9. Cấu trúc của luận văn
2.2.2.2. Nguyên lý hoạt động
Hai loại động cơ AC chính là động cơ cảm ứng điện từ và động cơ đồng bộ. Động cơ cảm ứng điện từ (hoặc động cơ không đồng bộ) luôn phụ thuộc vào sự khác biệt nhỏ về tốc độ giữa từ trường quay stator và tốc độ trục rotor được gọi là sự trượt tạo ra dòng điện cảm ứng trong cuộn dây rotor. Kết quả là, động cơ cảm ứng điện từ không thể tạo ra mô-men xoắn bằng với tốc độ đồng bộ khi hiện tượng cảm ứng (hoặc trượt) không liên quan hoặc ngừng tồn tại. Ngược lại, động cơ đồng bộ không phụ thuộc vào cảm ứng điện từ - trượt trong hoạt động và sử dụng nam châm vĩnh cửu, các cực từ lồi hoặc cuộn dây rôto độc lập. Động cơ đồng bộ tạo ra mô-men xoắn danh định bằng chính xác với tốc độ đồng bộ. Hệ thống động cơ đồng bộ nguồn đôi rô-to dây quấn không chổi than có một cuộn dây rôto độc lập được kích thích không phụ thuộc vào nguyên tắc cảm ứng - trượt của dòng điện. Động cơ đồng bộ nguồn đôi rô-to dây quấn không chổi than là động cơ đồng bộ có thể hoạt động bằng chính xác tần số nguồn cấp hay bằng bội số của tần số cung cấp.
Các loại động cơ khác bao gồm động cơ dòng điện xoáy, máy móc chuyển mạch cơ học AC và DC, trong đó tốc độ phụ thuộc vào kết nối cuộn dây và điện áp.
Hình 2. 9. Nguyên lí hoạt động của động cơ điện xoay chiều 2.2.2.3. Cấu tạo
Về phần cấu tạo, động cơ điện xoay chiều gồm có hai phần chính: stator và rotor. Stato gồm các cuộn dây của ba pha điện quấn trên các lõi sắt bố trí trên một
vành tròn để tạo ra từ trường quay. ... Khi mắc động cơ vào mạng điện xoay chiều, từ trường quay do stato gây ra làm cho rôto quay trên trục.
Hình 2. 10. Cấu tạo động cơ điện xoay chiều
2.2.3. Nội dung kiến thức vật lí áp dụng ở Động cơ điện
- Khái niệm Từ trường
+ Từ trường là một dạng vật chất, mà biểu hiện cụ thể là sự xuất hiện lực từ tác dụng lên một nam châm hay một dòng điện đặt trong khoảng không gian có từ trường.
- Đường sức từ
+ Tại một điểm trong không gian có từ trường, hướng của từ trường là hướng Nam - Bắc của kim nam châm nhỏ nằm cân bằng tại điểm đó.
+ Đường sức từ là những đường vẽ ở trong không gian có từ trường, sao cho tiếp tuyến tại mỗi điểm có phương trùng với phương của từ trường tại điểm đó.
+ Các tính chất của đường sức từ.
* Qua mỗi điểm trong không gian có từ trường chỉ vẽ được một đường sức từ. * Các đường sức từ là những đường cong khép kín hoặc vô hạn ở hai đầu. * Chiều của các đường sức từ tuân theo những quy tắc xác định (quy tắc nắm tay phải, quy tắc vào Nam ra Bắc).
* Quy ước vẽ các đường sức từ sao cho chổ nào từ trường mạnh thì các đường sức từ mau và chổ nào từ trường yếu thì các đường sức từ thưa.
- Lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn mang dòng điện. Cảm ứng từ
+ Lực từ 𝐹⃗tác dụng lên phần tử dòng điện đặt trong từ trường đều, tại đó cảm ứng từ là 𝐵⃗⃗:
* Có điểm đặt tại trung điểm của l; * Có phương vuông góc với 𝑙⃗ và 𝐵⃗⃗ * Có chiều tuân theo qui tắc bàn tay trái;
* Có độ lớn: F =BIlsin với α là góc tạo bới hướng của vecto cảm ứng từ và hướng của dòng điện.
+ Tại mỗi điểm trong không gian có từ trường xác định một véc tơ cảm ứng từ 𝐵⃗⃗, đặc trưng cho từ trường tại đó về phương diện tác dụng lực. Cảm ứng từ 𝐵⃗⃗
* Có hướng trùng với hướng của từ trường; * Có độ lớn bằng
sin
Il F
B= , với F là độ lớn của lực từ tác dụng lên phần tử dòng điện có độ dài l, cường độ I, α là góc hợp bởi hướng của từ trường tại điểm đó và dây dẫn.
Cảm ứng từ của dòng điện thẳng, dài r
I B=2.10−7
Cảm ứng từ tại tâm của khung dây điện tròn
R I N B=2.10−7 Cảm ứng từ trong lòng ống dây điện hình trụ dài B=4nI
* Đơn vị cảm ứng từ là tesla (T).
- Nguyên lý chồng chất từ trường: BM =B1+B2+ +... Bn
- Mômen ngẫu lực từ
+ Momen ngẫu lực từ tác dụng lên khung dây N vòng là: M = N.B.I.S.sinθ * N là số vòng dây luôn không đổi.
* B là từ trường đều và cũng không đổi trong quá trình khung quay.
* I là cường độ dòng điện chạy trong khung và được giữ cố định nên cũng không đổi.
* S là diện tích khung dây và diện tích này cũng không đổi khi khung quay. * θ là góc hợp bởi giữa vecto cảm ứng từ và vecto pháp tuyến của mặt phẳng khung dây (µ). Hình vẽ dưới đây mô tả θ = 900 và θ= 00
θ = 900 θ= 00 2.3. Xây dựng nội dung chủ đề Động cơ điện
Khi thực hiện nhiệm vụ của chủ đề, học sinh không chỉ có cơ hội vận dụng những kiến thức của môn vật lí mà còn có cơ hội vận dụng các kiến thức của các môn học liên quan khác thuộc lĩnh vực STEM, nhờ đó mà kiến thức của các em được khắc sâu đồng thời biết cách vận dụng các kiến thức đó vào thực tiễn.
Để thực hiện được nhiệm vụ của chủ đề thì học sinh cần huy động các kiến thức
của các môn học STEM, bao gồm:
Bảng 2. 1. Nội dung kiến thức STEM trong chủ đề
Chủ đề: Động cơ điện
STT STEM Nội dung kiến thức
1 Khoa học (S)
- Kiến thức về từ trường + Khái niệm Từ trường + Đường sức từ
+ Lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn mang dòng điện. Cảm ứng từ
+ Nguyên lý chồng chất từ trường + Momen ngẫu lực từ
- Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của động cơ 1 chiều - An toàn về điện.
2 Công nghệ (T)
- Biết cuốn khung dây, lắp ráp động cơ
- Biết cách dùng máy đo điện đa năng, kéo, súng bắn keo, tua-vit,...
3 Kĩ thuật (E)
- Vẽ được sơ đồ cấu tạo sao cho động cơ điện có thể quay, thay đổi tốc độ quay.
- Quy trình kĩ thuật thiết kế, chế tạo, thử nghiệm, điều chỉnh
- Quy trình sử dụng sản phẩm khi hoàn thành. 4 Toán
(M)
- Đo đạc các kích thước của các chi tiết để chế tạo sản phẩm theo bản vẽ.
- Tính công suất và hiệu suất của động cơ điện - Tính toán mua sắm thiết bị sao cho tiết kiệm.
Bảng 2. 2. Kế hoạch thực hiện chủ đề
1,2 Tìm hiểu về từ trường, đường sức từ, lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn mang dòng điện, đặc điểm của lực từ, cảm ứng từ
3 Tìm hiểu về động cơ điện
Thiết kế phương án chế tạo động cơ điện 1 chiều 4 Trình bày, cải tiến động cơ điện 1 chiều
Thực hiện chủ đề trong 15 ngày trong đó có 3 tiết trên lớp
2.4. Thiết kế phương án dạy học chủ đề STEM về Động cơ điện