CHƯƠNG 2. TỔ CHỨC HOẠT ĐỘNG NGOẠI KHÓA VỀ DẠY HỌC CÁC ỨNG DỤNG KĨ THUẬT CỦA CHƯƠNG TỪ TRƯỜNG
2.3. K ế hoạch tổ chức hoạt động ngoại khóa
2.3.2. Xác định nội dung của hoạt động ngoại khóa
2.3.2.2. N ội dung các nhiệm vụ giao cho các nhóm học sinh
Nội dung thứ nhất: Tìm hiểu cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của một số thiết bị kĩ thuật có ứng dụng từ trường trong cuộc sống.
- Nhiệm vụ 1: Tìm hiểu cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của động cơ điện một chiều.
- Nhiệm vụ 2: Tìm hiểu cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của tàu đệm từ.
- Nhiệm vụ 3: Tìm hiểu cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của điện kế khung quay.
- Nhiệm vụ 4: Tìm hiểu cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của loa điện động.
- Nhiệm vụ 5: Tìm hiểu cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của Rơ-le điện từ.
- Nhiệm vụ 6: Tìm hiểu cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của thiết bị ghi âm băng từ.
- Nhiệm vụ 7: Tìm hiểu cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của máy MRI chụp cộng hưởng từ trong Y học.
- Nhiệm vụ 8: Tìm hiểu cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của máy gia tốc hạt.
Nội dung thứ hai: Thiết kế, chế tạo đồ chơi Vật lí ứng dụng của Từ trường.
- Nhiệm vụ 1: Thiết kế, chế tạo đại bác điện tử.
- Nhiệm vụ 2: Thiết kế, chế tạo xe chạy trên đệm từ trường.
- Nhiệm vụ 3: Thiết kế, chế tạo động cơ điện một chiều. - Nhiệm vụ 4: Thiết kế, rơ-le điện từ.
Nội dung thứ ba: Phần thi tài, các nhóm sẽ thi với nhau về các kiến thức trong chương từ trường.
- Phần khởi động: các đội trả lời nhanh các câu hỏi.
- Phần vượt chướng ngại vật: giải ô chữ.
- Phần về đích: các đội sẽ mô tả một từ nào đó bằng cách nêu lại những khái niệm Vật lí trong chương “Từ trường” đã học.
Nội dung thứ ba này sẽ được tổ chức trong buổi sinh hoạt chung cả lớp, sau khi các nhóm trình bày về kết quả tìm hiểu cấu tạo và nguyên tắc hoạt động các ứng dụng kĩ thuật cũng như kết quả thiết kế chế tạo các mô hình vật chất ứng dụng kĩ thuật của các kiến thức chương “Từ trường”.
Để tổ chức HĐNK về các ứng dụng kĩ thuật của từ trường đạt hiệu quả nhằm phát huy tính tích cực và phát triển năng lực sáng tạo của HS, việc đầu tiên, chúng tôi phải tìm hiểu cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của các thiết bị kĩ thuật, nghiên cứu, thiết kế, chế tạo các mô hình dự kiến sẽ gợi ý cho các nhóm HS chế tạo, qua đó xác định được những khó khăn mà HS sẽ gặp phải khi thực hiện. Từ đó, chúng tôi đề ra các phương án hướng dẫn, hỗ trợ HS vượt qua khó khăn để hoàn thành các nhiệm vụ được giao.
a) Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của một số thiết bị kĩ thuật có ứng dụng từ trường trong cuộc sống
Động cơ điện một chiều
- Cấu tạo: Gồm khung dây, nam châm, bộ góp điện gồm hai bán khyên và hai chổi quét.
Hình 2.1.Cấu tạo động cơ điện một chiều
- Hoạt động: Nguồn điện qua bộ góp điện cung cấp dòng điện một chiều chạy vào khung dây. Do khung dây được đặt trong từ trường nên có một ngẫu lực tác dụng lên khung dây làm cho khung quay. Lực từ giảm dần do góc giữa khung dây và từ trường giảm đến khi pháp tuyến của khung dây song song với từ trường. Theo quán tính nên khung dây sẽ quay quá đi một chút. Qua bộ góp điện gồm hai bán khuyên và hai chổi quét làm cho dòng điện được đổi chiều trong khung quay, nhưng do khung dây cũng đã đổi chiều nên khung dây lại tiếp tục nhận được lực của từ trường tác dụng lên khung dây giống như nữa vòng quay đầu. Do đó luôn tồn tại momen ngẫu lực tác dụng lên khung dây làm cho nó quay theo một chiều [9], [11].
- Cấu tạo động cơ điện một chiều trong kĩ thuật: Trong kĩ thuật người ta thay nam châm vĩnh cửu bằng nam châm điện để tạo ra từ trường mạnh hơn.
Khung dây ABCD được thay bằng nhiều cuộn dây đặt lệch nhau và song song với trục của khối trụ làm bằng các lá thép kĩ thuật ghép lại.
Hình 2.2.Cấu tạo động cơ điện một chiều trong kĩ thuật
Tàu đệm từ (tàu maglev)
Hình 2.3.Tàu đệm từ - Cấu tạo: gồm:
+ Các cuộn dây từ hóa được xếp dọc theo đường dẫn (đường ray).
+ Bánh đáp của tàu có các nam châm có từ trường rất mạnh.
- Hoạt động:
+ Có 3 đặc tính chủ yếu trong hệ Tàu đệm từ trường : o Nâng lên trong từ trường.
o Chuyển động trong từ trường.
o Định hướng, và điều khiển chuyển động.
+ Cách treo điện động EDS (electrodynamic suspension): Các cuộn dây từ hóa trên đường dẫn đẩy các nam châm trên bánh đáp của tàu, làm cho tàu có thể bay lên từ 1 cm đến 10 cm trên đường dẫn. Nam châm ở trên tàu phải là mạnh và nhẹ nên người ta dùng nam châm siêu dẫn, thực chất chỉ là cuộn dây điện làm bằng chất siêu dẫn, lúc làm lạnh ở nhiệt độ rất thấp, điện trở của cuộn dây bằng không. Nhờ vậy có thể cho dòng điện cực lớn chạy qua mà không sợ nóng lên do hiệu ứng Joule. Cuộn dây siêu dẫn có dòng điện lớn chạy qua, không cần lõi sắt, vẫn cho từ trường rất mạnh. Khi tàu được nâng lên, dòng điện cung cấp cho các cuộn dây trong đường dẫn liên tục luân phiên thay đổi cực của các cuộn dây từ hóa. Sự thay đổi cực gây ra từ trường ở phía trước con tàu kéo tàu về trước, trong khi từ trường phía sau tăng thêm lực đẩy tàu về trước.
Hình 2.4.Cơ chế nâng tàu lên bằng lực từ
Hình 2.5. Cơ chế đẩy tàu đi bằng lực từ
+ Cách treo điện từ EMS (electromagnetic suspension): Tàu được bố trí chạy trên một đường dẫn dạng thanh dầm hình chữ T dưới thanh dầm có gắn hai đường ray sắt (hình 2.2e). Đáy tàu có hai cái ngàm ngậm vào thanh dầm chỗ đường ray. Ở chỗ ngàm của tàu có bố trí các nam châm điện cũng như dọc theo đường dẫn có bố trí ngầm các nam châm điện. Các nam châm điện này tạo ra lực hút mạnh vào thanh sắt dưới thanh dầm, tàu bị kéo lên, cao khoảng 10mm tạo ra đệm không khí. Các nam châm điện cũng làm nhiệm vụ đẩy tàu tiến về phía trước nhờ thay đổi nhịp nhàng chiều dòng điện trong các cuộn dây liên tiếp để tàu bị nam châm điện hút về phía trước và đẩy ở phía sau. Các nam châm điện cũng được dùng để tự động chỉnh cho con tàu khi chạy luôn nổi cách mặt thanh dầm một khoảng cách nhất định là 10 mm và luôn cân xứng ở giữa đường dẫn, không bao giờ để cho va chạm [24], [25].
Hình 2.6.Tàu điện ở Thượng Hải Hình 2.7.Đường ray tàu theo EMS Điện kế khung quay
- Cấu tạo: Ampe kế và vôn kế thực chất là điện kế khung quay có cấu tạo:
+ (1): Nam châm vĩnh cửu
+ (2): Lò xo xoắn kéo cuộn dây và kim về vị trí số 0 khi không có dòng điện
+ (3): Chốt giữ lò xo + (4): Thước hình cung
+ (5): Khung dây dẫn điện có thể quay quanh trục quấn bên ngoài lõi sắt + (6): Kim chỉ góc quay trên thước hình cung
+ (7): Lõi sắt
Hình 2.8.Cấu tạo điện kế khung quay
- Hoạt động: Khi cho dòng điện một chiều vào trong khung thì ngẫu lực từ làm khung quay lệch khỏi vị trí lúc đầu. Khi đó các lò xo xoắn sẽ sinh ra lực cản. Khung càng lệch xa vị trí cân bằng thì momen cản càng lớn. Đến khi momen cản cân bằng với momen ngẫu lực từ thì khung dừng lại. Người
ta chứng minh rằng khi khung cân bằng thì góc lệch ra khỏi vị trí ban đầu tỉ lệ với cường độ dòng điện trong khung.
Để biến điện kế thành ampe kế ta mắc thêm sơn (mắc thêm điện trở nhỏ song song với điện kế). Để biến điện kế thành vôn kế thì mắc thêm điện trở phụ (mắc thêm điện trở nối tiếp với điện kế) [11], [26].
Loa điện động - Cấu tạo:
Hình 2.9. Cấu tạo loa điện động
Loa điện động có cấu tạo gồm các bộ phận chính: nam châm, lõi thép, cuộn dây, màng loa, giá đỡ.
Cuộn dây được gắn với màng loa và đặt trong từ trường mạnh giữa 2 cực của nam châm , cực N là lõi có dạng hình trụ, cực S là phần xung quanh có dạng ống trụ. Hai cực được đặt đồng trục và giữa hai cực có một khoảng trống. Ống dây được đặt trong khoảng trống này và đồng trục với các cực của nam. Nam châm có thể được sử dụng là nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện. Một đầu ống dây gắn với màng loa [9].
- Hoạt động: Khi cho dòng điện chạy qua ống dây, vì cuộn dây được đặt trong từ trường nên khi có dòng điện qua ống dây, tại mỗi điểm trên dây dẫn của ống dây, dòng điện luôn vuông góc với cảm ứng từ 𝐵�⃗ của nam châm nên lực từ sẽ tác dụng lên ống dây theo phương vuông góc với mặt phẳng của ống dây, nghĩa là đẩy ống dây dịch chuyển dọc theo trục của nó.
Nếu đổi chiều dòng điện thì lực từ cũng đổi chiều và ống dây sẽ dịch chuyển theo chiều ngược lại. Một đầu ống dây được gắn với màn đàn hồi
gọi là màng loa, màng loa này cũng sẽ dịch chuyển tạo ra sóng âm mà tai người nghe được.
Khi nói trước micrô thì âm đến đập vào màng micrô làm cho màng micrô bị rung. Do cách cấu tạo của micrô (micrô điện động có cấu tạo tương tự như loa điện động) nên khi màng micrô rung tạo nên dòng điện biến đổi tương ứng. Dòng điện đó được khuếch đại và đưa vào ống dây động của loa.
Vì dòng điện trong ống dây động là dòng điện biến đổi nên nó làm cho ống dây rung dọc theo trục của nó. Do đó màng M gắn với ống dây cũng bị rung theo và phát ra âm [9], [27], [28], [29].
Rơle điện từ - Cấu tạo:
+ (1) Cuộn dây để tạo nam châm điện + (2) Tiếp điểm
+ (3) Lò xo giúp kéo thanh sắt về vị trí ban đầu khi không có dòng điện qua cuộn dây
+ (4) Khóa K
Hình 2.10. Cấu tạo rơle điện từ Hình 2.11. Rơle khi hoạt động
- Hoạt động: Khi đóng khóa K, dòng điện chạy qua cuộn dây sinh ra từ trường cho nêm thanh sắt bị hút và tiếp xúc với tiếp điểm làm cho mạch điện ở trên kín, cho dòng điện chạy qua mạch. Khi ngắt khóa K, từ trường trong cuộn dây mất đi, lò xo sẽ kéo thanh sắt về vị trí ban đầu nên mạch điện ở trên không có dòng điện chạy qua.
Tác dụng của rơle là dùng dòng điện nhỏ để điều khiển đóng mạch cho dòng điện lớn gấp nhiều lần. Rơle điện từ được sử dụng trong mạch chuông báo động, điều khiển động cơ (động cơ xe hơi…), chiếu sáng.
Thiết bị ghi âm băng từ - Cấu tạo:
+ (1) Nam châm điện + (2) Khe từ
+ (3) Lớp nền của băng từ
+ (4) Lớp bột sắt từ cứng (thường là oxit sắt) của băng từ
Hình 2.12. Cấu tạo thiết bị ghi âm băng từHình 2.13. Cuộn băng từ
- Hoạt động: Đầu tiên, chuyển dao động âm thành dao động điện, cụ thể là chuyển thành dòng điện biến đổi trong đầu ghi phản ánh đúng dao động âm.
Tiếp theo là dòng điện biến đổi gây ra từ trường biến đổi trong khoảng giữa hai cực của đầu ghi. Cuối cùng, từ trường ở hai cực của đầu ghi gây ra sự từ hóa lớp bột từ trên băng từ phản ánh đúng sự biến đổi của dòng điện trong đầu ghi, nghĩa là phản ánh đúng dao động của âm [11], [30].
MRI chụp cộng hưởng từ trong Y học
- Cấu tạo: Thiết bị MRI gồm bốn phần chính: nam châm tạo từ trường không đổi, cuộn dây tạo từ trường biến thiên theo không gian, cuộn phát thu sóng điện từ và hệ thống máy tính xử lý.
Hình 2.14. Cấu tạo thiết bị MRI
+ Một nam châm lớn dạng hình trụ, rỗng bên trong, đủ lớn để bệnh nhân có thể nằm lọt bên trong. Nam châm này sẽ tạo ra từ trường B0 đồng nhất (cố định) ở không gian bên trong ống trụ này. Chúng ta thường nghe nói MRI 1.5T, thì 1.5T chính là giá trị B0. Hiện nay, thiết bị MRI dùng trong nghiên cứu có thể đạt tới 7T. Từ trường B0 làm cho các mômen từ trong mô (kí hiệu M) sắp xếp theo chiều của B0. Đối với các hệ thống MRI kín, cường độ từ trường cao, phải dùng nam châm siêu dẫn.
+ Một cuộn tạo từ trường biến thiên tạo ra các từ trường tĩnh theo thời gian, nhưng thay đổi theo không gian. Các từ trường biến thiên theo không gian này cần để chọn lớp cắt. Ngoài ra, nó còn để xác định vị trí trong lớp cắt được chọn.
Hình 2.15. Cuộn dây tạo từ trường biến thiên theo không gian
+ Một cuộn phát thu sóng điện từ RF (radiofrequency coil), để phát ra xung điện từ B1 làm xoay từ trường M ra khỏi chiều của từ trường B0
và để thu nhận tín hiệu cộng hưởng do quá trình xoay của từ trường M về lại chiều ban đầu dưới tác dụng của B0.
+ Máy tính và các phụ kiện để quản lý nam châm, bộ phát thu, và cuộn tạo từ trường biến thiên; để xử lý và lưu trữ tín hiệu cộng hưởng từ; và để tái tạo, lưu trữ và hiển thị ảnh.
- Hoạt động: Ở phương pháp chụp ảnh cộng hưởng từ hạt nhân MRI (Magnetic Resonnance Imaging), người ta đưa cơ thể bệnh nhân vào vùng có từ trường một chiều rất mạnh, hiện nay phổ biến là dùng từ trường sinh ra do cuộn dây siêu dẫn có dòng điện rất lớn chạy qua. Trong cơ thể có những nguyên tử mà hạt nhân có momen từ tương tự như có gắn một thanh nam châm cực nhỏ. Dưới tác dụng của từ trường ngoài, momen từ của hạt nhân nguyên tử quay đảo tương tự như con quay dưới tác dụng của trọng trường trên mặt đất. Nếu hạt nhân đang quay đảo với tần số 𝜔 mà có thêm sóng vô tuyến cùng tần số 𝜔 tác dụng, hạt nhân sẽ quay đảo cực mạnh vì có hiện tượng cộng hưởng. Đó là cộng hưởng từ hạt nhân. Khi ngừng tác dụng sóng vô tuyến, hạt nhân sẽ từ trạng thái quay đảo cực mạnh trở về trạng thái quay đảo bình thường. Hạt nhân có momen từ quay như vậy sẽ sinh ra sóng điện từ phát ra không gian xung quanh, có thể đo được sóng điện từ đó nếu đặt vào đấy một cuộn dây điện.
Việc hạt nhân từ trạng thái quay đảo mạnh do cộng hưởng trở về trạng thái quay đảo bình thường nhanh hay chậm còn tùy thuộc vào các nguyên tử quanh hạt nhân cản trở chuyển động quay ít hay nhiều. Ví dụ, hạt nhân của nguyên tử H trong phân tử nước (H2O) của máu, từ trạng thái cộng hưởng quay về trạng thái thường rất nhanh nếu máu đang lưu thông trong mạch máu, trái lại quay về rất chậm nếu máu chảy thấm ra ngoài thịt, mỡ.
Ở máy MRI, người ta có thể tạo ra cộng hưởng ứng với một loại hạt nhân nào đó (ví dụ hạt nhân hyđrô) trong từng thể tích cỡ milimet khối của não và theo dõi trạng thái cộng hưởng. Lần lượt quét thể tích có cộng hưởng
này, sẽ có được hình ảnh cộng hưởng từ hạt nhân ở từng lớp. Có thể theo dõi ảnh để biết được cấu tạo bên trong của não lúc cơ thể đang sống (biết được có chảy máu trong não hay không, chảy ở chỗ nào). Có thể dùng MRI để theo dõi hoạt động của não, ví dụ như khu vực nào của não hoạt động, máu đưa oxy về vùng đó mạnh hay yếu... [31], [32], [33].
Máy gia tốc hạt
- Cấu tạo: Thiết bị dùng điện trường hay cả điện trường và từ trường để tăng tốc các hạt tích điện đều được gọi chung là máy gia tốc hạt. Có 2 loại máy gia tốc là: máy gia tốc thẳng và máy gia tốc vòng. Trong máy gia tốc thẳng các hạt mang điện sẽ được tăng tốc nhờ điện trường. Còn trong máy gia tốc vòng là loại máy gia tốc trong đó các hạt chuyển động theo các đường vòng nhờ từ trường của nam châm có dạng thích hợp để uốn cong quĩ đạo của hạt và tăng tốc các hạt nhờ điện trường. Ở đây GV chỉ yêu cầu HS tìm hiểu về cấu tạo và hoạt động của máy gia tốc xiclôtrôn như ở SGK.
Hình 2.16. Nguyên tắc cấu tạo của xiclotron
Máy xiclotron có hai hộp rỗng hình chữ D (D1, D2) làm bằng đồng ghép với nhau thành một hình tròn được đặt trong chân không. Hai cạnh thẳng của các các hộp ấy không đặt sát nhau hoàn toàn mà cách nhau một khoảng hẹp.
Hai hộp được nối với hai cực của nguồn điện có chiều thay đổi một cách tuần hoàn theo thời gian, hai hộp D1 và D2 trở thành hai điện cực. Vì vây, trong khoảng hẹp của chúng có điện trường luôn thay đổi một cách tuần