Bài tập Vật Lí 12 Bài 18: Ứng dụng hiện tượng cảm ứng điện từ (20 bài tập)

Lớp 12 · Vật Lí Bài 18

Ứng Dụng Hiện Tượng Cảm Ứng Điện Từ

Máy biến áp với công thức $\dfrac{U_1}{U_2} = \dfrac{N_1}{N_2}$, truyền tải điện năng, sạc điện thoại không dây và đàn ghi ta điện

1
Máy biến áp – cấu tạo & nguyên tắc
KHÁI NIỆM
Máy biến áp là thiết bị biến đổi điện áp xoay chiều mà hầu như không làm thay đổi tần số của nó.

▸ Cấu tạo

Bộ phậnChức năng
Lõi biến ápGhép từ các lá thép mỏng cách điện → dẫn từ thông, giảm hao phí
Cuộn sơ cấp ($N_1$ vòng)Nối với nguồn điện xoay chiều, nhận điện áp $u_1$
Cuộn thứ cấp ($N_2$ vòng)Nối với tải tiêu thụ, cung cấp điện áp $u_2$
Cấu tạo máy biến áp
Hình 18.1. Cấu tạo máy biến áp gồm lõi sắt kín và hai cuộn dây
⚠️
Lõi biến áp được ghép từ các lá thép mỏng cách điện nhằm giảm hao phí do dòng điện Foucault. Lõi kín để hầu hết từ thông qua được cả hai cuộn dây.

▸ Nguyên tắc hoạt động

Máy biến áp hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ: điện áp xoay chiều $u_1$ ở cuộn sơ cấp tạo ra từ thông biến thiên trong lõi; từ thông này qua cuộn thứ cấp làm xuất hiện suất điện động cảm ứng, sinh ra điện áp $u_2$.

💡
Máy biến áp chỉ hoạt động với dòng điện xoay chiều, không dùng được với dòng điện một chiều không đổi (vì không tạo ra từ thông biến thiên).
2
Công thức máy biến áp

▸ Công thức điện áp

$\dfrac{U_1}{U_2} = \dfrac{N_1}{N_2} = k$

với $k = \dfrac{N_1}{N_2}$ là tỉ số biến áp.

▸ Công thức dòng điện (máy lí tưởng)

Máy lí tưởng có công suất vào bằng công suất ra: $U_1 I_1 = U_2 I_2$, suy ra:

$\dfrac{I_1}{I_2} = \dfrac{U_2}{U_1} = \dfrac{N_2}{N_1}$
⚠️
Chú ý: điện áp và số vòng cùng tỉ lệ ($\dfrac{U_1}{U_2} = \dfrac{N_1}{N_2}$), nhưng dòng điện thì nghịch đảo ($\dfrac{I_1}{I_2} = \dfrac{N_2}{N_1}$).

▸ Phân loại

Loại máySố vòngĐiện ápDòng điện
Tăng áp$N_2 > N_1$$U_2 > U_1$$I_2 < I_1$
Hạ áp$N_2 < N_1$$U_2 < U_1$$I_2 > I_1$

▸ Hiệu suất

$H = \dfrac{P_2}{P_1} = \dfrac{U_2 I_2}{U_1 I_1}$

(nhân với 100% để ra phần trăm). Máy biến áp thực tế có hiệu suất rất cao, thường 95% – 99%.

📐 Ví dụ — Tính U₂ và I₂
Máy biến áp lí tưởng $N_1 = 1000$ vòng, $N_2 = 50$ vòng; cuộn sơ cấp có $U_1 = 220$ V, $I_1 = 0{,}5$ A.
Điện áp ra: $U_2 = U_1\cdot\dfrac{N_2}{N_1} = 220\cdot\dfrac{50}{1000} = 11$ V.
Dòng điện ra: $I_2 = I_1\cdot\dfrac{N_1}{N_2} = 0{,}5\cdot\dfrac{1000}{50} = 10$ A.
$N_2 < N_1$ → đây là máy hạ áp.
3
Truyền tải điện năng & ứng dụng máy biến áp

Khi truyền tải công suất điện $P$ trên đường dây có điện trở $R$ với điện áp $U$, công suất hao phí do tỏa nhiệt trên đường dây là:

CÔNG SUẤT HAO PHÍ
$P_{hp} = I^2 R = \dfrac{P^2 R}{U^2}$
💡
Vì $P_{hp}$ tỉ lệ nghịch với $U^2$ nên muốn giảm hao phí, biện pháp hiệu quả nhất là tăng điện áp truyền đi (dùng máy tăng áp ở đầu đường dây, máy hạ áp ở nơi tiêu thụ).
📐 Ví dụ — Tính hao phí & hiệu suất
Truyền công suất $P = 100$ kW $= 10^5$ W bằng điện áp $U = 10$ kV $= 10^4$ V trên đường dây có $R = 5\ \Omega$.
Hao phí: $P_{hp} = \dfrac{P^2 R}{U^2} = \dfrac{(10^5)^2 \times 5}{(10^4)^2} = 500$ W.
Hiệu suất: $H = \dfrac{P - P_{hp}}{P} = \dfrac{100000 - 500}{100000} = 0{,}995 = 99{,}5\%$.

▸ Quy trình truyền tải

Nhà máy điện → máy tăng áp → đường dây cao thế → máy hạ áp → hộ tiêu thụ.

▸ Một số ứng dụng khác của máy biến áp

Ứng dụngMô tả
Hàn điệnMáy hạ áp tạo dòng điện cường độ lớn
Adapter / sạc điệnHạ áp từ 220 V xuống điện áp thấp
Nấu chảy kim loạiTạo dòng điện lớn để toả nhiệt
4
Sạc điện thoại không dây

Sạc điện thoại không dây hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, tương tự máy biến áp.

Bộ phậnVai trò
Cuộn dây trong đế sạcĐóng vai trò cuộn sơ cấp, nối với nguồn điện xoay chiều
Cuộn dây trong điện thoạiĐóng vai trò cuộn thứ cấp, nhận năng lượng để sạc pin
Sạc điện thoại không dây
Hình 18.2. Sạc điện thoại không dây hoạt động theo nguyên tắc cảm ứng điện từ

▸ Quá trình hoạt động

  • Dòng điện xoay chiều qua cuộn dây trong đế sạc → tạo từ trường biến thiên.
  • Đặt điện thoại lên đế → hai cuộn dây nằm gần nhau → từ thông biến thiên qua cuộn dây trong điện thoại.
  • Sinh ra suất điện động cảm ứng → dòng điện cảm ứng được chỉnh lưu để sạc pin.
5
Đàn ghi ta điện

▸ Cấu tạo cuộn cảm ứng (pickup)

Bộ phậnChức năng
Nam châm vĩnh cửu nhỏLàm nhiễm từ dây đàn
Cuộn dây quấn quanh nam châmNơi sinh ra suất điện động cảm ứng
Dây đàn bằng thépDao động tạo từ trường biến thiên
Cuộn cảm ứng pickup của đàn ghi ta điện
Hình 18.4. Cấu tạo cuộn dây cảm ứng (pickup) của đàn ghi ta điện

▸ Nguyên tắc hoạt động

  • Nam châm làm nhiễm từ dây đàn bằng thép → dây đàn trở thành nam châm nhỏ.
  • Khi gảy đàn, dây đàn dao động → từ trường của nó biến thiên → từ thông qua cuộn dây biến thiên.
  • Theo định luật Faraday, sinh ra suất điện động cảm ứng → tín hiệu điện được khuếch đại và phát ra loa.
  • Tần số dao động của dây → độ cao của âm; biên độ dao động → độ to của âm.
🎸
Dây đàn phải làm bằng thép (vật liệu từ tính) để bị nhiễm từ. Đàn ghi ta điện không cần hộp cộng hưởng vì âm thanh được tạo từ tín hiệu điện khuếch đại rồi phát ra loa, không phải từ thân đàn.
6
Một số ứng dụng khác
Ứng dụngNguyên lí
Hãm phanh điện từĐĩa kim loại quay trong từ trường sinh ra dòng Foucault tạo lực cản → hãm chuyển động (phanh xe tải, công tơ điện)
Đinamô xe đạpBánh xe quay → nam châm quay → từ thông qua cuộn dây biến thiên → sinh dòng điện thắp sáng đèn
Bếp từCuộn dây tạo từ trường biến thiên tần số cao → dòng Foucault trong đáy nồi tỏa nhiệt làm chín thức ăn
🧲
Điểm chung của các thiết bị trên: đều dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ — từ thông biến thiên sinh ra dòng điện cảm ứng (dòng Foucault) hoặc suất điện động cảm ứng.
7
Tổng kết

▸ Công thức cần nhớ

Công thứcÝ nghĩa
$\dfrac{U_1}{U_2} = \dfrac{N_1}{N_2}$Tỉ số điện áp = tỉ số số vòng
$\dfrac{I_1}{I_2} = \dfrac{N_2}{N_1}$Tỉ số dòng điện (nghịch đảo, máy lí tưởng)
$H = \dfrac{U_2 I_2}{U_1 I_1}$Hiệu suất máy biến áp
$P_{hp} = \dfrac{P^2 R}{U^2}$Công suất hao phí khi truyền tải

▸ Lỗi sai thường gặp

❌ Sai✅ Đúng
Máy biến áp dùng được với dòng một chiềuChỉ dùng với dòng điện xoay chiều
$\dfrac{I_1}{I_2} = \dfrac{N_1}{N_2}$$\dfrac{I_1}{I_2} = \dfrac{N_2}{N_1}$ (nghịch đảo)
Dây đàn ghi ta điện làm bằng nylonPhải làm bằng thép (vật liệu từ tính)
Đàn ghi ta điện cần hộp cộng hưởngKhông cần hộp cộng hưởng

Đã nắm vững lý thuyết, các em chuyển sang tab Bài Tập để luyện 20 câu bám sát SGK nhé!

1
Điểm: 0/20
🔌

Cùng luyện Bài 18 – Ứng dụng cảm ứng điện từ!

20 câu: 17 trắc nghiệm · 1 đúng/sai · 2 tự luận

💡 Gợi ý
Thầy Phạm Trần Quốc Anh

Thầy Phạm Trần Quốc Anh

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Vật Lý THPT

Trình độ: Cử nhân Sư phạm Vật lý, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 9+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Lê Quí Đôn