Bài 18. Ứng dụng hiện tượng cảm ứng điện từ trang 78, 79, 80 Vật lý 12 Kết nối tri thức: Sạc điện không dây ngày càng được sử dụng rộng rãi đề sạc điện thoại, đồng hồ ...

Câu hỏi:

Sạc điện không dây ngày càng được sử dụng rộng rãi đề 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?

Hướng dẫn giải :

Vận dụng kiến thức về hiện tượng cảm ứng điện từ

Lời giải chi tiết :

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

Câu hỏi:

1. Dựa vào biểu thức suất điện động cảm ứng của định luật Faraday:

\({e_c} = - N\frac{{\Delta \phi }}{{\Delta t}}\)

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.

2. Giải thích nguyên nhân xuất hiện điện áp u₂ ở hai đầu cuộn thứ cấp.

Hướng dẫn giải :

Dựa vào biểu thức suất điện động cảm ứng của định luật Faraday

Lời giải chi tiết :

1.

\(\begin{array}{l}{e_1} = - {N_1}\frac{{\Delta {\phi _1}}}{{\Delta t}} = - {N_1}B{S_1}\omega \cos (\omega t + {\varphi _1})\\{e_2} = - {N_2}\frac{{\Delta {\phi _2}}}{{\Delta t}} = - {N_2}B{S_2}\omega \cos (\omega t + {\varphi _2})\\ \Rightarrow \frac{{{e_1}}}{{{e_2}}} = \frac{{{E_1}}}{{{E_2}}} = \frac{{{N_1}}}{{{N_2}}}\end{array}\)

Vì hai cuộn dây được đặt trong cùng từ trường B và có cùng tốc độ góc ω nên φ₁ = φ₂

Điện áp hiệu dụng giữa hai đầu cuộn sơ cấp và thứ cấp lần lượt là:

\(\begin{array}{l}{U_1} = \frac{{{E_1}}}{{\sqrt 2 }}\\{U_2} = \frac{{{E_2}}}{{\sqrt 2 }}\\ \Rightarrow \frac{{{U_1}}}{{{U_2}}} = \frac{{{E_1}}}{{{E_2}}} = \frac{{{N_1}}}{{{N_2}}}\end{array}\)

2.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.

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?

Hướng dẫn giải :

Quan sát hình 18.4 và vận dụng kiến thức về hiện tượng cảm ứng điện từ

Lời giải chi tiết :

Khi đó, từ trường của đoạn dây đàn (3) gây ra sự biến thiên từ thông qua cuộn dây cảm ứng (2) như sau

- Khi dây đàn dao động:

+ Dây đàn dao động sẽ tạo ra một từ trường biến thiên theo thời gian.

+ Từ trường này có phương vuông góc với mặt phẳng dao động của dây đàn.

+ Biên độ của từ trường biến thiên phụ thuộc vào biên độ dao động của dây đàn.

+ Tần số của từ trường biến thiên bằng tần số dao động của dây đàn.

- Từ trường của dây đàn (3) gây ra sự biến thiên từ thông qua cuộn dây cảm ứng (2):

+ Do từ trường của dây đàn biến thiên theo thời gian nên từ thông qua cuộn dây cảm ứng (2) cũng biến thiên theo thời gian.

+ Sự biến thiên từ thông này sẽ gây ra suất điện động cảm ứng trong cuộn dây (2).

+ Suất điện động cảm ứng có giá trị cực đại khi dây đàn dao động qua vị trí cân bằng.

+ Suất điện động cảm ứng có tần số bằng tần số dao động của dây đàn.

Câu hỏi:

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:

\({e_c} = - N\frac{{\Delta \phi }}{{\Delta t}}\)

hãy giải thích vì sao khi gảy dây đàn mạnh hoặc nhẹ thì độ to của âm thay đổi tương ứng.

Hướng dẫn giải :

Vận dụng kiến thức thực tế của bản thân

Lời giải chi tiết :

1. Dây đàn ghi ta điện cần làm bằng thép vì những lý do sau:

- Tính từ tính: Dây đàn ghi ta điện cần có tính từ tính để có thể tương tác với từ trường do nam châm trong pickup tạo ra, tạo ra tín hiệu điện. Thép là vật liệu từ tính, đáp ứng yêu cầu này.

- Độ bền: Dây thép có độ bền cao hơn các loại dây khác như nylon, chịu được lực căng khi gảy mạnh và rung động liên tục.

- Độ sáng và độ ngân: Dây thép tạo ra âm thanh sáng và ngân dài hơn so với dây nylon.

- Ít nhiễu: Dây thép ít bị nhiễu bởi từ trường bên ngoài hơn so với dây nylon, giúp âm thanh rõ ràng hơn.

- Phù hợp với nhiều phong cách âm nhạc: Dây thép phù hợp với nhiều phong cách âm nhạc đa dạng hơn so với dây nylon, từ rock, metal đến blues, jazz.

2.

- 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.

3. Độ to của âm thanh phụ thuộc vào:

- Biên độ dao động của dây đàn: Biên độ dao động càng lớn, e càng lớn, âm thanh càng to.

- Cảm ứng từ B: B càng lớn, e càng lớn, âm thanh càng to.

- Số vòng dây N và diện tích S của cuộn dây pickup: N và S càng lớn, e càng lớn, âm thanh càng to.

Vì vậy:

- Khi gảy dây đàn mạnh, biên độ dao động của dây đàn sẽ lớn hơn, dẫn đến e lớn hơn và âm thanh to hơn.

- Ngược lại, khi gảy dây đàn nhẹ, biên độ dao động của dây đàn sẽ nhỏ hơn, dẫn đến e nhỏ hơn và âm thanh nhỏ hơn.

Câu hỏi:

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

Hướng dẫn giải :

Vận dụng kiến thức thực tế của bản thân

Lời giải chi tiết :

- 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.