Bài 18. Ứng dụng hiện tượng cảm ứng điện từ – Tóm tắt Vật lí 12

1. Nền tảng: từ thông và định luật Faraday – Len-xơ

Định nghĩa

Từ thông $\Phi$ xuyên qua mạch điện kín phẳng có diện tích $S$ đặt trong từ trường đều có cảm ứng từ $B$ :

\Phi = BS\cos\alpha

với $\alpha$ là góc hợp bởi vectơ cảm ứng từ $\vec B$ và pháp tuyến $\vec n$ của mặt phẳng mạch.

Đơn vị của $\Phi$ : weber, kí hiệu là $\mathrm{Wb}$ .
Nếu mạch gồm $N$ vòng dây giống nhau thì từ thông toàn phần là $N\Phi$ .

Định luật Faraday – Len-xơ.

Khi từ thông xuyên qua mạch điện kín biến thiên thì trong mạch xuất hiện suất điện động cảm ứng. Độ lớn của suất điện động cảm ứng bằng đạo hàm của từ thông theo thời gian lấy giá trị tuyệt đối:

|e| = \left|\frac{d\Phi}{dt}\right| \quad\text{(mạch 1 vòng)};\qquad |e| = N\left|\frac{d\Phi}{dt}\right| \quad\text{(mạch $N$ vòng)}.

Chiều của dòng điện cảm ứng được xác định bởi định luật Len-xơ: nó có chiều sao cho từ trường do nó sinh ra chống lại sự biến thiên của từ thông đã sinh ra nó.

Lưu ý

Trong bài tập phổ thông, ta thường dùng biến thiên trung bình trong khoảng thời gian $\Delta t$ :

|e| = N\frac{|\Delta\Phi|}{\Delta t}

với $|e|$ đo bằng vôn ( $\mathrm{V}$ ), $|\Delta\Phi|$ đo bằng weber ( $\mathrm{Wb}$ ), $\Delta t$ đo bằng giây ( $\mathrm{s}$ ).

2. Các thiết bị ứng dụng điển hình

2.1 Đầu đọc từ tính của thẻ từ

Thẻ tín dụng, thẻ ATM có dải từ ở mặt sau ghi thông tin. Khi quẹt thẻ qua đầu đọc, từ trường của dải từ xuyên qua cuộn dây của đầu đọc; do thẻ chuyển động nên từ thông qua cuộn dây biến thiên. Theo định luật Faraday, trong cuộn dây xuất hiện suất điện động cảm ứng $\Rightarrow$ tạo thành tín hiệu điện tương ứng với dữ liệu trên thẻ.

2.2 Đàn ghi ta điện

Dưới các dây đàn bằng thép có bộ thu âm gồm nam châm vĩnh cửu và cuộn dây quấn quanh. Dây đàn bị nam châm từ hoá; khi gảy, dây đàn dao động làm từ thông qua cuộn dây biến thiên, trong cuộn dây xuất hiện suất điện động cảm ứng có cùng tần số dao động của dây. Tín hiệu điện này được khuếch đại rồi đưa ra loa.

2.3 Micrô điện động

Micrô điện động biến âm thanh thành tín hiệu điện: sóng âm làm màng micrô dao động, kéo cuộn dây gắn với màng chuyển động trong từ trường của nam châm vĩnh cửu, từ thông qua cuộn dây biến thiên $\Rightarrow$ xuất hiện suất điện động cảm ứng. Loa điện động có cấu tạo tương tự nhưng hoạt động theo chiều ngược lại, dựa trên lực từ tác dụng lên cuộn dây mang dòng điện.

2.4 Bếp từ và lò cảm ứng

Bếp từ dùng dòng điện xoay chiều tần số cao chạy trong cuộn dây đặt dưới mặt bếp. Từ trường biến thiên nhanh xuyên qua đáy nồi kim loại nhiễm từ (thép, gang) khiến từ thông qua đáy nồi thay đổi, trong đáy nồi xuất hiện dòng điện Foucault (dòng điện cảm ứng chạy vòng trong khối kim loại); dòng này toả nhiệt theo công thức Joule – Lenz làm nóng nồi và thực phẩm:

Q = \frac{e^2}{R}\,\Delta t = I^2R\,\Delta t.

Lò cảm ứng trong công nghiệp hoạt động hoàn toàn trên cơ sở tương tự, dùng để nung chảy kim loại hoặc xử lí nhiệt.

Điểm chung của các thiết bị

Các thiết bị nêu trên (trừ loa, hoạt động nhờ lực từ) đều dựa vào điều kiện sinh cảm ứng điện từ:

Có mạch điện (cuộn dây, khối kim loại như đáy nồi) đặt trong từ trường.
Từ thông xuyên qua mạch đó biến thiên theo thời gian.

3. Phương pháp giải bài tập

Các bước giải bài tập cảm ứng trong các thiết bị

1.
Xác định nguồn tạo từ trường và nguyên nhân làm từ thông biến thiên (di chuyển nam châm/thẻ, dòng điện xoay chiều, quay mạch...).
2.
Xác định mạch kín chứa cuộn dây cảm ứng hoặc phần kim loại xảy ra hiện tượng cảm ứng.
3.
Tính từ thông đầu $\Phi_1$ và cuối $\Phi_2$ , suy ra $\Delta\Phi$ .
4.
Áp dụng $|e| = N\dfrac{|\Delta\Phi|}{\Delta t}$ để tính suất điện động cảm ứng.
5.
Nếu hỏi nhiệt lượng thì dùng $Q = \dfrac{e^2}{R}\Delta t$ (với điện trở $R$ của phần xảy ra dòng cảm ứng).
6.
Dùng định luật Len-xơ để xác định chiều dòng điện cảm ứng.

4. Ví dụ minh hoạ

Ví dụ 1

Một đầu đọc thẻ từ có $N = 5000$ vòng dây. Khi quẹt thẻ qua đầu đọc trong thời gian $\Delta t = 0{,}05$ s, từ thông qua mỗi vòng dây biến thiên một lượng $|\Delta\Phi| = 2\cdot 10^{-6}\ \mathrm{Wb}$ . Tính độ lớn suất điện động cảm ứng trung bình xuất hiện ở đầu đọc.

Lời giải · 2 bước

Áp dụng công thức biến thiên từ thông:

|e| = N\frac{|\Delta\Phi|}{\Delta t} = 5000\cdot\frac{2\cdot 10^{-6}}{0{,}05} = 5000\cdot 4\cdot 10^{-5} = 0{,}2\ \mathrm{V}.

Bước 2

Vậy độ lớn suất điện động cảm ứng trung bình là $0{,}2$ V.

Ví dụ 2

Trên một bếp từ, suất điện động cảm ứng hiệu dụng trong đáy nồi kim loại là $e = 20$ V, điện trở đáy nồi $R = 2\ \Omega$ . Tính nhiệt lượng toả ra trên đáy nồi trong thời gian $t = 5$ phút.

Lời giải

Đổi $t = 5\ \text{phút} = 300$ s. Nhiệt lượng toả ra:

Q = \frac{e^2}{R}t = \frac{20^2}{2}\cdot 300 = 200\cdot 300 = 60000\ \mathrm{J} = 60\ \mathrm{kJ}.

Ví dụ 3

Một ống dây gồm $N = 1000$ vòng, mỗi vòng có diện tích $S = 50\ \mathrm{cm^2}$ . Khi đưa nam châm vào trong ống, cảm ứng từ xuyên qua tiết diện ống tăng đều từ $0{,}1$ T đến $0{,}4$ T trong $\Delta t = 0{,}1$ s. Tính suất điện động cảm ứng trung bình và nêu chiều dòng điện cảm ứng.

Lời giải · 3 bước

Diện tích $S = 50\ \mathrm{cm^2} = 5\cdot 10^{-3}\ \mathrm{m^2}$ . Từ thông qua mỗi vòng:

\Phi_1 = B_1S = 0{,}1\cdot 5\cdot 10^{-3} = 5\cdot 10^{-4}\ \mathrm{Wb};

\Phi_2 = B_2S = 0{,}4\cdot 5\cdot 10^{-3} = 2\cdot 10^{-3}\ \mathrm{Wb}.

Bước 2

Suy ra $|\Delta\Phi| = 1{,}5\cdot 10^{-3}\ \mathrm{Wb}$ . Do đó:

|e| = N\frac{|\Delta\Phi|}{\Delta t} = 1000\cdot\frac{1{,}5\cdot 10^{-3}}{0{,}1} = 15\ \mathrm{V}.

Bước 3

Theo định luật Len-xơ, dòng điện cảm ứng có chiều để từ trường của nó đẩy nam châm vừa được đưa vào ra ngoài (chống lại sự tăng của từ thông).

Câu hỏi 1 (Tìm hiểu thêm.)

Tại sao đáy nồi bằng nhôm hoặc đồng lại gần như không nóng khi đặt trên bếp từ, trong khi nồi gang, nồi thép lại nóng nhanh?

Gợi ý trả lời

Bếp từ làm nóng nồi nhờ dòng Foucault trong đáy nồi. Gang, thép là vật liệu nhiễm từ nên từ trường tập trung mạnh qua đáy nồi, đồng thời có điện trở suất lớn hơn nên dòng Foucault toả nhiều nhiệt. Nhôm, đồng không nhiễm từ và có điện trở suất rất nhỏ nên nhiệt toả ra ít, bếp từ thông thường gần như không làm nóng được.

5. Liên hệ thực tế

Hiện tượng cảm ứng điện từ không chỉ nằm trong SGK mà hiện diện quanh ta:

Thẻ có dải từ (thẻ ngân hàng, thẻ khoá phòng) được đọc nhờ đầu đọc từ tính.
Bếp từ đã phổ biến trong căn bếp hiện đại nhờ an toàn và tiết kiệm.
Lò cảm ứng công nghiệp phục vụ luyện kim, xử lí nhiệt bề mặt kim loại.
Micrô điện động, đàn ghi ta điện trong các hệ thống âm thanh.
Máy biến áp, sạc không dây, phanh điện từ cũng hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ.

Nhớ nhanh