Giải SGK Vật Lí 12 Kết nối tri thức Bài 18: Ứng dụng hiện tượng cảm ứng điện từ - Giải SGK Vật lí 12 - Kết nối tri thức

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 hoạt động dựa trên hiện tượng nào để truyền điện từ nguồn điện đến điện thoại?

Sạc điện không dây ngày càng được sử dụng rộng rãi để sạc điện thoại đồng hồ

Lời giải:

- Sạc điện thoại hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ để truyền điện từ nguồn điện đến điện thoại.

I. Máy biến áp

Hoạt động 1: Giải thích nguyên nhân xuất hiện điện áp u2 ở hai đầu cuộn thứ cấp.

Lời giải:

Nguyên nhân xuất hiện điện áp u₂ ở hai đầu cuộn thứ cấp là do hiện tượng cảm ứng điện từ.

- Khi dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn sơ cấp, sẽ tạo ra từ trường biến thiên.

- Từ trường biến thiên này sẽ gây ra hiện tượng cảm ứng điện từ trong cuộn thứ cấp, làm xuất hiện dòng điện trong cuộn thứ cấp, và do đó xuất hiện điện áp u2 ở hai đầu cuộn thứ cấp.

Hoạt động 2: Dựa vào biểu thức suất điện động cảm ứng của định luật Faraday: $e_{c} = - N \frac{ΔΦ}{Δt}$

Hãy chứng tỏ mối liên hệ sau: $\frac{U_{1}}{U_{2}} = \frac{N_{1}}{N_{2}}$ trong đó, U1 và U2 lần lượt là điện áp hiệu dụng giữa hai đầu cuộn dây sơ cấp và cuộn dây thứ cấp; với N1 và N2 lần lượt là số vòng dây của cuộn sơ cấp và thứ cấp.

Lời giải:

Từ thông qua một vòng dây của cuộn sơ cấp có biểu thức: Ф = Фocosωt

Từ thông qua cuộn sơ cấp: Ф = N1Ф

Do máy biến áp có lõi kín nên có thể coi mọi đường sức từ chỉ chạy trong lõi biến áp. Như vậy, từ thông qua mỗi vòng dây ở cuộn sơ cấp và thứ cấp là như nhau, nên từ thông trong cuộn dây thứ cấp là Ф = N2Ф .

Theo định luật Faraday, ta có suất điện động cảm ứng sinh ra do sự biến thiên của từ thông qua cuộn sơ cấp và thứ cấp lần lượt là:

$e_{1} = - \frac{d Φ_{1}}{d t} = - N_{1} \frac{d Φ}{d t} = N_{1} Φ_{0} ω \sin ω t$ và $e_{2} = - \frac{d Φ_{2}}{d t} = - N_{2} \frac{d Φ}{d t} = N_{2} Φ_{0} ω \sin ω t$

Từ đó, suy ra được: $\frac{e_{1}}{e_{2}} = \frac{N_{1}}{N_{2}}$ hay tỉ số giữa suất điện động của hai cuộn dây luôn không đổi và bằng với tỉ số giữa số vòng dây của hai cuộn dây đó.

Do tỉ số giữa các suất điện động tức thời là không đổi nên tỉ số giữa suất điện động hiệu dụng của hai cuộn dây cũng không thay đổi.

Ta có: $\frac{E_{1}}{E_{2}} = \frac{e_{1}}{e_{2}} = \frac{N_{1}}{N_{2}}$ (1)

Nếu bỏ qua điện trở (máy biến áp lí tưởng) của dây dẫn trong cuộn sơ cấp và thứ cấp thì có thể coi điện áp hiệu dụng ở hai đầu mỗi cuộn dây bằng suất điện động hiệu dụng tương ứng với chúng hay U1 = E1 và U2 = E2.

Từ biểu thức (1) suy ra: $\frac{U_{1}}{U_{2}} = \frac{N_{1}}{N_{2}}$ .

II. Đàn ghita điện

Câu hỏi: 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?

Trong Hình 18.4 khi gảy dây đàn 3 thì nó dao động Khi đó từ trường của đoạn dây

Lời giải:

- Khi gảy đàn, đoạn dây gần nam châm bị nhiễm từ dao động và tạo ra sự biến thiên từ thông qua cuộn dây của bộ cảm ứng, từ đó tạo ra một suất điện động cảm ứng. Tín hiệu điện được đưa đến một bộ khuếch đại và loa, tạo ra sóng âm thanh mà chúng ta nghe được.

Trong Hình 18.4 khi gảy dây đàn 3 thì nó dao động Khi đó từ trường của đoạn dây

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

Lời giải:

- 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?

Lời giải:

- Cấu tạo đặc của đàn ghi ta điện giúp giảm thiểu tiếng ồn và phản hồi âm thanh không mong muốn. Điều này giúp âm thanh rõ ràng và chính xác hơn, đặc biệt khi chơi ở mức âm lượng cao.

- Việc không có hộp cộng hưởng giúp đàn ghi ta điện có kích thước nhỏ gọn và di động hơn so với đàn ghi ta acoustic. Nó cũng giúp người chơi dễ dàng kiểm soát âm thanh hơn, phù hợp với nhiều phong cách âm nhạc khác nhau.

Hoạt động 3: Vận dụng biểu thức về suất điện động cảm ứng: $e_{c} = - N \frac{ΔΦ}{Δt}$ hãy giải thích vì sao khi gảy dây đàn mạnh hoặc nhẹ thì độ to của âm thay đổi tương ứng.

Lời giải:

- Khi gảy mạnh hay nhẹ thì từ thông sẽ biến thiên nhiều hay ít, dẫn đến suất điện động cảm ứng tăng hay giảm, dòng điện cảm ứng sinh ra có cường độ lớn hay nhỏ, tín hiệu điện thu được sẽ to hay nhỏ, sẽ ảnh hưởng đến độ to của âm.

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

Lời giải:

- Máy biến áp:

+ Máy biến áp sử dụng hiện tượng cảm ứng điện từ để biến đổi điện áp xoay chiều từ mức này sang mức khác.

+ Máy biến áp có nhiều ứng dụng trong hệ thống điện như truyền tải điện năng, phân phối điện, sử dụng trong các thiết bị điện tử.

- Máy phát điện:

+ Máy phát điện sử dụng hiện tượng cảm ứng điện từ để chuyển đổi năng lượng cơ học (từ turbine) thành năng lượng điện.

+ Máy phát điện có nhiều ứng dụng trong sinh hoạt và sản xuất như cung cấp điện cho nhà cửa, xí nghiệp, bệnh viện, ...

- Lò vi sóng:

+ Lò vi sóng sử dụng magnetron để tạo ra từ trường biến thiên, từ đó gây ra hiện tượng cảm ứng điện từ trong thức ăn, làm thức ăn nóng lên.

+ Lò vi sóng là một thiết bị tiện lợi để hâm nóng thức ăn trong gia đình.

- Bếp từ:

+ Bếp từ sử dụng cuộn dây cảm ứng để tạo ra từ trường biến thiên, từ đó gây ra hiện tượng cảm ứng điện từ trong nồi nấu, làm nồi nấu nóng lên.

+ Bếp từ có nhiều ưu điểm như hiệu suất cao, tiết kiệm năng lượng, an toàn và dễ sử dụng.

- Cảm biến:

+ Có nhiều loại cảm biến sử dụng hiện tượng cảm ứng điện từ để đo lường các đại lượng vật lý như tốc độ, vị trí, gia tốc, ...

+ Cảm biến được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp, y tế, giao thông vận tải, ...

- Ngoài ra, còn rất nhiều ứng dụng khác của hiện tượng cảm ứng điện từ trong cuộc sống như:

+ Chuông cửa: Khi ấn nút chuông, sẽ tạo ra từ trường biến thiên, từ đó gây ra hiện tượng cảm ứng điện từ trong chuông, làm chuông reo.

+ Micrô: Micrô sử dụng hiện tượng cảm ứng điện từ để chuyển đổi âm thanh thành tín hiệu điện.

+ Loa: Loa sử dụng hiện tượng cảm ứng điện từ để chuyển đổi tín hiệu điện thành âm thanh.

+ Máy in laser: Máy in laser sử dụng hiện tượng cảm ứng điện từ để tạo ra hình ảnh trên giấy.

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 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.