Câu hỏi tự luận vật lí 7 kết nối tri thức Bài 20: Chế tạo nam châm điện đơn giản

CHƯƠNG VI: TỪ

BÀI 20 - CHẾ TẠO NAM CHÂM ĐIỆN ĐƠN GIẢN

I. NHẬN BIẾT (5 câu)

Câu 1: Trình bày cấu tạo nam châm điện.

Trả lời:

Cấu tạo của nam châm điện gồm: ống dây dẫn, lõi sắt non lồng trong ống dây, hai đầu ống dây nối với 2 cực của nguồn điện. Lõi sắt non có tác dụng làm tăng từ trường của nam châm điện.

Câu 2: Nam châm điện hoạt động như thế nào?

Trả lời:

Hoạt động: Khi cho dòng điện chạy vào ống dây bằng cách đóng khóa K, lúc này trong ống dây sinh ra từ trường. Khi đó ống dây trở thành một nam châm điện.

Câu 3: Từ trường của nam châm điện thay đổi như thế nào khi nam châm điện hoạt động?

Trả lời:

Từ trường của nam châm điện chỉ tồn tại trong thời gian dòng điện chạy qua ống dây; dòng điện thay đổi thì từ trường của nam châm điện thay đổi.

Câu 4: Nêu các bước chế tạo nam châm điện đơn giản.

Trả lời:

• Dụng cụ: Đoạn dây đồng (được sơn cách điện bên ngoài) đường kính 0,2 mm, 1 đinh sắt, dây dẫn, nguồn điện (5 – 6 quả pin), 1 công tắc.
• Các bước:
• Bước 1. Dùng đoạn dây đồng quấn xung quanh đinh sắt, nối hai đầu dây với nguồn điện qua một công tắc như hình vẽ.
• Bước 2. Lần lượt thực hiện các động tác:
• Đóng/ngắt công tắc điện, kiểm tra xung quanh nam châm điện có từ trường không? Bằng cách để các vật có từ tính gần nam châm điện, nếu nam châm điện hút được các vật có từ tính, tức là có từ trường và ngược lại.
• Thay đổi nguồn điện (bằng cách tăng số pin), đóng công tắt điện để kiểm tra độ lớn của lực từ của nam châm điện có thay đổi không?
• Thay đổi cực của nguồn điện; dùng kim nam châm thử để kiểm tra xem chiều của từ trường có thay đổi không?

Câu 5: Nam châm điện được ứng dụng như thế nào?

Trả lời:

Nhờ ưu điểm có thể thay đổi từ trường một cách nhanh chóng mà nam châm điện được ứng dụng rộng rãi trong đời sống, sản xuất cũng như các lĩnh vực nghiên cứu.

II. THÔNG HIỂU (4 câu)

Câu 1: Lấy ví dụ về ứng dụng của nam châm điện.

Trả lời:

Ví dụ: Xe cẩu hút vật liệu từ tính, chuông điện, máy phát điện,...

Câu 2: Nêu ưu điểm của nam châm điện so với nam châm vĩnh cửu.

Trả lời:

• Có thể thay đổi được độ mạnh yếu của nam châm bằng cách thay đổi số vòng dây hoặc thay đổi cường độ dòng điện chạy qua cuộn dây
• Có thể tạo từ trường mạnh hơn nam châm vĩnh cửu
• Có thể ngắt hoàn toàn từ tính của nam châm bằng cách ngắt điện

Câu 3: Nêu nguyên lý hoạt động của nam châm điện.

Trả lời:

• Khi mắc một cuộn dây với nhiều vòng quấn vào nguồn điện, dòng điện sản sinh ra một điện trường E trong các vòng quấn. Khi dòng điện chạy qua các vòng quấn biến đổi của điện trường trong các vòng quấn sinh ra một từ trường B vuông góc với điện trường E. Từ trường của một nam châm điện có thể hút hoặc đẩy các vật liệu từ
• Khi ngắt dòng điện thì từ trường này biến mất, vậy chỉ khi có dòng điện thì cuộn dây mới trở thanh một nam châm điện
• Từ trường của cuộn dây tùy thuộc vào số từ cảm cuộn dây và dòng điện trong cuộn dây. Từ cảm cuộn dây tỉ lệ thuận với chiều dài, số vòng quấn và tỉ lệ nghịch với diện tích của cuộn dây đó
• Khi đặt lõi sắt hoặc lõi thép vào trong một ống dây và cho dòng điện chạy qua ống dây, lõi sắt hoặc lõi thép bị nhiễm từ trở thành một nam châm và làm tăng tác dụng từ của ống dây

Câu 4: Dựa vào đâu để phân loại nam châm điện?

Trả lời:

Hiện nay nam châm điện có khá nhiều dạng khác nhau về mạch từ, cuộn dây, nguồn điện cung cấp. chính vì vậy mà người ta dựa vào các đặc điểm quan trọng như: Nguồn điện, các đặc tính chuyển động xung quanh của phần ứng, dựa vào đặc tính lực hút điện từ, dựa vào sự thay đổi dạng đặc tính của lực hút hay dựa vào thời gian chuyển động của phần ứng mà có những cách phân loại khác nhau.

III. VẬN DỤNG (4 câu)

Câu 1: Trong lĩnh vực y tế, nam châm điện được sử dụng như thế nào trong viện hình ảnh y khoa như MRI (Hình ảnh chụp cắt lớp)?

Trả lời:

• Trong lĩnh vực y tế, nam châm điện được sử dụng trong viện hình ảnh y khoa như MRI để tạo ra hình ảnh cắt lớp các cấu trúc trong cơ thể. Nguyên tắc hoạt động của MRI liên quan đến việc sử dụng từ trường lớn và sóng điện từ để tạo ra cộng hưởng từ từ các nguyên tử hydro trong cơ thể. Khi nguyên tử hydro bị kích thích bởi từ trường và sóng radio, chúng sẽ phát ra tín hiệu từ, từ đó tạo ra hình ảnh cắt lớp chi tiết về cấu trúc mô và cơ quan bên trong cơ thể.
• Nhờ việc sử dụng nam châm điện trong MRI, các chuyên gia y tế có thể xem xét và chẩn đoán các vấn đề y khoa một cách chi tiết và chính xác hơn mà không cần phải sử dụng tia X cũng như các phương pháp chụp cắt khác. MRI cung cấp thông tin hữu ích về cấu trúc và sự hoạt động của các cơ quan và mô trong cơ thể, giúp chẩn đoán các bệnh lý và đánh giá sự phản ứng của bệnh nhân đối với liệu pháp điều trị.

Câu 2: Trong lĩnh vực khoa học vật liệu, nam châm điện được sử dụng như thế nào để nghiên cứu và phát triển vật liệu mới và tiên tiến?

Trả li:

• Tính chất vật lý: Nam châm điện có thể tạo ra từ trường mạnh để điều chỉnh cấu trúc tinh thể và tính chất vật lý của vật liệu. Bằng cách tác động từ trường lên vật liệu trong quá trình sản xuất, nghiên cứu viên có thể điều chỉnh các tính chất vật lý như độ cứng, độ dẻo, độ dẫn điện và độ từ trường của vật liệu.
• Tính chất hóa học: Từ trường có thể ảnh hưởng đến các quá trình hóa học của vật liệu, bao gồm sự tạo ra và sự phân tách pha của các hợp chất. Sử dụng nam châm điện, các nhà nghiên cứu có thể nghiên cứu cách từ trường tác động lên quá trình hình thành và biến đổi cấu trúc hóa học của vật liệu.
• Nghiên cứu nano vật liệu: sử dụng để tạo ra các điều kiện từ trường đặc biệt để nghiên cứu các tính chất đặc trưng của vật liệu ở cấp độ nano.
• Nghiên cứu và phát triển vật liệu từ trường: sử dụng để tạo ra từ trường mạnh nhằm điều khiển quá trình tự động và khai thác các vật liệu từ trường, như vật liệu từ trường mềm, vật liệu từ trường cứng và các hệ thống từ trường thông minh.

Câu 3: Nêu một số ứng dụng của nam châm điện trong công việc hàng ngày.

Trả lời:

• Thẻ tín dụng, thẻ ghi nợ và máy rút tiền tự động: trên các thẻ này đều có thẻ từ bên dưới, dải từ này được làm từ nam châm điện.
• Các màn hình ti vi và máy tính: màn hình TV và máy tính có một ống tia âm cực sử dụng một nam châm điện để hướng dẫn điện tử để màn hình.
• Động cơ điện và máy phát điện: dựa vào sự kết hợp của một nam châm điện và một nam châm vĩnh cửu trong khi máy phát điện thì ngược lại: chuyển đổi năng lượng cơ học thành điện năng bằng cách di chuyển một dẫn thông qua một từ trường.
• Y học: Bệnh viện sử dụng hình ảnh cộng hưởng từ để tại chỗ các vấn đề trong bộ phận cơ thể của bệnh nhân mà không cần phẫu thuật xâm lấn.
• Nam châm điện còn được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và tiêu dùng như động cơ điện, xe bán tải điện, micro, bộ cảm biến, loa phóng thanh, ống sóng đi du lịch, đồ trang sức,… Nam châm điện còn được sử dụng rộng rãi trong các dụng cụ đồng hồ, cảm biến, thiết bị lò vi sóng, thiết bị điều khiển tự động, hàng không, vũ trụ, công nghệ quân sự, vv,…

Câu 4: Trong lĩnh vực sản xuất, nam châm điện được áp dụng như thế nào để tách các vật liệu kim loại từ các vật liệu không tương đồng trong quá trình tái chế?

Trả lời:

• Trong lĩnh vực sản xuất, nam châm điện được sử dụng để tách các vật liệu kim loại từ các vật liệu không tương đồng trong quá trình tái chế. Cụ thể, nam châm điện tạo ra một từ trường mạnh, từ trường này tạo ra một lực hút và tách kim loại ra khỏi các vật liệu không tương đồng.
• Trong quá trình tái chế kim loại, nam châm điện được sử dụng để tách các vật liệu kim loại từ các vật liệu không tương đồng như nhựa, gỗ, và các vật liệu khác. Điều này giúp tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình tái chế và làm sạch kim loại.
• Việc áp dụng nam châm điện trong quá trình tái chế kim loại không chỉ giúp tách rời các kim loại một cách hiệu quả mà còn giúp giảm thiểu lượng chất thải và tối ưu hóa quy trình tái chế.

IV. VẬN DỤNG CAO (2 câu)

Câu 1: Trong lĩnh vực năng lượng, làm thế nào nam châm điện được sử dụng để tạo ra nguồn năng lượng tái tạo, như trong các động cơ điện từ và các máy phát điện gió?

Trả lời:

• Trong lĩnh vực năng lượng, nam châm điện được sử dụng để tạo năng lượng tái tạo thông qua các ứng dụng như động cơ điện từ và máy phát điện gió. Trong động cơ điện từ, nam châm được sử dụng để tạo ra từ trường đổi từ cơ học thành điện, theo nguyên lý điện động học. Việc quay viên nam châm theo hình quạt hoặc xi lanh trong một cuộn dây tạo ra một cực bắc và một cực nam đổi liên tục, tạo ra một dòng điện xoay chiều trong cuộn dây.
• Trong máy phát điện gió, nam châm cũng được sử dụng để tạo ra nguồn năng lượng tái tạo. Cụ thể, trong một máy phát điện gió, các cánh quạt được kết nối với một trục có nam châm, và khi cánh quạt quay do sức gió, nam châm tạo ra từ trường đổi cơ học thành điện trong cuộn dây xung quanh chúng. Quá trình này tạo ra điện áp và dòng điện mà sau đó được chuyển đổi thành năng lượng điện.

Câu 2: Trong ngành công nghiệp ô tô, nam châm điện được ứng dụng như thế nào để tạo ra và điều khiển các hệ thống động cơ và điện tử trong xe hơi?

Trả lời:

• Động cơ điện: Nam châm điện được sử dụng trong động cơ điện, cụ thể là trong motor điện của xe hơi. Các motor điện sử dụng nam châm để tạo ra từ trường cần thiết để biến điện thành chuyển động cơ học.
• Hệ thống điều khiển động cơ: sử dụng trong các cảm biến vị trí và cảm biến tốc độ của động cơ xe hơi. Các cảm biến này sử dụng nguyên lý từ trường để đo lường vị trí và tốc độ quay của các bộ phận động cơ, sử dụng để điều khiển hiệu suất và hoạt động của động cơ.
• Hệ thống thông tin giải trí: sử dụng trong các ứng dụng điện tử trong xe hơi như hệ thống âm thanh, đồng hồ điện tử và các thiết bị điện tử khác.