Bài 11. Cảm ứng điện từ. Nguyên tắc tạo ra dòng điện xoay chiều

I. DÙNG NAM CHÂM TẠO RA DÒNG ĐIỆN

1. Thí nghiệm với nam châm vĩnh cửu 

Thí nghiệm này chứng tỏ 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. Qua nhiều thí nghiệm tương tự, người ta thấy: 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

Người ta thấy rằng, nam châm điện nằm yên trước cuộn dây dẫn kín vẫn có thể tạo ra dòng điện cảm ứng. Như vậy, chuyển động tương đối giữa nam châm và cuộn dây dẫn kín không là nguyên nhân xuất hiện dòng điện cảm ứng. 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

Từ hai thí nghiệm trên và nhiều thí nghiệm khác cho thấy, dòng điện cảm ứng xuất hiện khi từ trường tại khu vực đặt cuộn dây dẫn kín thay đổi. Do không nhìn thấy từ trường, ta có thể mô tả từ trường bằng các đường sức từ (đã học ở lớp 7). Khi từ trường qua cuộn dây dẫn kín thay đổi, ta có thể xét sự thay đổi đó dựa vào số đường sức từ xuyên qua tiết diện của cuộn dây dẫn kín (hình 11.5).

Ở thí nghiệm với nam châm vĩnh cửu, khi nam châm nằm yên, số đường sức từ xuyên qua tiết diện cuộn dây dẫn kín không thay đổi, không xuất hiện dòng điện cảm ứng. Khi cho thanh nam châm vĩnh cửu ra xa hoặc lại gần cuộn dây dẫn kin, số đường sức từ xuyên qua tiết diện của cuộn dây dẫn kín sẽ giảm đi hoặc tăng lên tương ứng và dòng điện cảm ứng xuất hiện.

Ở thí nghiệm với nam châm điện, khi đóng hay mở khoá 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.

Như vậy, 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. 

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

Để tim 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 11.9.

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.

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 là 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.