Câu hỏi mở đầu trang 78

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

Lời giải:

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

Cụ thể: trong sạc có cuộn dây sơ cấp nối với nguồn điện xoay chiều, phía sau điện thoại có cuộn dây thứ cấp nối với pin. Khi đặt điện thoại lên sạc, hai cuộn dây được đặt gần nhau:

• Dòng điện xoay chiều trong cuộn sơ cấp → tạo ra từ thông biến thiên qua cuộn thứ cấp.
• Theo định luật Faraday, trong cuộn thứ cấp xuất hiện suất điện động cảm ứng → tạo dòng điện để sạc pin cho điện thoại.

I. Máy biến áp

Hoạt động trang 78

Đề bài:

1. Giải thích nguyên nhân xuất hiện điện áp $u_2$ ở hai đầu cuộn thứ cấp.
2. Dựa vào biểu thức suất điện động cảm ứng của định luật Faraday: $e_c = -N\dfrac{\Delta \Phi}{\Delta t}$

   Hãy chứng tỏ mối liên hệ sau: $\dfrac{U_1}{U_2} = \dfrac{N_1}{N_2}$

   Trong đó $U_1$ và $U_2$ lần lượt là điện áp hiệu dụng giữa hai đầu cuộn dây sơ cấp và cuộn dây thứ cấp; $N_1$ và $N_2$ lần lượt là số vòng dây của cuộn sơ cấp và thứ cấp.

Lời giải:

1. Nguyên nhân xuất hiện điện áp $u_2$ ở hai đầu cuộn thứ cấp:

• Cuộn sơ cấp được nối với nguồn điện xoay chiều $u_1$ → trong cuộn sơ cấp có dòng điện xoay chiều chạy qua.
• Dòng điện xoay chiều này sinh ra từ thông biến thiên trong lõi biến áp. Do lõi biến áp làm bằng sắt từ nên hầu như toàn bộ từ thông này đi vòng theo lõi và xuyên qua cuộn thứ cấp.
• Từ thông qua cuộn thứ cấp biến thiên → theo định luật Faraday, trong cuộn thứ cấp xuất hiện suất điện động cảm ứng biến thiên theo thời gian.
• Suất điện động này chính là điện áp $u_2$ giữa hai đầu cuộn thứ cấp.

2. Chứng minh mối liên hệ $\dfrac{U_1}{U_2} = \dfrac{N_1}{N_2}$:

Vì hầu hết đường sức từ chỉ chạy trong lõi biến áp nên từ thông qua mỗi vòng dây ở cả cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp đều bằng nhau, gọi là $\Phi$ (biến thiên theo thời gian).

Suất điện động cảm ứng trong cuộn sơ cấp (có $N_1$ vòng):

$$e_1 = -N_1 \dfrac{\Delta \Phi}{\Delta t}$$

Suất điện động cảm ứng trong cuộn thứ cấp (có $N_2$ vòng):

$$e_2 = -N_2 \dfrac{\Delta \Phi}{\Delta t}$$

Chia hai biểu thức, được:

$$\dfrac{e_1}{e_2} = \dfrac{N_1}{N_2}$$

Khi bỏ qua điện trở của các cuộn dây, điện áp giữa hai đầu mỗi cuộn xấp xỉ bằng suất điện động cảm ứng trong cuộn đó:

$$\dfrac{u_1}{u_2} = \dfrac{N_1}{N_2}$$

Do $u_1$ và $u_2$ biến thiên điều hoà cùng tần số nên các giá trị hiệu dụng cũng có tỉ số tương tự:

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

(Điều phải chứng minh.)

II. Đàn ghi ta điện

Câu hỏi trang 79

Đề bài: 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?

Lời giải:

Khi gảy dây đàn (3):

• Dây đàn làm bằng thép đặt gần nam châm vĩnh cửu (1) → dây đàn bị nhiễm từ, trở thành một nam châm nhỏ.
• Khi dây đàn dao động (lên xuống) → khoảng cách giữa dây đàn và cuộn dây cảm ứng (2) thay đổi liên tục → từ trường do dây đàn tạo ra tại vị trí cuộn dây (2) biến thiên.
• Vì vậy, từ thông qua cuộn dây cảm ứng (2) biến thiên theo nhịp dao động của dây đàn.
• Theo định luật Faraday, trong cuộn dây (2) xuất hiện suất điện động cảm ứng → tạo ra dòng điện cảm ứng biến đổi phù hợp với dao động của dây đàn.

Hoạt động trang 80

Đề bài:

1. Tại sao dây đàn ghi ta điện cần làm bằng thép?
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?
3. Vận dụng biểu thức về suất điện động cảm ứng: $e_c = -N\dfrac{\Delta \Phi}{\Delta t}$, hãy giải thích vì sao khi gảy dây đàn mạnh hoặc nhẹ thì độ to của âm thay đổi tương ứng.

Lời giải:

1. Dây đàn cần làm bằng thép vì:

• Thép là vật liệu sắt từ, dễ bị nhiễm từ khi đặt gần nam châm.
• Nam châm vĩnh cửu (1) sẽ làm dây đàn nhiễm từ → dây đàn trở thành một nam châm nhỏ.
• Khi dây đàn dao động → từ thông qua cuộn dây cảm ứng (2) biến thiên → xuất hiện dòng điện cảm ứng.

Nếu dùng dây bằng vật liệu không nhiễm từ (như nylon), dây sẽ không trở thành nam châm → không tạo ra từ thông biến thiên → không có dòng cảm ứng → không nghe được âm thanh qua loa.

2. Đàn ghi ta điện không cần hộp cộng hưởng mà ta vẫn nghe được âm là vì âm thanh không phát ra trực tiếp từ dao động của dây đàn, mà theo cơ chế:

Dây đàn dao động → từ thông qua cuộn (2) biến thiên → xuất hiện dòng điện cảm ứng trong cuộn (2) → dòng điện này được đưa đến máy tăng âm để khuếch đại → truyền ra loa → loa phát ra âm thanh.

Vì âm thanh được khuếch đại bởi máy tăng âm và phát ra bởi loa nên không cần đến hộp cộng hưởng.

3. Từ biểu thức $e_c = -N\dfrac{\Delta \Phi}{\Delta t}$:

• Khi gảy mạnh dây đàn → biên độ dao động của dây đàn lớn → tốc độ biến thiên từ thông $\left|\dfrac{\Delta \Phi}{\Delta t}\right|$ lớn → suất điện động cảm ứng $e_c$ lớn → dòng điện cảm ứng lớn → âm thanh phát ra to hơn.
• Khi gảy nhẹ dây đàn → biên độ dao động nhỏ → $\left|\dfrac{\Delta \Phi}{\Delta t}\right|$ nhỏ → $e_c$ nhỏ → dòng điện cảm ứng nhỏ → âm thanh phát ra nhỏ hơn.

Câu hỏi trang 80

Đề bài: Nêu một số ứng dụng đơn giản khác của hiện tượng cảm ứng điện từ trong cuộc sống.

Lời giải:

Một số ứng dụng đơn giản của hiện tượng cảm ứng điện từ trong cuộc sống:

• Máy phát điện xoay chiều trong các nhà máy thuỷ điện, nhiệt điện, điện gió, điện mặt trời.
• Máy biến áp để nâng/hạ điện áp trong truyền tải điện năng.
• Bếp từ dùng để nấu ăn.
• Sạc điện thoại không dây, sạc bàn chải điện, máy cạo râu điện.
• Phanh điện từ trên xe tải, tàu hoả.
• Loa điện, micro điện động, đàn ghi ta điện.
• Đi-na-mô xe đạp dùng để thắp sáng đèn.
• Máy dò kim loại dùng ở sân bay, khu vực an ninh.
• Máy đo tốc độ trên ô tô, xe máy (dùng cảm biến điện từ).

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 từ trong cuộc sống như phanh điện từ, bếp từ, sạc điện thoại không dây,…

Lời giải:

• Phanh điện từ:

• Cấu tạo: gồm một nam châm điện đặt gần một đĩa (hoặc ống) kim loại gắn với bánh xe.
• Nguyên lí hoạt động:
  • Khi cần phanh, dòng điện được cấp cho nam châm điện → sinh ra từ trường mạnh gần đĩa kim loại đang quay theo bánh xe.
  • Đĩa kim loại quay trong từ trường → từ thông qua đĩa biến thiên → xuất hiện dòng điện cảm ứng (dòng Foucault) chạy trong đĩa.
  • Theo định luật Lenz, dòng cảm ứng có chiều sao cho từ trường của nó chống lại sự biến thiên của từ thông → sinh ra lực từ cản trở chuyển động quay của đĩa → làm bánh xe quay chậm lại và dừng.
• Ưu điểm: không có bộ phận ma sát cơ khí → ít hao mòn, hiệu quả cao, êm và bền.

• Bếp từ:

• Cấu tạo: bên dưới mặt bếp có một cuộn dây được nối với dòng điện xoay chiều tần số cao.
• Nguyên lí hoạt động:
  • Dòng điện xoay chiều tần số cao qua cuộn dây → tạo ra từ trường biến thiên rất nhanh phía trên mặt bếp.
  • Khi đặt nồi có đáy làm bằng vật liệu sắt từ lên bếp, từ thông qua đáy nồi biến thiên → xuất hiện dòng điện cảm ứng rất lớn trong đáy nồi.
  • Dòng cảm ứng này làm đáy nồi nóng lên nhanh chóng (do hiệu ứng nhiệt Joule) → nấu chín thức ăn.
• Ưu điểm: hiệu suất cao (khoảng 90%), an toàn (chỉ có đáy nồi nóng, mặt bếp không quá nóng), tiết kiệm điện.

• Sạc điện thoại không dây:

• Cấu tạo: trong sạc có cuộn dây sơ cấp nối với nguồn điện; trong điện thoại có cuộn dây thứ cấp nối với pin.
• Nguyên lí hoạt động:
  • Dòng điện xoay chiều qua cuộn sơ cấp → sinh ra từ thông biến thiên trong không gian giữa hai cuộn dây.
  • Khi đặt điện thoại lên sạc, cuộn thứ cấp nằm gần cuộn sơ cấp → từ thông biến thiên qua cuộn thứ cấp → theo định luật Faraday, xuất hiện suất điện động cảm ứng trong cuộn thứ cấp.
  • Suất điện động này tạo ra dòng điện chạy qua mạch để nạp điện cho pin điện thoại.
• Nguyên tắc hoạt động của sạc không dây rất giống với máy biến áp — chỉ khác là hai cuộn dây không nối với nhau bằng lõi sắt mà chỉ đặt gần nhau.

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