làm 0/36 câuNB · TH · VD · VDC

C. Kiểm tra cuối bài – 22 câu · thang 10 điểm

10 ABCD × 0,256 Đúng/Sai × tối đa 1,006 trả lời ngắn × 0,25

Không hiện đáp án trước khi nộp. Mỗi câu Đúng/Sai có bốn ý: đúng 1 ý = 0,10; 2 ý = 0,25; 3 ý = 0,50; 4 ý = 1,00 điểm. TNN chỉ nhập số tối đa bốn kí tự, không kèm đơn vị. Một số câu định lượng có ghi “mở rộng” và nêu đầy đủ giả định.

Chưa chấm bài.

05. Sơ đồ tư duy – kết luận Bài 14

1. Dòng cảm ứng

Cuộn dây kín có dòng khi số đường sức từ xuyên tiết diện biến đổi.

2. Nam châm tiến – lùi

Tiến gần / kéo xa làm đổi chiều biến thiên; đứng yên → không có dòng.

3. Nam châm điện

Đóng / ngắt công tắc → từ trường thay đổi → dòng cảm ứng thoáng qua.

4. Nam châm quay

Đường sức xuyên cuộn thay đổi tuần hoàn; LED ngược cực sáng luân phiên.

5. Thay đổi diện tích

Cuộn dây mềm bị bóp / thả → thay đổi tiết diện, từ đó có cảm ứng.

6. Máy phát AC

Quay cuộn dây trong từ trường hoặc quay nam châm cạnh cuộn để tạo dòng đổi chiều.

06. Em có biết?

Đèn pin lắc tay

Nam châm chuyển động qua cuộn dây khi lắc, tạo dòng cảm ứng để tích trữ năng lượng trong mạch thích hợp.

Máy phát điện gió

Cánh quạt nhận động năng của gió, làm quay rôto để tạo biến thiên từ trường qua cuộn dây.

Đèn xe đạp

Bộ phát điện từ chuyển động bánh xe có thể cung cấp điện cho đèn. Cấu tạo cụ thể tùy thiết bị.

Không thử trực tiếp với điện lưới

Thực hành với nam châm nhỏ, cuộn dây và điện kế thích hợp; tuyệt đối không tự đấu nguồn điện 220 V hoặc mạch có nguy cơ điện giật.

Nhiệm vụ mở rộng: Nêu hai cách khác nhau tạo dòng cảm ứng mà không cần dịch chuyển cả cuộn dây. Giải thích vì sao kim điện kế lại trở về số 0 sau mỗi thao tác.