Bài học

Ôn tập máy phát điện và ứng dụng — bài tập tổng hợp cuối khoá

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em hệ thống hoá lại nguyên tắc máy phát điện xoay chiều và các ứng dụng cảm ứng điện từ, đồng thời hoàn thành một bài tập tổng hợp cuối khoá kết hợp toàn bộ năm chương của khoá học — nam châm, từ trường, cảm ứng điện từ, máy phát điện và ứng dụng — theo phong cách đề kiểm tra học kì và đề tuyển sinh lớp 10.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước đã ôn lại ba chương đầu. Bài này ôn nốt chương 4 (máy phát điện xoay chiều và ứng dụng), rồi ghép toàn bộ năm chương vào cùng một bài tập cuối khoá — đúng tinh thần một đề thi tổng hợp thực sự.

Khởi động

Một đề kiểm tra học kì hay đề tuyển sinh hiếm khi tách riêng từng chương — thường một câu hỏi dài sẽ dẫn dắt em đi qua nhiều chương liền một mạch: từ nam châm, qua từ trường, đến cảm ứng điện từ, rồi máy phát điện. Đây là lúc luyện đúng kĩ năng đó.

Kiến thức trọng tâm

Nhắc lại chương 4: máy phát điện xoay chiều gồm nam châm và cuộn dây, một bộ phận quay nhờ tác động cơ học bên ngoài (tay quay, sức nước, sức gió, hơi nước); bộ phận quay làm từ trường qua cuộn dây biến thiên tuần hoàn, sinh ra dòng điện cảm ứng đổi chiều tuần hoàn — dòng điện xoay chiều — chính là nguyên tắc tạo ra điện lưới 220V. Ứng dụng cảm ứng điện từ còn xuất hiện trong bếp từ (dòng cảm ứng toả nhiệt trong đáy nồi nhiễm từ), sạc không dây (truyền năng lượng qua từ trường biến thiên, không cần dây nối), và máy dò kim loại.

Ghép năm chương lại, toàn bộ khoá học trả lời trọn vẹn một câu hỏi lớn: từ trường có thể sinh ra điện năng hay không, và nếu có thì bằng cách nào? Câu trả lời là: có — miễn là từ trường xuyên qua một cuộn dây kín biến thiên theo thời gian, dù sự biến thiên đó đến từ việc di chuyển một nam châm bằng tay hay từ việc quay đều một tua-bin khổng lồ trong nhà máy điện.

Nhắc lại chương 4: **máy phát điện xoay chiều** gồm nam châm và cuộn dây, một bộ phận quay nhờ tác động cơ học bên ngoài (tay quay, sức nước, sức gió, hơi nước); bộ phận quay làm từ trường qua cuộn dây biến thiên tuần hoàn, sinh ra dòng điện cảm ứng đổi chiều tuần hoàn — dòng điện xoay chiều — chính là nguyên tắc tạo ra điện lưới 220V. Ứng dụng cảm ứng điện từ còn xuất hiện trong bếp từ (dòng cảm ứng toả nhiệt trong đáy nồi nhiễm từ), sạc không dây (truyền năng lượng qua từ trường biến thiên, không cần dây nối), và máy dò kim loại. Ghép năm chương lại, toàn bộ khoá học trả lời trọn vẹn một câu hỏi lớn: *từ trường có thể sinh ra điện năng hay không, và nếu có thì bằng cách nào?* Câu trả lời là: có — miễn là từ trường xuyên qua một cuộn dây kín biến thiên theo thời gian, dù sự biến thiên đó đến từ việc di chuyển một nam châm bằng tay hay từ việc quay đều một tua-bin khổng lồ trong nhà máy điện.

Khoảng cách giữa hai đỉnh cùng dấu liên tiếp là một chu kì — điện áp lặp lại tuần hoàn đúng theo nhịp quay của máy phát.

Ví dụ

Ôn tập: giải thích nguyên tắc máy phát điện qua một tình huống cụ thể

1
Một máy phát điện xoay chiều mini gắn trên xe đạp được nối với một đồng hồ đo điện áp. Khi đạp xe với tốc độ không đổi, đồng hồ đo được điện áp dao động đều đặn giữa các giá trị dương và âm, lặp lại theo chu kì bằng đúng thời gian bánh xe quay hết một vòng. Giải thích vì sao điện áp lại đổi dấu tuần hoàn như vậy.
2
Ta có bánh xe làm quay bộ phận (nam châm hoặc cuộn dây) của máy phát điện mini. Mỗi vòng quay, từ trường xuyên qua cuộn dây tăng dần theo một chiều, đạt giá trị lớn nhất, rồi giảm, đổi chiều, tăng dần theo chiều ngược lại, rồi lặp lại — đúng một chu kì biến thiên tuần hoàn.
3
Theo hiện tượng cảm ứng điện từ, dòng điện (và điện áp) cảm ứng sinh ra biến đổi theo đúng nhịp biến thiên của từ trường — tăng, đạt cực đại dương, giảm về 0, đổi dấu, đạt cực đại âm, rồi lặp lại theo đúng chu kì quay của bánh xe.
4
Vậy điện áp đo được dao động đều đặn giữa dương và âm, lặp lại đúng theo chu kì quay của bánh xe, vì đó chính là dòng điện xoay chiều sinh ra từ hiện tượng cảm ứng điện từ khi bộ phận của máy phát quay đều.

Ví dụ

Bài tập tổng hợp cuối khoá — kết hợp cả năm chương

1
Một mô hình thực hành gồm: (1) hai thanh nam châm A, B; (2) một dây dẫn thẳng có dòng điện; (3) một cuộn dây kín nối điện kế; (4) một máy phát điện mini nối bóng đèn LED. Cho biết: đưa cực Bắc của A lại gần đầu M của B thì hút nhau. Dòng điện trong dây dẫn thẳng chạy theo phương ngang, dùng quy tắc nắm tay phải xác định được đường sức từ phía trên dây có chiều đi ra khỏi mặt phẳng trang giấy. Đưa nam châm B lại gần cuộn dây kín với tốc độ tăng dần theo thời gian. Máy phát điện mini được quay với tốc độ không đổi. Hãy: (a) xác định cực của đầu M; (b) mô tả cách kim điện kế nối với cuộn dây kín biến đổi trong suốt quá trình đưa nam châm B lại gần; (c) mô tả dạng điện áp mà máy phát điện mini sinh ra, và nêu một ứng dụng thực tế cùng nguyên tắc.
Một mô hình thực hành gồm: (1) hai thanh nam châm A, B; (2) một dây dẫn thẳng có dòng điện; (3) một cuộn dây kín nối điện kế; (4) một máy phát điện mini nối bóng đèn LED. Cho biết: đưa cực Bắc của A lại gần đầu M của B thì hút nhau. Dòng điện trong dây dẫn thẳng chạy theo phương ngang, dùng quy tắc nắm tay phải xác định được đường sức từ phía trên dây có chiều đi ra khỏi mặt phẳng trang giấy. Đưa nam châm B lại gần cuộn dây kín với tốc độ tăng dần theo thời gian. Máy phát điện mini được quay với tốc độ không đổi. Hãy: (a) xác định cực của đầu M; (b) mô tả cách kim điện kế nối với cuộn dây kín biến đổi trong suốt quá trình đưa nam châm B lại gần; (c) mô tả dạng điện áp mà máy phát điện mini sinh ra, và nêu một ứng dụng thực tế cùng nguyên tắc.
2
Ta có cực Bắc của A hút với đầu M của B. Hai cực hút nhau phải khác tên nhau. Suy ra đầu M là cực Nam.
3
Ta có nam châm B được đưa lại gần cuộn dây kín với tốc độ tăng dần theo thời gian. Trong suốt quá trình này luôn có chuyển động tương đối giữa nam châm và cuộn dây, nên kim điện kế lệch liên tục (không về 0 giữa chừng). Theo quy luật đã học, tốc độ biến thiên từ trường càng lớn thì dòng điện cảm ứng càng lớn; vì tốc độ đưa nam châm lại tăng dần theo thời gian, độ lệch của kim điện kế cũng tăng dần theo thời gian trong suốt quá trình đó.
Ta có nam châm B được đưa lại gần cuộn dây kín với tốc độ tăng dần theo thời gian. Trong suốt quá trình này luôn có chuyển động tương đối giữa nam châm và cuộn dây, nên kim điện kế lệch liên tục (không về 0 giữa chừng). Theo quy luật đã học, tốc độ biến thiên từ trường càng lớn thì dòng điện cảm ứng càng lớn; vì tốc độ đưa nam châm lại tăng dần theo thời gian, độ lệch của kim điện kế cũng tăng dần theo thời gian trong suốt quá trình đó.
4
Ta có máy phát điện mini quay với tốc độ không đổi, nên từ trường qua cuộn dây của nó biến thiên tuần hoàn với chu kì không đổi, sinh ra điện áp xoay chiều dao động đều đặn giữa giá trị dương và âm, lặp lại theo đúng chu kì quay không đổi đó — hoàn toàn giống nguyên tắc hoạt động của đèn dynamo xe đạp đã học, và cũng là nguyên tắc các nhà máy thuỷ điện, nhiệt điện dùng để tạo ra dòng điện 220V của lưới điện quốc gia.
Ta có máy phát điện mini quay với tốc độ không đổi, nên từ trường qua cuộn dây của nó biến thiên tuần hoàn với chu kì không đổi, sinh ra điện áp xoay chiều dao động đều đặn giữa giá trị dương và âm, lặp lại theo đúng chu kì quay không đổi đó — hoàn toàn giống nguyên tắc hoạt động của đèn dynamo xe đạp đã học, và cũng là nguyên tắc các nhà máy thuỷ điện, nhiệt điện dùng để tạo ra dòng điện 220V của lưới điện quốc gia.
5
Vậy: (a) đầu M là cực Nam; (b) kim điện kế lệch liên tục với độ lệch tăng dần theo thời gian trong suốt quá trình đưa nam châm lại gần với tốc độ tăng dần; (c) máy phát sinh ra điện áp xoay chiều dao động tuần hoàn với chu kì không đổi, cùng nguyên tắc với máy phát điện ở các nhà máy thuỷ điện, nhiệt điện cung cấp điện cho lưới điện quốc gia.

Sai lầm thường gặp

Ở một bài tập tổng hợp cuối khoá dài như trên, đừng cố nhớ toàn bộ đề bài trong đầu cùng một lúc. Hãy đọc kĩ từng câu hỏi nhỏ (a, b, c), xác định đúng câu đó cần dùng mắt xích kiến thức nào trong năm chương, giải quyết dứt điểm rồi mới chuyển sang câu tiếp theo — đúng chiến lược đã luyện ở bài trước.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Toàn bộ khoá học trả lời một câu hỏi lớn: từ trường biến thiên qua một cuộn dây kín sinh ra dòng điện cảm ứng — dù ở quy mô thí nghiệm tay quay nhỏ hay quy mô nhà máy điện khổng lồ, nguyên tắc vẫn chỉ có một. Nắm chắc chuỗi nam châm → từ trường → đường sức từ → cảm ứng điện từ → máy phát điện là nắm chắc toàn bộ khoá học.

Đến đây, khoá học Cảm ứng điện từ đã hoàn tất. Kiến thức này chính là nền tảng để em học tiếp về dòng điện xoay chiều và máy biến áp ở bậc THPT, cũng như hiểu sâu hơn cách điện năng được sản xuất và truyền tải trong đời sống thực tế.