Động cơ điện & Máy phát điện

Giới thiệu mô phỏng này

Động cơ điện & Máy phát điện là phòng thí nghiệm điện từ học 3D tương tác minh họa cách cùng một cỗ máy vật lý có thể hoạt động như động cơ một chiều hoặc máy phát điện xoay chiều. Khung dây đồng hình chữ nhật quay giữa hai cực Bắc và Nam của nam châm vĩnh cửu trong khi các mũi tên vectơ 3D màu lục hiển thị lực Lorentz F = I L x B trên từng đoạn dây dẫn đang hoạt động. Ở chế độ Động cơ một chiều, cổ góp vành khuyên xẻ rãnh đảo chiều dòng điện trong khung dây sau mỗi nửa vòng quay nên mômen quay tau = N I A B |cos theta| luôn làm rôto quay theo một chiều. Nhấp vào cực nam châm sẽ chuyển sang chế độ Máy phát điện xoay chiều với các vành khuyên liền, tạo ra đồ thị suất điện động xoay chiều hình sin trên bảng dạng sóng 3D.

Học sinh có thể khám phá điều gì

Quan sát các mũi tên lực Lorentz màu lục ở hai cạnh của khung dây đang quay trong chế độ Động cơ một chiều và chú ý cách cổ góp xẻ rãnh đảo chiều dòng điện sau mỗi 180 độ để cạnh dây bên trái luôn bị đẩy hướng lên.
Dùng tay kéo trục rôto đi qua vị trí điểm chết thẳng đứng (theta = 90 độ) để xem vị trí mà mômen quay tạm thời giảm về không.
Chuyển Chế độ máy sang Máy phát điện xoay chiều (Vành khuyên liền) hoặc nhấp vào một cực nam châm, rồi so sánh sóng hình sin đầy đủ trên bảng hiển thị với các xung điện một chiều chỉnh lưu.
Tăng Từ trường B và Số vòng dây N bằng các thanh trượt và kiểm chứng rằng cả mômen quay cực đại lẫn suất điện động cảm ứng đều tăng tuyến tính theo N và B.
Bật và tắt Đường sức từ trường B để quan sát hình học của tích có hướng I L x B qua khe hở không khí.

Mục tiêu học tập

1Sử dụng quy tắc bàn tay trái (hoặc tích có hướng) cho lực từ F = I L x B để xác định chiều của lực tác dụng lên mỗi cạnh của khung dây mang dòng điện.
2Giải thích vì sao động cơ điện một chiều cần có cổ góp vành khuyên xẻ rãnh và chổi than để duy trì mômen quay theo một chiều duy nhất.
3Đối chiếu tín hiệu đầu ra của cổ góp vành khuyên xẻ rãnh (dòng một chiều xung chỉnh lưu) với các vành khuyên liền (dòng xoay chiều hình sin).
4Tính mômen lực từ tau = N I A B cos theta và suất điện động cực đại của máy phát điện epsilon_0 = N B A omega.

Câu hỏi giáo viên thường đặt ra

Cổ góp vành khuyên xẻ rãnh có vai trò gì trong động cơ điện một chiều?

Nếu không có cổ góp, mômen lực từ tác dụng lên khung dây mang dòng điện sẽ đổi chiều sau mỗi nửa vòng quay khi hai cạnh dây đổi chỗ giữa cực Bắc và cực Nam. Cổ góp vành khuyên xẻ rãnh đảo chiều dòng điện trong cuộn dây sau mỗi 180 độ để mômen quay luôn đẩy theo cùng một chiều quay.

Máy phát điện xoay chiều khác với động cơ điện một chiều về cấu tạo như thế nào?

Máy phát điện xoay chiều thay cổ góp xẻ rãnh bằng hai vành khuyên liền—mỗi vành nối cố định với một đầu của khung dây đang quay—nhờ đó điện áp xoay chiều cảm ứng được đưa trực tiếp ra chổi than dưới dạng sóng hình sin mượt mà.

Ở vị trí nào của khung dây thì mômen lực từ đạt giá trị cực đại và cực tiểu?

Mômen quay đạt cực đại khi mặt phẳng khung dây song song với các đường sức từ (theta = 0 độ, cos theta = 1) vì khi đó hai lực có cánh tay đòn lớn nhất. Mômen quay giảm về không khi mặt phẳng khung dây vuông góc với từ trường (theta = 90 độ).

Làm thế nào để tăng điện áp do máy phát điện xoay chiều tạo ra?

Theo định luật cảm ứng điện từ Faraday (epsilon_peak = N B A omega), ta có thể tăng điện áp cực đại bằng cách quấn thêm nhiều vòng dây N trên khung, dùng nam châm mạnh hơn (B lớn hơn), tăng diện tích khung dây A hoặc quay rôto nhanh hơn (tốc độ góc omega lớn hơn).

Nhúng mô phỏng này

Đặt vào hệ thống học tập, blog hoặc trang lớp của bạn — miễn phí.

<iframe src="https://kiwibee.io/vn/simulations/ac-dc-motor-generator-3d-simulation/embed" title="Động cơ điện &amp; Máy phát điện | KiwiBee" loading="lazy" allowfullscreen style="width:100%;height:min(70vh,620px);min-height:420px;border:0;border-radius:16px"></iframe>

Tiếp tục khám phá

Explore an adult male reference body in 3D. Reveal 14 anatomical systems, search thousands of named structures, isolate organs, and pull 2,209 modeled pieces apart to see how the body is organized.

—

Ảnh xem trước của Oral & Maxillofacial Atlas

Explore the head and neck in 3D: 643 source meshes across 14 layers, 47 facial and masticatory muscles, and 77 drawn nerves, vessels and glands the source scan omits. Open any tooth onto its own pulp canal, and follow the seven stages of tooth development.

—