Bài học

Ứng dụng cảm ứng điện từ trong đời sống và kĩ thuật

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em nêu và giải thích được một số ứng dụng thực tế của hiện tượng cảm ứng điện từ trong đời sống và kĩ thuật — đèn dynamo, bếp từ, sạc không dây, máy dò kim loại — bằng chính các khái niệm đã học trong toàn bộ khoá học: từ trường biến thiên, dòng điện cảm ứng.

Kiến thức nền cần nhớ

Toàn bộ chương 3 và bài trước đã cho em công cụ để hiểu ứng dụng: dòng điện cảm ứng xuất hiện khi từ trường xuyên qua một cuộn dây biến thiên, và máy phát điện tận dụng nguyên tắc này để tạo ra dòng điện xoay chiều liên tục.

Khởi động

Bếp từ nấu chín một nồi canh rất nhanh, nhưng nếu sờ tay lên mặt kính của bếp ngay lúc đang nấu (tránh khu vực đáy nồi), mặt bếp lại không hề nóng rực như bếp gas hay bếp điện trở thường thấy. Vậy nhiệt lượng làm chín thức ăn sinh ra ở đâu, và bằng cách nào?

Kiến thức trọng tâm

Bếp từ (bếp cảm ứng từ): bên dưới mặt kính của bếp có một cuộn dây được cấp dòng điện xoay chiều tần số cao, tạo ra một từ trường biến thiên rất nhanh ngay phía trên mặt bếp. Khi đặt một chiếc nồi có đáy làm bằng vật liệu nhiễm từ (thép, inox nhiễm từ) lên bếp, từ trường biến thiên này xuyên qua đáy nồi và sinh ra dòng điện cảm ứng ngay trong chính đáy nồi đó — dòng điện cảm ứng này toả nhiệt trực tiếp, làm nóng đáy nồi và thức ăn bên trong. Mặt kính của bếp không nằm trong đường đi của dòng điện cảm ứng nên không tự nóng lên; nó chỉ ấm lên gián tiếp do tiếp xúc với đáy nồi đang nóng. Đây cũng là lí do bếp từ không nấu được bằng nồi nhôm hay nồi thuỷ tinh thông thường — những vật liệu không nhiễm từ không sinh ra dòng cảm ứng khi đặt trên bếp.

Sạc không dây cho điện thoại: đế sạc chứa một cuộn dây được cấp dòng điện xoay chiều, tạo ra từ trường biến thiên xung quanh nó. Một cuộn dây nhỏ khác đặt bên trong điện thoại, khi nằm trong vùng từ trường biến thiên đó, cảm ứng ra một dòng điện dùng để nạp cho pin điện thoại — toàn bộ quá trình truyền năng lượng diễn ra mà không cần bất kì dây cắm trực tiếp nào giữa đế sạc và điện thoại.

Máy dò kim loại và cửa an ninh ở sân bay, siêu thị: thiết bị phát ra một từ trường biến thiên liên tục quanh khu vực kiểm tra; nếu có vật kim loại (như dao, khoá, tiền xu) đi qua, từ trường biến thiên đó cảm ứng ra dòng điện trong chính vật kim loại, và dòng điện cảm ứng này lại tạo ra một từ trường phụ làm thay đổi tín hiệu mà máy đang thu — máy phát hiện sự thay đổi này và phát tín hiệu báo động.

**Bếp từ (bếp cảm ứng từ)**: bên dưới mặt kính của bếp có một cuộn dây được cấp dòng điện xoay chiều tần số cao, tạo ra một từ trường biến thiên rất nhanh ngay phía trên mặt bếp. Khi đặt một chiếc nồi có đáy làm bằng vật liệu nhiễm từ (thép, inox nhiễm từ) lên bếp, từ trường biến thiên này xuyên qua đáy nồi và sinh ra dòng điện cảm ứng ngay trong chính đáy nồi đó — dòng điện cảm ứng này toả nhiệt trực tiếp, làm nóng đáy nồi và thức ăn bên trong. Mặt kính của bếp không nằm trong đường đi của dòng điện cảm ứng nên không tự nóng lên; nó chỉ ấm lên gián tiếp do tiếp xúc với đáy nồi đang nóng. Đây cũng là lí do bếp từ không nấu được bằng nồi nhôm hay nồi thuỷ tinh thông thường — những vật liệu không nhiễm từ không sinh ra dòng cảm ứng khi đặt trên bếp. **Sạc không dây cho điện thoại**: đế sạc chứa một cuộn dây được cấp dòng điện xoay chiều, tạo ra từ trường biến thiên xung quanh nó. Một cuộn dây nhỏ khác đặt bên trong điện thoại, khi nằm trong vùng từ trường biến thiên đó, cảm ứng ra một dòng điện dùng để nạp cho pin điện thoại — toàn bộ quá trình truyền năng lượng diễn ra mà không cần bất kì dây cắm trực tiếp nào giữa đế sạc và điện thoại. **Máy dò kim loại và cửa an ninh** ở sân bay, siêu thị: thiết bị phát ra một từ trường biến thiên liên tục quanh khu vực kiểm tra; nếu có vật kim loại (như dao, khoá, tiền xu) đi qua, từ trường biến thiên đó cảm ứng ra dòng điện trong chính vật kim loại, và dòng điện cảm ứng này lại tạo ra một từ trường phụ làm thay đổi tín hiệu mà máy đang thu — máy phát hiện sự thay đổi này và phát tín hiệu báo động.

Ví dụ

Giải thích vì sao nồi nhôm không dùng được trên bếp từ

1
Một nồi inox có đáy nhiễm từ đặt lên bếp từ thì thức ăn bên trong nóng lên nhanh chóng; nhưng một nồi nhôm cùng kích thước, cùng lượng nước đặt lên cùng bếp đó lại hoàn toàn không nóng lên. Hãy giải thích.
2
Ta có bếp từ tạo ra từ trường biến thiên phía trên mặt bếp. Muốn có dòng điện cảm ứng toả nhiệt, đáy nồi phải là vật liệu nhiễm từ để từ trường biến thiên có thể tác dụng hiệu quả và sinh ra dòng cảm ứng đủ lớn trong đó.
3
Đáy nồi inox nhiễm từ đáp ứng đúng điều kiện trên nên sinh ra dòng điện cảm ứng mạnh, toả nhiệt tốt. Nhôm là kim loại không có tính nhiễm từ, nên dù vẫn dẫn điện, dòng điện cảm ứng sinh ra trong đáy nồi nhôm rất yếu, không đủ toả nhiệt đáng kể.
4
Vậy nồi nhôm không nóng lên trên bếp từ vì đáy nồi không phải vật liệu nhiễm từ, nên không sinh ra được dòng điện cảm ứng đủ lớn để toả nhiệt — bếp từ chỉ hoạt động hiệu quả với nồi có đáy nhiễm từ.

Ví dụ

Theo dõi chuỗi năng lượng của sạc không dây

1
Một đế sạc không dây được cắm vào ổ điện lưới (nguồn điện xoay chiều 220V) để sạc cho một chiếc điện thoại đặt lên trên. Hãy mô tả chuỗi năng lượng từ ổ điện đến khi pin điện thoại được nạp, chỉ rõ bước nào là bước cảm ứng điện từ.
2
Dòng điện xoay chiều từ ổ điện lưới chạy qua cuộn dây bên trong đế sạc.
3
Vì dòng điện qua cuộn dây là dòng xoay chiều (đổi chiều liên tục), từ trường mà cuộn dây này tạo ra xung quanh nó cũng biến thiên liên tục theo đúng nhịp đổi chiều đó.
4
Cuộn dây nhỏ bên trong điện thoại, đặt gần đế sạc, chịu tác dụng của từ trường biến thiên đó. Theo hiện tượng cảm ứng điện từ đã học, trong cuộn dây này xuất hiện dòng điện cảm ứng — đây chính là bước cảm ứng điện từ trong toàn bộ chuỗi.
5
Dòng điện cảm ứng sinh ra ở cuộn dây trong điện thoại được mạch điện của điện thoại xử lí và dùng để nạp năng lượng cho pin.
6
Vậy chuỗi năng lượng là: dòng điện xoay chiều từ lưới điện → từ trường biến thiên ở đế sạc → dòng điện cảm ứng trong cuộn dây điện thoại (bước cảm ứng điện từ) → nạp pin. Toàn bộ quá trình không cần bất kì dây dẫn nối trực tiếp nào giữa đế sạc và điện thoại.

Sai lầm thường gặp

Học sinh hay nghĩ bếp từ đốt nóng trực tiếp mặt bếp giống hệt bếp điện trở, hoặc nghĩ bếp từ dùng được với mọi loại nồi. Thực ra nhiệt lượng sinh ra trực tiếp trong đáy nồi nhiễm từ nhờ dòng điện cảm ứng, chứ không phải do mặt bếp bị đốt nóng rồi truyền nhiệt sang nồi — và bếp từ chỉ hoạt động với nồi có đáy nhiễm từ.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Cảm ứng điện từ ẩn trong nhiều thiết bị quen thuộc: đèn dynamo (cơ năng thành điện năng), bếp từ (dòng cảm ứng toả nhiệt trong đáy nồi nhiễm từ), sạc không dây (truyền năng lượng không cần dây nối), máy dò kim loại (phát hiện vật kim loại qua tín hiệu bị thay đổi). Tất cả đều dựa trên một nguyên tắc duy nhất: từ trường biến thiên sinh ra dòng điện cảm ứng.

Đến đây, em đã học đủ bốn mảnh ghép của cảm ứng điện từ: nam châm, từ trường, hiện tượng cảm ứng, và máy phát điện cùng ứng dụng của nó. Chương cuối khoá học sẽ ghép toàn bộ các mảnh đó lại trong những bài tập tổng hợp theo phong cách đề kiểm tra và đề tuyển sinh.