Một hiện tượng, nhiều ứng dụng
Máy biến áp, sạc không dây, đàn ghi ta điện và bếp từ có cấu tạo rất khác nhau. Điểm chung là từ thông qua một mạch hoặc một khối dẫn điện biến thiên, làm xuất hiện suất điện động hay dòng điện cảm ứng. Muốn giải thích mỗi thiết bị, cần xác định nguồn tạo từ trường biến thiên và nơi xuất hiện dòng cảm ứng.
Máy biến áp truyền năng lượng giữa hai cuộn dây
Máy biến áp gồm cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp quấn trên lõi từ chung. Dòng điện xoay chiều ở cuộn sơ cấp tạo từ thông biến thiên trong lõi; từ thông này xuyên qua cuộn thứ cấp và gây ra suất điện động cảm ứng.
Với máy biến áp lí tưởng, từ thông liên kết hai cuộn như nhau và hao phí được bỏ qua:
$$\frac{U_2}{U_1}=\frac{N_2}{N_1}.$$
Nếu $N_2>N_1$, máy tăng điện áp; nếu $N_2<N_1$, máy hạ điện áp. Tăng điện áp không có nghĩa là tạo thêm năng lượng. Trong mô hình lí tưởng, công suất được bảo toàn gần đúng:
$$U_1I_1=U_2I_2.$$
Máy biến áp thông thường cần từ thông biến thiên nên không hoạt động đúng với nguồn một chiều ổn định.
Nhận ra cảm ứng điện từ trong từng thiết bị
- **Sạc không dây:** dòng điện biến thiên trong cuộn ở đế sạc tạo từ thông biến thiên qua cuộn trong thiết bị, từ đó truyền năng lượng để sạc pin.
- **Đàn ghi ta điện:** dây đàn thép đã bị từ hóa dao động làm từ thông qua cuộn cảm ứng thay đổi. Tín hiệu điện thu được có cùng nhịp dao động và được đưa tới bộ khuếch đại, loa.
- **Bếp từ:** từ trường biến thiên làm xuất hiện dòng điện xoáy trong đáy nồi phù hợp; tác dụng nhiệt của dòng điện làm nồi nóng.
- **Phanh điện từ:** dòng điện xoáy trong vật dẫn tạo tác dụng chống lại chuyển động gây ra nó; cơ năng chuyển chủ yếu thành nội năng.
Dòng điện xoáy còn gọi là dòng điện Foucault. Trong lõi máy biến áp, nó gây nóng và hao phí, nên lõi được ghép từ các lá thép mỏng cách điện để cản các vòng dòng điện lớn.
An toàn khi sử dụng điện xoay chiều
Điện lưới có thể gây điện giật, bỏng hoặc cháy. Một số nguyên tắc cơ bản:
- Không chạm vào dây dẫn hở, ổ điện hoặc thiết bị điện khi tay ướt.
- Dùng thiết bị đúng điện áp, công suất và hướng dẫn của nhà sản xuất; không làm quá tải ổ cắm.
- Ngắt nguồn trước khi kiểm tra hoặc thay đổi mạch; không tự sửa phần điện lưới khi không có chuyên môn.
- Đặt thiết bị đóng ngắt ở nơi dễ tiếp cận và dùng thiết bị bảo vệ phù hợp.
- Tuân thủ biển cảnh báo, giữ khoảng cách với khu vực điện áp nguy hiểm và ngắt nguồn khi có tình huống bất thường nếu có thể thực hiện an toàn.
Thiết bị chống giật và cầu dao hỗ trợ bảo vệ nhưng không thay thế cách sử dụng đúng. Trong phòng học chỉ dùng nguồn thí nghiệm đúng định mức và theo hướng dẫn của giáo viên.
Máy biến áp hạ áp dùng nguồn xoay chiều thấp
Một máy biến áp lí tưởng có $N_1=600$ vòng, $N_2=120$ vòng và điện áp sơ cấp $U_1=12$ V xoay chiều.
Điện áp thứ cấp là:
$$U_2=U_1\frac{N_2}{N_1}=12\times\frac{120}{600}=2{,}4\ \mathrm V.$$
Nếu cuộn thứ cấp cung cấp dòng điện 1 A, công suất thứ cấp là $P_2=2{,}4$ W. Trong mô hình lí tưởng, $P_1=P_2$, nên:
$$I_1=\frac{P_1}{U_1}=\frac{2{,}4}{12}=0{,}2\ \mathrm A.$$
Đây là ví dụ tính toán với nguồn điện áp thấp, không phải hướng dẫn thao tác với điện lưới.
Áp dụng
Xét về lí thuyết một máy biến áp thông thường có cuộn sơ cấp đặt dưới điện áp một chiều không đổi. Sau giai đoạn chuyển tiếp, điện áp cảm ứng ở cuộn thứ cấp sẽ thế nào?
Tỉ số điện áp này áp dụng cho máy biến áp lí tưởng hoạt động với từ thông biến thiên.
Dòng ổn định không làm từ thông tăng đều mãi.
Không có biến thiên tuần hoàn ở đầu vào để duy trì điện áp xoay chiều thứ cấp.
Đúng. Suất điện động cảm ứng cần từ thông biến thiên.
Lời giải
Sau giai đoạn chuyển tiếp, dòng sơ cấp một chiều ổn định làm từ thông gần như không đổi, nên suất điện động cảm ứng và điện áp ở cuộn thứ cấp xấp xỉ bằng $0$. Trường hợp cấp DC thực tế còn có nguy cơ quá dòng và nóng cuộn sơ cấp; không thử trực tiếp trên thiết bị. Chọn D.
Áp dụng
Một đĩa kim loại được phanh bằng nam châm, không có mạch thu hồi điện. Cơ năng giảm chuyển chủ yếu thành dạng nào?
Từ trường của nam châm không tích trữ toàn bộ cơ năng mất đi của đĩa.
Độ cao không đổi thì thế năng trọng trường không tăng theo cách này.
Đúng. Phanh điện từ vẫn tuân theo bảo toàn năng lượng.
Hệ đã nêu không có mạch thu hồi điện; dòng xoáy tỏa nhiệt trong vật dẫn.
Lời giải
Dòng điện cảm ứng trong đĩa kim loại gây tác dụng nhiệt. Cơ năng của đĩa chuyển chủ yếu thành nội năng của đĩa và môi trường; năng lượng không tự mất đi. Chọn C.
Những điều cần nhớ
Các ứng dụng cảm ứng điện từ đều bắt đầu từ từ thông biến thiên. Khi phân tích thiết bị, tìm nguồn tạo từ trường, nơi xuất hiện dòng cảm ứng và dạng năng lượng đầu–cuối. Chỉ thực hành với thiết bị đúng mục đích, đúng định mức và theo quy tắc an toàn điện.
Đang học