Giải Hoạt động trang 74 SGK Vật lí 12

Lời giải

Phân tích chung: Khi khung dây dẫn kín MNPQ quay đều với tốc độ góc $\omega$ quanh một trục vuông góc với các đường sức của từ trường đều $\vec{B}$, từ thông qua khung biến thiên tuần hoàn theo thời gian:

$$\Phi = NBS\cos(\omega t + \varphi)$$

Theo định luật cảm ứng điện từ (Faraday), trong khung xuất hiện suất điện động cảm ứng:

$$e = -\frac{d\Phi}{dt} = NBS\omega\sin(\omega t + \varphi) = E_0\sin(\omega t + \varphi)$$

với $E_0 = NBS\omega$. Đây là một suất điện động biến thiên điều hòa (hình sin) theo thời gian — đúng như đồ thị $e$–$t$ ở Hình 17.2 (đạt $+E_0$ ở vị trí 1, về 0 ở vị trí 2, đạt $-E_0$ ở vị trí 3…, một chu kì ứng với khung quay được một vòng).

a) Cách dẫn dòng điện ra mạch ngoài khi khung dây quay đều trong từ trường (Hình 17.2):

Vì khung dây quay liên tục, nếu nối trực tiếp hai đầu khung với mạch ngoài bằng dây dẫn cứng thì dây sẽ bị xoắn lại. Để dẫn dòng điện ra mạch ngoài, người ta dùng bộ góp gồm:

- Hai đầu dây của khung được nối với hai vành khuyên (vành bán khuyên/vành trượt) gắn cố định trên trục và quay cùng với khung dây.
- Mỗi vành khuyên luôn tì sát (tiếp xúc trượt) vào một chổi quét (thanh quét) đứng yên làm bằng vật liệu dẫn điện.
- Hai chổi quét được nối với mạch ngoài.

Nhờ cách này, dù khung quay liên tục, dòng điện cảm ứng vẫn được đưa ra mạch ngoài qua các chổi quét mà dây dẫn không bị xoắn. Dòng điện qua mạch ngoài đổi chiều tuần hoàn, tức là dòng điện xoay chiều.

b) Thảo luận:

– Nguyên tắc tạo ra suất điện động xoay chiều: Dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Khi cho khung dây quay đều quanh trục vuông góc với $\vec{B}$ trong từ trường đều, từ thông qua khung biến thiên điều hòa theo thời gian $\Phi = NBS\cos(\omega t)$, làm xuất hiện trong khung một suất điện động cảm ứng biến thiên điều hòa $e = E_0\sin(\omega t)$ với $E_0 = NBS\omega$ — đó là suất điện động xoay chiều.

– Các yếu tố cần để tạo ra dòng điện xoay chiều:
+ Một từ trường (do nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện tạo ra).
+ Một khung dây dẫn kín (cuộn dây N vòng, diện tích S).
+ Có chuyển động quay tương đối đều giữa khung dây và từ trường (khung quay trong từ trường hoặc từ trường quay quanh khung) để từ thông qua khung biến thiên tuần hoàn.
+ Bộ góp (vành khuyên và chổi quét) để nối khung với mạch ngoài.

– Thiết kế phương án tạo ra dòng điện xoay chiều: Đặt một khung dây dẫn kín gồm N vòng, diện tích S, giữa hai cực của một nam châm (từ trường đều $\vec{B}$). Gắn khung vào một trục quay vuông góc với $\vec{B}$. Hai đầu khung nối với hai vành khuyên tì vào hai chổi quét nối ra mạch ngoài (có mắc điện kế/bóng đèn để quan sát). Dùng tay quay (hoặc động cơ, tua bin nước, gió…) làm khung quay đều với tốc độ góc $\omega$. Khi đó mạch ngoài xuất hiện suất điện động xoay chiều $e = NBS\omega\sin\omega t$ và có dòng điện xoay chiều chạy qua.

Đáp số