I. LÝ THUYẾT TRỌNG TÂM

1. Dòng điện cảm ứng

Thí nghiệm 1 — Dùng nam châm vĩnh cửu: Khi đưa cực Bắc của thanh nam châm lại gần hoặc ra xa cuộn dây dẫn nối với điện kế, kim điện kế bị lệch → chứng tỏ trong cuộn dây xuất hiện dòng điện. Dòng điện này gọi là dòng điện cảm ứng.

Khi đưa nam châm lại gần cuộn dây → số đường sức từ xuyên qua tiết diện cuộn dây tăng. Khi đưa nam châm ra xa → số đường sức từ giảm. Cả hai trường hợp, số đường sức từ đều biến thiên (thay đổi) → xuất hiện dòng điện cảm ứng.

Thí nghiệm 2 — Dùng nam châm điện:

Đặt nam châm điện trước cuộn dây dẫn nối điện kế. Khi đóng hoặc mở công tắc K → dòng điện qua nam châm điện thay đổi → từ trường thay đổi → số đường sức từ qua cuộn dây biến thiên → xuất hiện dòng điện cảm ứng.

2. Hiện tượng cảm ứng điện từ

Thí nghiệm 3 — Nam châm quay:

Khi quay nam châm trước cuộn dây, hai đèn LED (mắc song song ngược cực) sáng luân phiên → dòng điện cảm ứng đổi chiều liên tục khi số đường sức từ tăng rồi giảm luân phiên.

Thí nghiệm 4 — Thay đổi tiết diện cuộn dây:

Bóp mạnh cuộn dây dẫn mềm đặt cạnh nam châm → tiết diện giảm → số đường sức từ qua tiết diện giảm → xuất hiện dòng điện cảm ứng.

Kết luận: Khi số đường sức từ xuyên qua tiết diện của cuộn dây dẫn kín biến thiên (thay đổi — tăng hoặc giảm) thì trong cuộn dây đó xuất hiện dòng điện cảm ứng.

Hiện tượng xuất hiện dòng điện cảm ứng được gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ.

Các cách làm biến thiên số đường sức từ qua cuộn dây:

• Di chuyển nam châm lại gần hoặc ra xa cuộn dây.
• Di chuyển cuộn dây lại gần hoặc ra xa nam châm.
• Quay nam châm trước cuộn dây (hoặc quay cuộn dây trong từ trường).
• Đóng/mở công tắc hoặc thay đổi cường độ dòng điện qua nam châm điện.
• Thay đổi tiết diện cuộn dây trong từ trường.

3. Nguyên tắc tạo ra dòng điện xoay chiều

Dòng điện xoay chiều là dòng điện có cường độ và chiều luân phiên thay đổi theo thời gian.

Ví dụ: Dòng điện xoay chiều 50 Hz sẽ thay đổi chiều 100 lần trong 1 giây ($50 \times 2 = 100$, vì mỗi chu kì đổi chiều 2 lần).

Nguyên tắc: Khi quay cuộn dây trong từ trường (hoặc quay nam châm trước cuộn dây), số đường sức từ qua tiết diện cuộn dây tăng, giảm luân phiên theo thời gian → dòng điện cảm ứng đổi chiều liên tục → đó là dòng điện xoay chiều.

Cách dẫn dòng điện ra mạch ngoài: Hai đầu cuộn dây nối với hai vành khuyên (vòng tròn bằng đồng). Hai chổi quét (lá đồng) tì vào hai vành khuyên, nối với mạch ngoài (tải tiêu thụ).

Nguyên tắc tạo dòng điện xoay chiều dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ: Khi số đường sức từ qua tiết diện cuộn dây dẫn kín biến thiên (tăng, giảm luân phiên) theo thời gian, trong cuộn dây xuất hiện dòng điện xoay chiều.

Hai cách tạo dòng điện xoay chiều:

• Cách 1: Cuộn dây quay trong từ trường của nam châm cố định.
• Cách 2: Nam châm quay trước cuộn dây cố định.

II. PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC DẠNG BÀI TẬP

Dạng 1: Xác định trường hợp xuất hiện / không xuất hiện dòng điện cảm ứng

Phương pháp:

• Xét xem số đường sức từ xuyên qua tiết diện cuộn dây dẫn kín có biến thiên (thay đổi) hay không.
• Nếu biến thiên (tăng hoặc giảm) → có dòng điện cảm ứng.
• Nếu không đổi (nam châm đứng yên, từ trường không thay đổi, cuộn dây không chuyển động cắt đường sức từ) → không có dòng điện cảm ứng.
• Lưu ý đặc biệt: cuộn dây chuyển động song song với đường sức từ → số đường sức không đổi → không có dòng điện cảm ứng. Phải chuyển động cắt đường sức từ thì mới có.

Ví dụ 1: Trong các trường hợp sau, trường hợp nào xuất hiện dòng điện cảm ứng trong cuộn dây dẫn kín?

a) Đặt nam châm vĩnh cửu đứng yên trước cuộn dây.

b) Đưa nam châm vĩnh cửu từ ngoài vào trong lòng cuộn dây.

c) Cho cuộn dây chuyển động song song với đường sức từ giữa hai nhánh nam châm chữ U.

d) Đóng/mở công tắc K trong mạch nam châm điện đặt trước cuộn dây.

Lời giải:

a) Không xuất hiện — nam châm đứng yên → số đường sức từ qua cuộn dây không đổi.

b) Có xuất hiện — nam châm di chuyển vào cuộn dây → số đường sức từ tăng → biến thiên.

c) Không xuất hiện — cuộn dây chuyển động song song đường sức từ → số đường sức từ qua tiết diện không thay đổi.

d) Có xuất hiện — đóng/mở K → dòng điện qua nam châm điện thay đổi → từ trường thay đổi → số đường sức từ biến thiên.

Ví dụ 2: Cho khung dây dẫn kín đặt trong từ trường đều. Khung dây quay quanh trục PQ (PQ vuông góc với đường sức từ). Trong khung dây có xuất hiện dòng điện cảm ứng không?

Lời giải:

Khi khung dây quay quanh trục PQ vuông góc với đường sức từ → góc giữa mặt phẳng khung dây và đường sức từ thay đổi liên tục → số đường sức từ xuyên qua tiết diện khung dây biến thiên → có xuất hiện dòng điện cảm ứng.

Tuy nhiên, nếu PQ song song với đường sức từ → khung dây quay nhưng số đường sức qua tiết diện không đổi → không có dòng điện cảm ứng.

Dạng 2: Giải thích hiện tượng cảm ứng điện từ trong thực tế

Phương pháp:

• Xác định nguồn từ trường (nam châm, nam châm điện, dòng điện…).
• Chỉ ra sự biến thiên số đường sức từ qua cuộn dây (nguyên nhân: di chuyển, quay, đóng/mở mạch…).
• Kết luận: số đường sức từ biến thiên → xuất hiện dòng điện cảm ứng (hiện tượng cảm ứng điện từ).

Ví dụ 3: Giải thích vì sao khi cho nam châm vĩnh cửu quay quanh trục thẳng đứng trước cuộn dây dẫn thì kim điện kế bị lệch.

Lời giải:

Khi nam châm quay, các cực của nam châm lần lượt lại gần và ra xa cuộn dây → số đường sức từ xuyên qua tiết diện cuộn dây tăng rồi giảm luân phiên → trong cuộn dây xuất hiện dòng điện cảm ứng → kim điện kế bị lệch. Chiều dòng điện cảm ứng đổi chiều liên tục khi số đường sức từ chuyển từ tăng sang giảm và ngược lại.

Ví dụ 4: Mô tả nguyên tắc hoạt động của đinamô xe đạp.

Lời giải:

Đinamô xe đạp gồm hai bộ phận chính: nam châm và cuộn dây dẫn. Khi bánh xe quay, núm xoay ma sát với bánh xe làm nam châm bên trong đinamô quay theo → số đường sức từ xuyên qua tiết diện cuộn dây biến thiên liên tục → xuất hiện dòng điện cảm ứng trong cuộn dây → dòng điện được dẫn ra ngoài làm sáng đèn xe đạp. Đây là ứng dụng của hiện tượng cảm ứng điện từ.

Dạng 3: Dòng điện xoay chiều — Đặc điểm và tần số

Phương pháp:

• Dòng điện xoay chiều: cường độ và chiều luân phiên thay đổi theo thời gian.
• Tần số $f$ (Hz): số chu kì trong 1 giây. Mỗi chu kì đổi chiều 2 lần.
• Số lần đổi chiều trong 1 giây = $2f$.
• Ví dụ: $f = 50$ Hz → đổi chiều $2 \times 50 = 100$ lần/giây.

Ví dụ 5: Dòng điện xoay chiều sử dụng trong gia đình có tần số 50 Hz. Hỏi trong 1 giây, dòng điện đổi chiều bao nhiêu lần? Trong 0,5 giây thì đổi chiều bao nhiêu lần?

Lời giải:

Mỗi chu kì, dòng điện đổi chiều 2 lần. Tần số 50 Hz nghĩa là 50 chu kì mỗi giây.

Trong 1 giây: $2 \times 50 = 100$ lần đổi chiều.

Trong 0,5 giây: $100 \times 0{,}5 = 50$ lần đổi chiều.

Đáp số: 100 lần/giây; 50 lần trong 0,5 giây.

III. SƠ ĐỒ TƯ DUY

1. Dòng điện cảm ứng

• 1.1. Xuất hiện trong cuộn dây dẫn kín khi số đường sức từ qua tiết diện cuộn dây biến thiên
• 1.2. Nguyên nhân biến thiên: di chuyển nam châm / cuộn dây, quay nam châm / cuộn dây, đóng / mở mạch nam châm điện, thay đổi tiết diện cuộn dây

2. Hiện tượng cảm ứng điện từ

• 2.1. Là hiện tượng xuất hiện dòng điện cảm ứng
• 2.2. Điều kiện: số đường sức từ qua tiết diện cuộn dây kín phải biến thiên
• 2.3. Không biến thiên → không có dòng điện cảm ứng

3. Dòng điện xoay chiều

• 3.1. Cường độ và chiều luân phiên thay đổi theo thời gian
• 3.2. Tần số 50 Hz → đổi chiều 100 lần/giây
• 3.3. Sử dụng rộng rãi: điện gia dụng, công nghiệp, hệ thống điện lưới

4. Nguyên tắc tạo dòng điện xoay chiều

• 4.1. Dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ
• 4.2. Cách 1: Quay cuộn dây trong từ trường nam châm cố định
• 4.3. Cách 2: Quay nam châm trước cuộn dây cố định
• 4.4. Dẫn điện ra ngoài qua vành khuyên + chổi quét

5. Ứng dụng

• 5.1. Đinamô xe đạp
• 5.2. Máy phát điện xoay chiều
• 5.3. Đèn pin nạp điện bằng tay

IV. SAI LẦM THƯỜNG GẶP

Cô Trần Thị Thanh Thảo

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Khoa Học Tự Nhiên THCS

Trình độ: Cử nhân Sư phạm KHTN, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ Tin học, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 6+ năm kinh nghiệm tại Trường THCS Nguyễn Siêu