Slide bài giảng Vật lí 12 kết nối Bài 18: Ứng dụng hiện tượng cảm ứng điện từ

Tóm lược nội dung

BÀI 18. ỨNG DỤNG HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ

KHỞI ĐỘNG

Sạc điện không dây ngày càng được sử dụng rộng rãi để sạc điện thoại, đồng hồ thông minh, máy hút bụi,…Sạc điện thoại hoạt động dựa trên hiện tượng nào để truyền điện từ nguồn điện đến điện thoại?

Trả lời rút gọn:

Dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ để truyền điện từ nguồn điện đến điện thoại.

I. MÁY BIẾN ÁP

Hoạt động 1: Dựa vào biểu thức suất điện động cảm ứng của định luật Faraday: 

Hãy chứng tỏ mối liên hệ sau:

Trong đó, U₁ và U₂ lần lượt là điện áp hiệu dụng giữa hai đầu cuộn dây sơ cấp và cuộn dây thức cấp; với N₁ và N₂ lần lượt là số vòng dây của cuộn sơ cấp và thứ cấp.

Trả lời rút gọn:

Nhìn vào biểu thức, ta thấy suất điện động cảm ứng tỉ lệ thuận với số vòng dây nên ta có: mà tỉ số không thay đổi theo thời gian nên ta có thể thay bằng giá trị hiệu dụng: .

Điện trở thuần của cuộn sơ cấp rất nhỏ nên , khi mạch thứ cấp hở nên .

Từ những điều trên ta có được: .

Hoạt động 2: Giải thích nguyên nhân xuất hiện điện áp u₂ ở hai đầu cuộn thứ cấp.

Trả lời rút gọn:

- Từ trường biến thiên: Khi dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn sơ cấp, nó tạo ra từ trường biến thiên trong lõi sắt của máy biến áp. Từ trường biến thiên này luôn xuyên qua cả cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp. Theo định luật Faraday, sự biến thiên từ thông qua cuộn dây sẽ sinh ra suất điện động cảm ứng trong cuộn dây. Do đó, từ trường biến thiên do dòng điện ở cuộn sơ cấp tạo ra sẽ sinh ra suất điện động cảm ứng, hay điện áp u2, ở hai đầu cuộn thứ cấp.

- Tác dụng cảm ứng điện từ: Khi dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn sơ cấp, nó sẽ tạo ra từ trường biến thiên. Từ trường biến thiên này cũng sẽ tác dụng lên các vòng dây của cuộn thứ cấp, tạo ra dòng điện cảm ứng. Dòng điện cảm ứng này sẽ tạo ra điện áp u2 ở hai đầu cuộn thứ cấp.

- Ngoài ra còn phụ thuộc vào số vòng dây của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp, tần số của dòng điện xoay chiều, chất liệu lõi sắt.

II. ĐÀN GHI TA ĐIỆN

Câu hỏi 1: Trong Hình 18.4, khi gảy dây đàn (3) thì nó dao động. Khi đó, từ trường của đoạn dây đàn (3) gây ra sự biến thiên từ thông qua cuộn dây cảm ứng (2) như thế nào?

Trả lời rút gọn:

Khi dây đàn dao động thì dòng điện chạy qua dây đàn (3) sẽ tạo ra từ trường xung quanh dây đàn. Từ trường này có hướng và độ lớn thay đổi theo thời gian, phụ thuộc vào dao động của dây đàn. Từ trường biến thiên của dây dần (3) sẽ cắt ngang các vòng dây của cuộn dây cảm ứng (2). Theo định luật Faraday, sự biến thiên từ thông qua cuộn dây (2) sẽ sinh ra suất điện thông cảm ứng trong cuộn dây. Suất điện động cảm ứng có chiều và độ lớn phụ thuộc vào tốc độ biến thiên từ thông, số vòng dây của cuộn dây và hướng tương đối giữa từ trường và cuộn dây.

Hoạt động 1: Tại sao dây đàn ghi ta điện cần làm bằng thép?

Trả lời rút gọn:

- Từ tính: Thép có tính từ cao, giúp tạo ra tín hiệu mạnh hơn khi rung động trong từ trường của pickup. Dây làm bằng vật liệu khác như nickel hoặc nylon có từ tính thấp hơn, dẫn đến tín hiệu yếu hơn và âm thanh kém vang hơn.

- Độ bền: Thép có độ bền cao, chịu được lực căng và rung động mạnh khi chơi đàn. Dây làm bằng vật liệu khác có thể dễ bị đứt hoặc dão hơn, đặc biệt khi chơi với cường độ cao.

- Độ sáng âm thanh: Thép tạo ra âm thanh sáng và sắc nét hơn so với các vật liệu khác. Âm thanh sáng phù hợp với nhiều thể loại nhạc rock, blues và metal.

- Độ ngân: Thép có độ ngân dài hơn so với các vật liệu khác. Độ ngân dài giúp tạo ra âm thanh du dương và mượt mà hơn.

- Giá thành: Dây thép có giá thành rẻ hơn so với dây làm bằng các vật liệu khác như nickel hoặc titanium.

Hoạt động 2: Vì sao đàn ghi ta điện có cấu tạo đặc và không có hộp cộng hưởng mà ta vẫn nghe được âm thanh phát ra từ dây đàn?

Trả lời rút gọn:

Nguyên lý hoạt động: Đàn guitar điện hoạt động dựa trên nguyên tắc cảm ứng điện từ. Khi gảy dây đàn, dao động của dây sẽ tạo ra từ trường biến thiên. Từ trường này sẽ cắt ngang các vòng dây của pickup, tạo ra suất điện động cảm ứng. Suất điện động này được khuếch đại bởi amplifier và biến thành âm thanh mà ta nghe được.

Cấu tạo đặc: Đàn guitar điện có cấu tạo đặc vì không cần hộp cộng hưởng để khuếch đại âm thanh. Âm thanh được khuếch đại bởi amplifier nên không cần hộp cộng hưởng.

Hoạt động 3: Vận dụng biểu thức về suất điện động cảm ứng:

Hãy giải thích vì sao khi gảy dây đàn mạnh hoặc nhẹ thì độ to của âm thay đổi tương ứng.

Trả lời rút gọn:

- Khi gảy dây đàn mạnh, biên độ dao động của dây đàn lớn hơn.

- Biên độ dao động lớn hơn dẫn đến từ thông qua cuộn dây biến thiên nhanh hơn.

- Theo biểu thức: ( tốc độ biến thiên từ thông) lớn hơn sẽ dẫn đến e (suất điện động cảm ứng) lớn hơn.

- Mà suất điện động cảm ứng lớn hơn tương ứng với tín hiệu âm thanh cũng lớn hơn, dẫn đến âm thanh to hơn.

- Ngược lại khi gảy dây đàn nhẹ thì biên độ dao động của dây đàn nhỏ hơn thì từ đó ( tốc độ biến thiên từ thông) nhỏ hơn sẽ dẫn đến e (suất điện động cảm ứng) nhỏ hơn, có được âm thanh nhỏ hơn.

Câu hỏi 2: Nêu một số ứng dụng đơn giản khác của hiện tượng cảm ứng điện từ trong cuộc sống.

Trả lời rút gọn:

- Bếp từ: Bếp từ sử dụng nguyên lý cảm ứng điện từ để tạo ra nhiệt.Khi đặt nồi nấu lên bếp, dòng điện chạy qua cuộn dây dưới mặt bếp sẽ tạo ra từ trường. Từ trường này sẽ sinh ra dòng điện Foucault trong nồi nấu, làm nóng nồi và thức ăn.

- Máy biến áp: Máy biến áp sử dụng nguyên lý cảm ứng điện từ để thay đổi điện áp của dòng điện. Cuộn dây sơ cấp của máy biến áp được nối với nguồn điện. Khi dòng điện chạy qua cuộn dây sơ cấp, nó sẽ tạo ra từ trường. Từ trường này sẽ sinh ra suất điện động cảm ứng trong cuộn dây thứ cấp. Tỷ số điện áp giữa cuộn dây sơ cấp và cuộn dây thứ cấp bằng tỷ số vòng dây giữa hai cuộn dây.

- Máy phát điện:Máy phát điện sử dụng nguyên lý cảm ứng điện từ để biến đổi năng lượng cơ học thành năng lượng điện. Rotor của máy phát điện quay trong từ trường của stator. Theo định luật Faraday, sự chuyển động tương đối giữa từ trường và dây dẫn sẽ tạo ra suất điện động cảm ứng. Suất điện động cảm ứng được dẫn ra ngoài qua các dây dẫn và được sử dụng để cung cấp điện cho các thiết bị điện.

Em có thể : Vận dụng định luật Faraday và định luật Lenz để giải thích được một số ứng dụng của hiện tượng cảm ứng điện tử trong cuộc sống như phanh điện từ, bếp từ, sạc điện thoại không dây,…

Trả lời rút gọn:

Phanh điện từ có nguyên lý là: Dựa trên định luật Faraday, sự biến thiên từ thông qua cuộn dây sẽ sinh ra suất điện động cảm ứng. Khi bánh xe quay, nó sẽ tạo ra từ trường biến thiên qua cuộn dây của phanh điện từ. Suất điện động cảm ứng sinh ra trong cuộn dây sẽ tạo ra dòng điện. Dòng điện này sẽ đi qua cuộn dây tạo ra lực từ tác dụng lên bánh xe, làm giảm tốc độ quay của bánh xe.