Máy biến áp lí tưởng: \(N_1=400\), \(N_2=100\), \(U_1=12\,\mathrm V\) xoay chiều hiệu dụng. Tính \(U_2\).
Giải: \(U_2=U_1N_2/N_1=12\times100/400=3\,\mathrm V\). Đây là hạ áp vì \(N_2<N_1\).
HAT PHYSICS LEARNING · VẬT LÍ 12 · KẾT NỐI TRI THỨC
BÀI 18 · ỨNG DỤNG HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ
Chương III · SGK trang 78–81 · Máy biến áp · Đàn ghi ta điện · Sạc không dây · Dòng điện Foucault
01 · MỤC TIÊU
Giải thích ứng dụng của cảm ứng điện từ từ cấu tạo đến nguyên lí
Máy biến áp
Nhận biết lõi ghép lá, cuộn sơ cấp và thứ cấp; giải thích vì sao từ thông biến thiên gây ra điện áp xoay chiều ở cuộn thứ cấp.
Vận dụng tỉ số vòng dây
Thiết lập và sử dụng hệ thức máy biến áp lí tưởng \(U_2/U_1=N_2/N_1\); chỉ sử dụng bảo toàn công suất khi nêu rõ điều kiện lí tưởng.
Đàn ghi ta điện
Phân tích vai trò dây thép, nam châm và cuộn cảm ứng; dùng định luật Faraday giải thích mối liên hệ giữa dao động dây đàn với tín hiệu điện.
Liên hệ thực tiễn và an toàn
Giải thích nguyên tắc sạc không dây, dòng điện Foucault, bếp từ và phanh điện từ; nêu lợi ích và tác hại của dòng điện cảm ứng.
Khởi động – dự đoán: Khi đặt điện thoại lên đế sạc không dây, điện năng được truyền qua khoảng hở mà không cần hai đầu tiếp xúc kim loại trực tiếp. Dựa trên định luật Faraday, hãy đề xuất điều kiện để cuộn nhận xuất hiện suất điện động. Một nam châm đứng yên cạnh cuộn dây có tạo điện áp không?
Phạm vi bài học: Trọng tâm theo SGK là máy biến áp và đàn ghi ta điện. Sạc không dây, dòng Foucault, bếp từ, phanh điện từ là hoạt động liên hệ. Các mạch nguồn chỉnh lưu/điều khiển công suất chỉ trình bày ở mức giải thích định tính.
02 · KIẾN THỨC TRỌNG TÂM
Ứng dụng định luật Faraday và định luật Lenz
I. Máy biến áp – chuyển đổi điện áp xoay chiều
Máy biến áp có hai cuộn dây cách điện (sơ cấp và thứ cấp) quấn trên một lõi từ khép kín. Cuộn sơ cấp nhận nguồn điện áp xoay chiều; từ thông biến thiên trong lõi đi qua cuộn thứ cấp, gây suất điện động cảm ứng. Nếu nối tải vào cuộn thứ cấp và mạch kín, dòng điện có thể chạy trong tải.
| Bộ phận | Chức năng | Điểm cần nhớ |
|---|---|---|
| Cuộn sơ cấp \(N_1\) | Nhận điện áp xoay chiều \(U_1\) từ nguồn | Không được nhầm sơ cấp với cuộn có ít vòng hơn |
| Cuộn thứ cấp \(N_2\) | Cảm ứng điện áp \(U_2\), có thể cấp điện cho tải | Đổi điện áp theo tỉ số số vòng dây, không đổi tần số trong mô hình lí tưởng |
| Lõi ghép lá | Dẫn phần lớn từ thông đi qua cả hai cuộn | Các lá có cách điện giúp giảm dòng xoáy Foucault và nhiệt hao phí |
(18.1) Định luật Faraday cho hai cuộn dây18.1
\[e_1=-N_1\frac{d\Phi}{dt},\qquad e_2=-N_2\frac{d\Phi}{dt}\]
\(e_1,e_2\) (V): suất điện động cảm ứng tức thời theo chiều quy ước của từng cuộn; \(N_1,N_2\): số vòng dây; \(\Phi\) (Wb): từ thông qua mỗi vòng theo mô hình cùng từ thông; \(t\) (s): thời gian.
Điều kiện: bỏ qua từ thông rò, cùng từ thông liên kết qua các vòng dây tương ứng; dấu chỉ chiều theo quy ước và định luật Lenz.
(18.2) Tỉ số điện áp máy biến áp lí tưởng18.2
\[\boxed{\frac{U_2}{U_1}=\frac{N_2}{N_1}}\]
\(U_1,U_2\) (V): điện áp hiệu dụng giữa các đầu cuộn sơ cấp, thứ cấp; \(N_1,N_2\) là số vòng. \(N_2>N_1\): tăng áp; \(N_2<N_1\): hạ áp.
Đây là hệ thức lí tưởng, với nguồn xoay chiều, từ thông chung và tổn hao nhỏ; ở máy thật có sụt áp dây quấn, từ thông rò và tổn hao lõi.
(18.3) Bảo toàn công suất khi bỏ qua tổn hao18.3
\[\boxed{P_1=P_2,\quad U_1I_1=U_2I_2,\quad \frac{I_2}{I_1}=\frac{N_1}{N_2}}\]
\(I_1,I_2\) (A) là dòng điện hiệu dụng. Ở đây xét máy lí tưởng với tải thuần trở, nên hệ số công suất bằng 1 ở cả hai phía. Khi tải không thuần trở, phải so sánh công suất tác dụng \(P=UI\cos\varphi\) và xét pha, không áp dụng \(P=UI\) vô điều kiện.
Lưu ý then chốt: Đưa điện một chiều không đổi theo thời gian vào cuộn sơ cấp không tạo điện áp xoay chiều duy trì ở thứ cấp sau giai đoạn quá độ. Máy biến áp không tự sinh năng lượng; tăng điện áp thường đi kèm giảm dòng điện ở cùng công suất lí tưởng. Thực hành an toàn bằng nguồn AC thấp áp cách li, không tự đấu điện lưới.
II. Đàn ghi ta điện – dao động cơ thành tín hiệu điện
Dây đàn làm bằng vật liệu sắt từ như thép, nằm gần nam châm vĩnh cửu trong bộ thu (pickup). Dây bị từ hóa và dao động khi gảy, làm thay đổi từ thông qua cuộn dây quấn quanh nam châm. Theo Faraday, cuộn cảm ứng có suất điện động biến thiên; tín hiệu được khuếch đại và đưa đến loa. Nguồn năng lượng cho tín hiệu âm thanh lớn đến từ bộ khuếch đại, không phải pickup tự cấp năng lượng cho loa công suất lớn.
(18.4) Suất điện động cảm ứng trong pickup18.4
\[e(t)=-N\frac{d\Phi(t)}{dt}\]
\(N\): số vòng cuộn pickup; \(\Phi(t)\): từ thông qua mỗi vòng, biến thiên theo chuyển động của dây đàn; \(e\): V.
Biểu thức tổng quát; tín hiệu thực gồm nhiều thành phần tần số và chịu ảnh hưởng vật liệu, vị trí đặt pickup, dao động dây.
(18.5) Mô hình điều hòa minh họa riêng cho mô phỏng18.5
\[\Phi(t)=\Phi_0+\Delta\Phi\sin(2\pi ft)\Rightarrow E_0=N(2\pi f)\Delta\Phi\]
\(\Delta\Phi\) (Wb/vòng): biên độ biến thiên từ thông trong mô hình, \(f\) (Hz): tần số dao động, \(E_0\) (V): biên độ suất điện động. Giá trị hiệu dụng \(E=E_0/\sqrt2\) chỉ khi tín hiệu là hình sin.
Đây là giả thiết đơn giản hóa để khảo sát; không phải công thức xác định trực tiếp độ to của âm trong đàn thực tế.
Gảy mạnh: thường làm biên độ dao động và tốc độ thay đổi từ thông lớn hơn, nên tín hiệu đưa đến bộ khuếch đại lớn hơn (trong cùng điều kiện thiết bị). Gảy nhanh hơn theo tần số dao động: tần số của thành phần tín hiệu điện thay đổi tương ứng. Không nhầm biên độ (liên quan độ to) với tần số (liên quan độ cao).
III. Sạc không dây và các dòng điện Foucault
Sạc điện từ: Dòng xoay chiều tần số phù hợp chạy qua cuộn phát tạo từ thông biến thiên qua cuộn nhận. Suất điện động cảm ứng được mạch điện tử của thiết bị chỉnh lưu, điều khiển để sạc pin. Khoảng cách, vị trí, cấu tạo cuộn và điều khiển công suất ảnh hưởng hiệu suất; mô hình cuộn nhận hở mạch không phải là điện áp pin.
(18.6) Mô hình cuộn nhận điện từ không dây ở chế độ hở mạch18.6
\[\Delta\Phi_2=k\Delta\Phi_{\rm ref},\qquad E_{2,\mathrm{rms}}=\frac{N_2\,2\pi f\,k\Delta\Phi_{\rm ref}}{\sqrt2}\]
\(0\leq k\leq1\): hệ số liên kết từ thông định nghĩa riêng cho mô hình; \(\Delta\Phi_{\rm ref}\) (Wb/vòng): biên độ từ thông tham chiếu ở cuộn nhận khi \(k=1\); \(f\) (Hz): tần số nguồn; \(E_{2,\mathrm{rms}}\): V.
Chỉ khi coi từ thông cuộn nhận biến thiên hình sin, cuộn nhận hở mạch. Không dự đoán điện áp và công suất sạc thực tế vì còn cộng hưởng, trở kháng, chỉnh lưu và điều khiển tải.
Dòng điện Foucault (dòng điện xoáy): Trong khối vật dẫn có từ thông biến đổi, các dòng cảm ứng có thể khép kín trong lòng vật dẫn. Theo định luật Lenz, chúng có xu hướng chống lại nguyên nhân sinh ra chúng. Chúng có thể tạo nhiệt trong bếp từ, tạo lực hãm trong phanh điện từ, đồng thời gây hao phí ở lõi máy biến áp. Ghép lõi bằng các lá mỏng được cách điện cắt bớt đường đi dòng xoáy, giảm hao phí.
Phân biệt nguyên lí: Pickup ghi ta cảm ứng ra tín hiệu điện; bộ khuếch đại/loa sử dụng điện để phát âm. Không nên nói loa điện động tự nó hoạt động theo hiện tượng cảm ứng điện từ: động tác chuyển điện năng thành dao động màng loa chủ yếu do lực từ tác dụng lên cuộn dây có dòng điện.
8 ví dụ giải từng bước – từ giải thích đến vận dụng
\(N_1=100\), \(N_2=500\), \(U_1=6\,\mathrm V\). Tính \(U_2\) trong mô hình lí tưởng.
Giải: \(U_2=6\times500/100=30\,\mathrm V\). Nguồn 6 V phải là xoay chiều đúng điều kiện.
Máy lí tưởng có \(U_1=24\,\mathrm V\), \(N_1=200\), \(N_2=400\), cuộn thứ cấp cấp điện cho điện trở \(R=96\,\Omega\). Tính \(U_2,I_2,P_2,I_1\).
Giải: \(U_2=48\,\mathrm V\); \(I_2=U_2/R=0{,}5\,\mathrm A\); \(P_2=U_2I_2=24\,\mathrm W\); \(I_1=P_2/U_1=1\,\mathrm A\).
Máy lí tưởng nhận \(U_1=12\,\mathrm V\), \(N_1=600\), yêu cầu \(U_2=4\,\mathrm V\). Tìm \(N_2\).
Giải: \(N_2=N_1U_2/U_1=600\times4/12=200\) vòng.
Nối sơ cấp vào điện áp xoay chiều, cuộn thứ cấp không nối tải. Vì sao vẫn có thể đo được điện áp hai đầu cuộn thứ cấp bằng vôn kế phù hợp?
Giải: Từ thông biến thiên vẫn tạo suất điện động cảm ứng trong cuộn thứ cấp. Khi để hở, dòng tải xấp xỉ 0; vôn kế có trở kháng lớn đo điện áp hở mạch. Không đồng nhất điện áp với việc có dòng tải đáng kể.
Giả sử pickup có \(N=200\) vòng, \(\Delta\Phi=0{,}02\,\mu\mathrm{Wb}\)/vòng, dây dao động với \(f=250\,\mathrm{Hz}\). Tính \(E_0\), lấy \(\pi=3{,}14\).
Giải: \(E_0=200\times2\times3{,}14\times250\times0{,}02\times10^{-6}=0{,}00628\,\mathrm V=6{,}28\,\mathrm{mV}\). Đây là tín hiệu mô hình, không phải điện áp loa.
Trong mô hình \(N_2=20\), \(f=100\,\mathrm{kHz}\), \(k=0{,}5\), \(\Delta\Phi_{\rm ref}=1\,\mu\mathrm{Wb}\)/vòng. Tìm \(E_{2,\mathrm{rms}}\).
Giải: \(E_0=20\times2\pi\times10^5\times0{,}5\times10^{-6}=2\pi\,\mathrm V\); \(E_{\mathrm{rms}}=2\pi/\sqrt2\approx4{,}44\,\mathrm V\). Không coi đây là điện áp sạc pin thực.
Vì sao lõi máy biến áp làm bằng lá thép mỏng cách điện thay vì khối thép đặc?
Giải: Từ thông biến thiên tạo dòng cảm ứng xoáy trong khối dẫn. Các lớp mỏng cách điện cản đường khép kín của dòng Foucault, giảm cường độ dòng và nhiệt hao phí. Vẫn có tổn hao khác như điện trở cuộn và từ trễ.
03 · QUAN SÁT VÀ THÍ NGHIỆM
Ba mô phỏng có mô hình vật lí, giới hạn và biến điều khiển
Toàn bộ số liệu dưới đây là mô phỏng giả lập. Thay đổi tham số để kiểm chứng quan hệ, không dùng để lựa chọn thông số thiết bị điện thật hoặc thao tác điện lưới.
MÔ PHỎNG 01
Máy biến áp lí tưởng – số vòng dây, điện áp và dòng tải
Dự đoán: Nếu tăng \(N_2\) gấp đôi trong khi \(U_1,N_1,R\) không đổi, \(U_2\) tăng thế nào? Dòng tải \(I_2\) có tăng gấp đôi không? Công suất tải biến đổi ra sao?
U₂ (lí tưởng)6 V
I₂ (hiệu dụng)0,05 A
I₁ (lí tưởng)0,025 A
P₂ = P₁ (lí tưởng)0,3 W
Mô hình: \(U_2=U_1N_2/N_1\), \(I_2=U_2/R\), \(P_2=U_2I_2\), \(I_1=P_2/U_1\). Nguồn AC, từ thông chung, không hao phí, tải thuần trở; bỏ qua dòng từ hóa. Không nối vào điện lưới hoặc cuộn dây thực.
MÔ PHỎNG 02
Đàn ghi ta điện – dao động dây thép và điện áp pickup
Dự đoán: Ở cùng tần số, gảy dây mạnh hơn làm tăng biên độ biến thiên từ thông: biên độ suất điện động thay đổi thế nào? Nếu giữ \(\Delta\Phi\) và tăng tần số gấp đôi thì sao?
Biên độ suất điện động E₀13,82 mV
Hiệu dụng E (tín hiệu sin)9,77 mV
Suất điện động tức thời e0 mV
Mô hình: \(\Phi=\Phi_0+\Delta\Phi\sin(2\pi ft)\), \(e=-N2\pi f\Delta\Phi\cos(2\pi ft)\). Chỉ thể hiện một thành phần điều hòa, không phải tổng hợp phổ âm của đàn thực tế.
MÔ PHỎNG 03
Sạc không dây – ghép từ thông và suất điện động cuộn nhận
Dự đoán: Khi điện thoại lệch tâm khiến hệ số ghép \(k\) giảm từ 0,8 xuống 0,4, điện áp cảm ứng hở mạch thay đổi thế nào? Điều đó có đủ để dự đoán công suất sạc pin thực tế không?
ΔΦ₂ cuộn nhận0,6 μWb/vòng
Biên độ E₂,07,54 V
E₂ hiệu dụng hở mạch5,33 V
Mô hình: \(\Delta\Phi_2=k\Delta\Phi_{\rm ref}\), \(E_{2,\mathrm{rms}}=N_2 2\pi f\Delta\Phi_2/\sqrt2\). \(k\) chỉ là phần biên độ từ thông liên kết theo mô hình, không phải hiệu suất sạc. Không tính điện áp pin hay công suất tải thực, vì chưa mô tả các bộ chỉnh lưu, điều khiển, cộng hưởng và phụ tải.
Hoạt động quan sát bổ sung – dòng Foucault (không dùng điện lưới): Dự đoán: Hai con lắc làm bằng tấm nhôm cùng kích thước, một liền khối và một xẻ rãnh, cùng đi qua khe từ trường mạnh. Thiết bị/mô hình: nam châm an toàn, hai tấm dẫn điện, giá treo; giáo viên bố trí bảo đảm khoảng cách an toàn. Thao tác: thả từ vị trí ban đầu tương tự, so sánh số dao động trước khi dừng. Kết quả dự kiến: tấm liền khối thường bị hãm mạnh hơn do đường dòng Foucault thuận lợi hơn. Giới hạn: kết quả còn phụ thuộc hình dạng, khối lượng, lực cản không khí, khe từ và độ dẫn; không suy ra định lượng nếu chưa kiểm soát biến. Rút kết luận: dòng cảm ứng chống lại nguyên nhân sinh ra nó theo định luật Lenz.
04 · LUYỆN TẬP VÀ KIỂM TRA
36 bài tự luyện có lời giải – 22 câu kiểm tra theo engine V4
36 Tự luyện
6 Chủ đề
22 Kiểm tra
10 Điểm
Tính toán chỉ áp dụng khi giả thiết mô hình được nêu rõ; dùng \(U_1,U_2\) hiệu dụng, tải thuần trở cho bảo toàn \(UI\) trong các bài máy biến áp. Pickup và sạc không dây sử dụng mô hình điều hòa ghi cụ thể. Câu trả lời ngắn chỉ nhập số, không nhập đơn vị.
Phần A · 36 câu tự luyện theo chủ đề (lưu tiến độ trên trình duyệt)
0/36
Trang 1/6
Phần B · Kiểm tra V4 – 22 câu / 10 điểm
8 ABCD × 0,25 điểm; 4 câu Đúng/Sai bốn ý × tối đa 1,0 điểm (thang 0 / 0,10 / 0,25 / 0,50 / 1,0); 8 trả lời ngắn × 0,25 điểm; 2 tự luận × 1,0 điểm. Phần tự luận chờ giáo viên đối chiếu rubric, không chấm tự động theo văn bản.
05 · SƠ ĐỒ TƯ DUY
Hiện tượng cảm ứng điện từ và các đường đi của năng lượng
Dùng sơ đồ để xác định nguồn tạo từ thông biến thiên, nơi xuất hiện suất điện động cảm ứng và năng lượng chuyển đổi trong từng ứng dụng.
06 · EM CÓ BIẾT?
Giảm hao phí biến áp và phân biệt cảm ứng điện từ với lực từ
Vì sao lõi biến áp ghép lá?
Lõi dẫn điện nguyên khối có thể hình thành những vòng dòng xoáy Foucault tương đối lớn khi từ thông biến thiên; chúng gây nhiệt hao phí. Ghép nhiều lá thép mỏng có lớp cách điện giúp hạn chế dòng xoáy. Vật liệu lõi còn được chọn để giảm tổn hao từ trễ.
Cuộn pickup nhỏ mà âm thanh có thể rất lớn?
Pickup tạo tín hiệu điện xoay chiều nhỏ tương ứng dao động dây. Bộ khuếch đại lấy năng lượng từ nguồn điện riêng để làm tín hiệu đủ mạnh, sau đó loa biến tín hiệu thành dao động không khí nhờ lực từ trên cuộn dây.
Bếp từ có làm nóng trực tiếp mặt kính?
Trong bếp từ, trường từ biến thiên tạo dòng cảm ứng trong đáy nồi phù hợp và năng lượng bị tiêu tán thành nhiệt; đáy nồi nóng lên, truyền nhiệt cho thức ăn và mặt bếp. Mặt kính không phải đối tượng hấp thụ năng lượng chính như đáy nồi.
Tại sao sạc không dây cần đặt đúng vị trí?
Ghép từ không hoàn hảo, lệch vị trí làm thay đổi lượng từ thông liên kết cuộn nhận và có thể khiến hiệu suất giảm hoặc hệ điều khiển điều chỉnh công suất. Mô hình trên bài học chỉ tính suất điện động hở mạch, không tính năng lượng nạp vào pin.
Câu hỏi mở rộng: Hãy nêu hai nơi dòng Foucault được khai thác có ích và một nơi cần hạn chế. Vì sao cùng một hiện tượng lại vừa có lợi vừa có hại?
Nguồn tham khảo: SGK Vật lí 12 Kết nối tri thức, Bài 18 (tr. 78–81); tài liệu kế hoạch bài dạy Vật lí 12, Bài 18. Các con số trong hoạt động mô phỏng và bài tập được biên soạn cho mục tiêu học tập, không phải thông số nhà sản xuất.