Bài 18. Ứng dụng hiện tượng cảm ứng điện từ trang 78, 79, 80 Vật Lí 12 Kết nối tri thức

Sạc điện không dây hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Quá trình truyền năng lượng điện từ đế sạc đến điện thoại diễn ra qua các bước sau:

1. Tại đế sạc (Cuộn sơ cấp): Nguồn điện xoay chiều chạy qua một cuộn dây dẫn (cuộn sơ cấp), tạo ra một từ trường biến thiên xung quanh cuộn dây này.
2. Truyền năng lượng: Khi đặt điện thoại lên đế sạc, từ trường biến thiên này xuyên qua một cuộn dây dẫn khác nằm bên trong điện thoại (cuộn thứ cấp).
3. Tại điện thoại (Cuộn thứ cấp): Vì từ thông xuyên qua cuộn thứ cấp biến thiên theo thời gian, nên theo định luật Faraday, trong cuộn dây này xuất hiện một suất điện động cảm ứng, từ đó tạo ra dòng điện cảm ứng.
4. Sạc pin: Dòng điện cảm ứng này sau đó được chỉnh lưu thành dòng điện một chiều để nạp vào pin của điện thoại.

Kết luận: Sạc điện không dây hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ.

1. Chứng minh mối liên hệ $\frac{U_1}{U_2} = \frac{N_1}{N_2}$

Xét một máy biến áp lý tưởng (bỏ qua điện trở của dây dẫn và sự tổn hao từ thông):

Gọi $\phi$ là từ thông qua mỗi vòng dây của cả hai cuộn sơ cấp và thứ cấp.

Theo định luật Faraday, suất điện động cảm ứng xuất hiện ở cuộn sơ cấp ($e_1$) và cuộn thứ cấp ($e_2$) có độ lớn là:

$|e_1| = N_1 \frac{\Delta \phi}{\Delta t}$ và $|e_2| = N_2 \frac{\Delta \phi}{\Delta t}$

Vì cuộn sơ cấp được nối với nguồn điện xoay chiều có điện áp $u_1$, nên trong trường hợp lý tưởng, điện áp $u_1$ xấp xỉ bằng suất điện động cảm ứng $|e_1|$. Tương tự, điện áp $u_2$ ở hai đầu cuộn thứ cấp bằng $|e_2|$.

Lập tỉ số giữa điện áp hai cuộn dây:

$\frac{u_1}{u_2} = \frac{N_1 \frac{\Delta \phi}{\Delta t}}{N_2 \frac{\Delta \phi}{\Delta t}} = \frac{N_1}{N_2}$

Vì $u_1$ và $u_2$ là các giá trị tức thời biến thiên theo thời gian, tỉ số giữa các giá trị hiệu dụng $U_1$ và $U_2$ cũng tuân theo quy luật tương tự:

$\frac{U_1}{U_2} = \frac{N_1}{N_2}$ (đpcm)

2. Giải thích nguyên nhân xuất hiện điện áp $u_2$ ở hai đầu cuộn thứ cấp

Điện áp $u_2$ xuất hiện ở cuộn thứ cấp là kết quả của một chuỗi hiện tượng vật lí sau:

1. Tạo từ trường biến thiên: Khi cho dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn sơ cấp, cường độ dòng điện biến thiên theo thời gian $\rightarrow$ tạo ra một từ trường biến thiên trong lõi sắt.
2. Truyền từ thông: Lõi sắt từ dẫn từ trường này xuyên qua các vòng dây của cuộn thứ cấp, làm cho từ thông $\phi$ qua cuộn thứ cấp biến thiên liên tục theo thời gian.
3. Cảm ứng điện từ: Theo định luật Faraday, vì từ thông qua cuộn thứ cấp biến thiên nên trong cuộn dây này xuất hiện một suất điện động cảm ứng $e_2$.
4. Kết luận: Suất điện động cảm ứng này chính là nguyên nhân tạo ra điện áp $u_2$ ở hai đầu cuộn thứ cấp, cho phép truyền năng lượng điện từ cuộn sơ cấp sang cuộn thứ cấp mà không cần kết nối điện trực tiếp.

Dựa trên sơ đồ cấu tạo của bộ thu âm (pickup) trong Hình 18.4, quá trình biến thiên từ thông diễn ra như sau:

Bước 1: Nhiễm từ. Nam châm vĩnh cửu (2) tạo ra từ trường mạnh. Vì dây đàn (3) được làm bằng vật liệu sắt từ, nên khi đặt trong từ trường này, dây đàn bị nhiễm từ và trở thành một nam châm tạm thời.

Bước 2: Dao động. Khi gảy dây đàn, dây đàn thực hiện dao động cơ học (chuyển động lên xuống) xung quanh vị trí cân bằng.

Bước 3: Biến thiên từ thông. Sự chuyển động của dây đàn (vốn đã bị nhiễm từ) làm thay đổi phân bố từ trường trong lòng cuộn dây cảm ứng (2). Cụ thể, khi dây đàn tiến lại gần hoặc ra xa cuộn dây, cường độ cảm ứng từ $\\mathbf{B}$ xuyên qua tiết diện cuộn dây sẽ thay đổi theo thời gian.

Bước 4: Cảm ứng điện từ. Theo định luật Faraday, sự biến thiên từ thông $\\Phi$ qua cuộn dây cảm ứng sẽ sinh ra một suất điện động cảm ứng, từ đó tạo ra một dòng điện xoay chiều trong cuộn dây. Tần số của dòng điện này chính bằng tần số dao động của dây đàn.

Kết luận: Khi gảy dây đàn, sự dao động của dây đàn sắt từ trong từ trường của nam châm vĩnh cửu gây ra sự biến thiên từ thông theo thời gian qua cuộn dây cảm ứng, tạo ra tín hiệu điện tương ứng với âm thanh của dây đàn.

Dưới đây là lời giải chi tiết cho các câu hỏi hoạt động trang 80 SGK Vật lí 12 Kết nối tri thức:

1. Tại sao dây đàn ghi ta điện cần làm bằng thép?

Dây đàn ghi ta điện cần làm bằng thép vì hai lý do chính:
- Thứ nhất: Thép là vật liệu dẫn điện, điều này là điều kiện cần để tạo ra dòng điện cảm ứng khi dây đàn dao động trong từ trường.
- Thứ hai: Thép là vật liệu sắt từ (có độ từ hóa cao). Khi đặt trong từ trường của nam châm vĩnh cửu ở bộ thu âm (pickup), dây thép sẽ làm tập trung và biến đổi các đường sức từ một cách hiệu quả hơn. Khi dây đàn dao động, nó làm thay đổi từ thông qua cuộn dây của pickup một cách rõ rệt, từ đó tạo ra suất điện động cảm ứng đủ lớn để truyền đi xa.

2. Vì sao đàn ghi ta điện có cấu tạo đặc và không có hộp cộng hưởng mà ta vẫn nghe được âm thanh?

Ở đàn ghi ta thùng (acoustic), hộp cộng hưởng có vai trò khuếch đại dao động cơ học của dây đàn thành sóng âm trong không khí để tai ta nghe thấy. Tuy nhiên, đàn ghi ta điện hoạt động theo cơ chế khác:

• Chuyển đổi năng lượng: Thay vì dùng hộp cộng hưởng, đàn ghi ta điện dùng Pickup để chuyển đổi dao động cơ học của dây thép thành tín hiệu điện (dòng điện xoay chiều).
• Khuếch đại điện tử: Tín hiệu điện này rất yếu, nên được truyền qua dây dẫn đến một bộ khuếch đại (Amplifier).
• Phát âm: Bộ khuếch đại đẩy tín hiệu đến loa. Loa sẽ chuyển tín hiệu điện trở lại thành dao động cơ học của màng loa, tạo ra sóng âm cường độ lớn mà ta nghe thấy.

Vì vậy, đàn ghi ta điện không cần hộp cộng hưởng mà vẫn tạo ra âm thanh, thậm chí là âm thanh rất lớn.

3. Giải thích sự thay đổi độ to của âm khi gảy dây mạnh hoặc nhẹ:

Vận dụng biểu thức suất điện động cảm ứng: $\text{e}_c = - N\frac{\Delta \phi}{\Delta t}$

• Khi gảy dây mạnh: Dây đàn sẽ dao động với biên độ lớn. Biên độ lớn dẫn đến sự thay đổi từ thông $\Delta \phi$ qua cuộn dây trong một khoảng thời gian $\Delta t$ là rất lớn. Theo công thức, $\Delta \phi$ tăng thì suất điện động cảm ứng $\text{e}_c$ tăng $\rightarrow$ cường độ dòng điện cảm ứng trong mạch tăng $\rightarrow$ tín hiệu điện truyền đến loa mạnh hơn $\rightarrow$ màng loa dao động biên độ lớn hơn $\rightarrow$ Âm phát ra to hơn.
• Khi gảy dây nhẹ: Dây đàn dao động với biên độ nhỏ $\rightarrow$ $\Delta \phi$ nhỏ $\rightarrow$ $\text{e}_c$ nhỏ $\rightarrow$ tín hiệu điện yếu $\rightarrow$ Âm phát ra nhỏ hơn.

Kết luận: Độ to của âm tỉ lệ thuận với biên độ dao động của dây đàn thông qua sự thay đổi của suất điện động cảm ứng.

Hiện tượng cảm ứng điện từ không chỉ xuất hiện trong các máy phát điện hay máy biến áp công nghiệp mà còn hiện diện trong nhiều thiết bị gia dụng và công nghệ đơn giản hằng ngày. Dưới đây là một số ứng dụng điển hình:

1. Bếp từ (Induction Cooktop): Đây là ứng dụng phổ biến nhất trong nhà bếp. Bên dưới mặt kính của bếp từ có một cuộn dây dẫn. Khi dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn dây này, nó tạo ra một từ trường biến thiên. Từ trường này xuyên qua đáy nồi (làm bằng vật liệu sắt từ), tạo ra các dòng điện xoáy (dòng Foucault). Do đáy nồi có điện trở, dòng điện xoáy này sinh nhiệt làm nóng nồi và làm chín thức ăn.

2. Sạc không dây (Wireless Charging): Trong đế sạc có một cuộn dây sơ cấp tạo ra từ trường biến thiên. Khi đặt điện thoại (có chứa cuộn dây thứ cấp) lên trên đế sạc, từ trường này xuyên qua cuộn dây trong điện thoại, cảm ứng ra một dòng điện xoay chiều. Dòng điện này sau đó được chỉnh lưu thành dòng một chiều để sạc pin.

3. Một số ứng dụng khác:

• Máy dò kim loại: Sử dụng một cuộn dây phát ra từ trường biến thiên. Khi có vật kim loại đi qua, từ trường này cảm ứng tạo ra dòng điện trong vật kim loại, làm thay đổi từ trường tổng hợp, thiết bị sẽ phát hiện ra sự thay đổi này và báo hiệu.
• Đàn Guitar điện: Các cuộn cảm (pick-ups) đặt dưới dây đàn bằng thép. Khi dây đàn rung, nó làm biến thiên từ thông qua cuộn cảm, tạo ra tín hiệu điện tương ứng với tần số rung của dây đàn, sau đó được khuếch đại thành âm thanh.
• Thẻ từ/Thẻ NFC: Việc di chuyển thẻ gần đầu đọc làm thay đổi từ thông qua cuộn dây siêu nhỏ trong thẻ, tạo ra dòng điện để cung cấp năng lượng cho chip truyền dữ liệu về đầu đọc.

Kết luận: Hiện tượng cảm ứng điện từ là một hiện tượng vật lí cực kỳ quan trọng, cho phép chuyển đổi năng lượng từ dạng từ trường sang điện năng mà không cần tiếp xúc trực tiếp, tạo tiền đề cho nhiều công nghệ hiện đại.