Bài 18. Ứng dụng hiện tượng cảm ứng điện từ

1.1. Máy biến áp

Máy biến áp là thiết bị dùng để biến đổi điện áp xoay chiều.

• Máy biến áp gồm hai cuộn dây có số vòng khác nhau quấn trên cùng một lõi kín (lõi biến áp).

• Lõi biến áp thường làm bằng các lá sắt hoặc thép pha silicon ghép cách điện với nhau nhằm giảm hao phí năng lượng do dòng điện Foucault.

• Cuộn dây nối với nguồn điện xoay chiều gọi là cuộn sơ cấp.

• Cuộn dây nối với tải tiêu thụ điện năng gọi là cuộn thứ cấp.

• Máy biến áp hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ.

• Dòng điện xoay chiều trong cuộn sơ cấp tạo ra từ thông biến thiên trong lõi sắt, làm xuất hiện suất điện động cảm ứng trong cuộn thứ cấp.

• Do hầu như mọi đường sức từ đều chạy trong lõi biến áp nên từ thông qua mỗi vòng dây ở hai cuộn gần như bằng nhau, vì vậy suất điện động cảm ứng trong mỗi vòng dây cũng bằng nhau.

• Đối với máy biến áp lí tưởng: $\frac{U_1}{U_2}=\frac{N_1}{N_2}$.

Trong đó:

• $U_1,U_2$ lần lượt là điện áp hiệu dụng ở cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp.

• $N_1,N_2$ lần lượt là số vòng dây cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp.

• Nếu $N_2>N_1$ thì điện áp thứ cấp lớn hơn điện áp sơ cấp.

• Nếu $N_2<N_1$ thì điện áp thứ cấp nhỏ hơn điện áp sơ cấp.

1.2. Sạc điện thoại không dây

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

• Cuộn dây trong đế sạc đóng vai trò cuộn sơ cấp.

• Cuộn dây trong điện thoại đóng vai trò cuộn thứ cấp.

• Dòng điện xoay chiều trong đế sạc tạo ra từ trường biến thiên, gây ra suất điện động cảm ứng trong cuộn dây của điện thoại để sạc pin.

• Hai cuộn dây được đặt gần nhau nhưng không tiếp xúc điện trực tiếp.

• Năng lượng điện được truyền từ đế sạc sang điện thoại thông qua từ trường biến thiên.

• Nguyên lí hoạt động tương tự máy biến áp.

1.3. Đàn ghi ta điện

• Đàn ghi ta điện sử dụng hiện tượng cảm ứng điện từ để biến dao động cơ học của dây đàn thành tín hiệu điện.

• Dây đàn thường làm bằng thép nên bị từ hóa khi đặt trong từ trường của nam châm.

• Khi đó dây đàn hoạt động như một nam châm nhỏ.

• Khi dây đàn dao động, từ thông qua cuộn dây cảm ứng biến thiên theo thời gian.

• Trong cuộn dây xuất hiện dòng điện cảm ứng.

• Dòng điện cảm ứng biến đổi cả về chiều và cường độ theo dao động của dây đàn.

• Dòng điện cảm ứng có cùng tần số với dao động của dây đàn.

• Tín hiệu điện này được đưa tới máy tăng âm và loa để phát ra âm thanh.

1.4. Dòng điện Foucault (Fu-cô)

• Dòng điện Foucault là dòng điện cảm ứng xuất hiện trong khối vật dẫn khi từ thông qua vật dẫn biến thiên theo thời gian.

• Dòng điện Foucault có tính chất xoáy và tạo thành các đường dòng điện kín bên trong vật dẫn.

• Dòng điện Foucault xuất hiện khi vật dẫn chuyển động trong từ trường hoặc khi vật dẫn đặt trong từ trường biến thiên theo thời gian.

1.5. Ứng dụng của dòng điện Foucault

• Luyện kim bằng lò cảm ứng.

• Bếp từ.

• Phanh điện từ.

• Đồng hồ đo điện.

• Làm đệm từ trường.

1.6. Tác hại của dòng điện Foucault

• Gây tỏa nhiệt trong lõi sắt máy biến áp.

• Làm hao phí điện năng.

• Làm giảm hiệu suất của các thiết bị điện.

1.7. Biện pháp giảm tác hại của dòng điện Foucault

• Dùng lõi thép ghép từ nhiều lá thép mỏng cách điện với nhau.

• Tăng điện trở đối với dòng điện Foucault.

• Làm giảm cường độ dòng điện Foucault và giảm hao phí năng lượng.

2. Hiểu sâu bản chất

💡 Máy biến áp chỉ hoạt động với dòng điện biến thiên theo thời gian, chủ yếu là dòng điện xoay chiều.

💡 Đàn ghi ta điện biến dao động cơ học của dây đàn thành tín hiệu điện nhờ hiện tượng cảm ứng điện từ.

💡 Dòng điện Foucault là một dạng dòng điện cảm ứng xuất hiện trong khối vật dẫn.

💡 Máy biến áp, sạc điện thoại không dây và đàn ghi ta điện đều hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, định luật Faraday và định luật Lenz.

3. Ghi nhớ nhanh

• Máy biến áp hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ.

• Công thức máy biến áp: $\frac{U_1}{U_2}=\frac{N_1}{N_2}$.

• $N_2>N_1$⇒ điện áp thứ cấp lớn hơn điện áp sơ cấp.

• $N_2<N_1$⇒ điện áp thứ cấp nhỏ hơn điện áp sơ cấp.

• Sạc điện thoại không dây hoạt động theo nguyên lí cảm ứng điện từ.

• Đàn ghi ta điện tạo tín hiệu điện nhờ cảm ứng điện từ.

• Dòng điện Foucault là dòng điện cảm ứng xuất hiện trong khối vật dẫn.

• Dòng điện Foucault có tính chất xoáy, tạo thành các vòng dòng điện kín.

• Dòng điện Foucault có lợi trong bếp từ, lò cảm ứng, phanh điện từ.

• Dòng điện Foucault gây hao phí năng lượng trong lõi máy biến áp.

• Máy biến áp, sạc không dây và đàn ghi ta điện đều là các ứng dụng của hiện tượng cảm ứng điện từ.

• Giảm tác hại của dòng điện Foucault bằng cách ghép lõi thép từ nhiều lá thép mỏng cách điện.

4. Lưu ý cho học sinh

• Máy biến áp chỉ làm thay đổi điện áp xoay chiều, không dùng với dòng điện không đổi.

• Không nhầm số vòng dây với điện áp trong công thức máy biến áp: $\frac{U_1}{U_2}=\frac{N_1}{N_2}$.

• Muốn xác định điện áp tăng hay giảm cần so sánh $N_1$ và $N_2$.

• Trong đàn ghi ta điện, dòng điện cảm ứng xuất hiện do từ thông qua cuộn dây thay đổi khi dây đàn dao động.

• Dây đàn bằng thép nên bị từ hóa và đóng vai trò như một nam châm nhỏ khi dao động.

• Dòng điện Foucault là một dạng dòng điện cảm ứng nên cũng tuân theo định luật Faraday và định luật Lenz.

• Không nhầm dòng điện Foucault với dòng điện chạy trong dây dẫn; dòng điện Foucault xuất hiện bên trong khối vật dẫn.

• Học sinh thường nhầm rằng dòng điện Foucault chỉ có hại; thực tế nó được ứng dụng rộng rãi trong bếp từ, lò cảm ứng và phanh điện từ.

• Lõi thép máy biến áp được ghép từ nhiều lá thép mỏng cách điện chủ yếu để giảm dòng điện Foucault và giảm hao phí năng lượng.

• Tăng điện trở đối với dòng điện Foucault là biện pháp quan trọng để giảm cường độ dòng điện này và hạn chế hao phí năng lượng.