Bài 18 · Cơ bản

Ứng dụng hiện tượng cảm ứng điện từ

Giải thích dòng Foucault và các ứng dụng quen thuộc của cảm ứng điện từ: bếp từ, phanh điện từ, micro và loa điện động, sạc không dây; tính được thời gian đun trên bếp từ và thời gian sạc.

Ứng với SGK Vật lí 12 (bộ thống nhất): Bài 18

⚡ Nhớ nhanh

1Dòng Foucault: dòng cảm ứng chạy thành vòng kín ngay trong khối kim loại khi từ thông qua nó biến thiên. Nó toả nhiệt (Joule) và gây lực từ cản chuyển động (Lenz).
2Bếp từ: cuộn dây dưới mặt kính có dòng xoay chiều tần số cao ⇒ từ trường biến thiên ⇒ dòng Foucault ngay trong đáy nồi ⇒ nồi nóng. Nồi dẫn điện có từ tính nóng nhanh; thuỷ tinh, gốm không nóng; nhôm rất chậm.
3Phanh điện từ, ống nhôm: nam châm chuyển động qua kim loại ⇒ dòng Foucault ⇒ lực cản F tăng theo v, đến khi F = mg thì rơi đều. Ống nhựa không cản; ống kim loại xẻ khe cản yếu.
4Micro (dao động âm → e xoay chiều, theo |e| = N|ΔΦ|/Δt) và loa (dòng xoay chiều → lực từ F = BIl → màng dao động) là hai bộ phận làm việc ngược nhau.
5Sạc không dây: cuộn phát có dòng biến đổi ⇒ từ trường biến thiên ⇒ cuộn thu cảm ứng ra dòng. Hai cuộn càng xa hay lệch tâm thì từ thông qua cuộn thu càng ít, hiệu suất càng thấp.

👀 Nhìn là hiểu

Bốn ứng dụng, mỗi ứng dụng một cảnh: chọn chất liệu nồi trên bếp từ, thả nam châm qua ống nhựa, ống nhôm hay ống nhôm có khe, đổi tần số và độ to ở micro/loa, kéo điện thoại ra xa đế sạc. Tab Thí nghiệm có hai thí nghiệm (thả nam châm bấm giờ; đo hiệu suất sạc theo khoảng cách), tab Đoán trước có 4 cái bẫy.

Công suất bếp2000 W

Công suất vào nồi0 W

Nước25,0 °C

Thời gian0 s

⏩ Đang tua nhanh 50 lần — trục thời gian là thời gian thật khi đun.

Kéo thả tự do, xem số và đồ thị chạy theo.

Chất liệu nồi:

Công suất:

Dòng trong cuộn dây:

⏩ Tua ×50

Nồi sắt: dòng Foucault mạnh ngay trong đáy nồi (vòng nét đứt) ⇒ công suất nhiệt ≈ 0 W (hiệu suất 90 %). Nước nóng thêm khoảng 0,00 °C mỗi giây.

1 🍳 Dòng Foucault và bếp từ

Cần nhớ

✦Khi từ thông qua một khối kim loại biến thiên, trong khối xuất hiện các dòng điện cảm ứng khép kín dạng xoáy: dòng Foucault. Kim loại có điện trở nhỏ nên dòng rất lớn.
✦Dòng Foucault có hai tác dụng: toả nhiệt (P = I²R, làm nóng khối kim loại) và chịu lực từ cản chuyển động của khối (định luật Lenz).
✦Bếp từ: cuộn dây dưới mặt kính cấp dòng xoay chiều tần số cao (cỡ 20–50 kHz) ⇒ từ trường biến thiên rất nhanh ⇒ dòng Foucault mạnh ngay trong đáy nồi ⇒ nồi nóng, mặt kính chỉ ấm lên nhờ nồi truyền lại.
✦Nồi sắt, gang, inox từ tính nóng nhanh (điện trở thích hợp, có từ tính). Nồi nhôm, đồng có điện trở rất nhỏ nên nóng rất chậm. Nồi thuỷ tinh, gốm cách điện ⇒ không có dòng cảm ứng ⇒ không nóng.
✦Cho dòng một chiều không đổi vào cuộn dây thì từ trường không đổi ⇒ không có cảm ứng, nồi không nóng. Hiệu suất bếp từ cao (cỡ 90 %) vì nhiệt sinh ngay trong đáy nồi.

✅ Dòng Foucault có ích

Bếp từ đun nóng nồi · lò cảm ứng nấu chảy kim loại · phanh điện từ êm, không mòn má phanh · công tơ điện, đồng hồ đo tắt dao động nhanh.

❌ Dòng Foucault có hại

Làm nóng lõi sắt của máy biến áp, động cơ, gây hao phí điện năng. Cách giảm: ghép lõi từ nhiều lá thép mỏng cách điện để cắt đường đi của dòng xoáy.

Dạng bài

Tính thời gian đun trên bếp từ

1 Nhiệt lượng nước cần: Q = mcΔt (c = 4200 J/(kg·K)).
2 Công suất có ích: P_ích = H·P (H là hiệu suất, đổi % ra số thập phân).
3 Thời gian: t = Q/P_ích (giây). Đổi ra phút nếu cần.
4 Thử lại: P_ích · t phải bằng Q; bếp có hiệu suất H < 1 thì t luôn lớn hơn Q/P.

⚠️ Bẫy hay gặp: Quên hiệu suất: t = 630 0002000 = 315 s, nhanh hơn thực tế 35 s. Bếp nào cũng hao phí, nên t phải lớn hơn Q/P.

🍳

Làm mẫu

Bếp từ 2000 W, hiệu suất 90 %, đun 2 kg nước từ 25 °C lên 100 °C. Tính thời gian đun (c = 4200 J/(kg·K)).

Hướng dẫn giải

Thử tự giải trước nhé!

2 🧲 Phanh điện từ và nam châm rơi trong ống

Cần nhớ

✦Nam châm chuyển động gần (hoặc trong) khối kim loại làm từ thông qua từng phần kim loại biến thiên ⇒ dòng Foucault ⇒ lực từ chống lại chuyển động (Lenz). Lực cản này tăng theo tốc độ: F ∝ v, và bằng 0 khi v = 0.
✦Phanh điện từ trên tàu cao tốc, xe tải, tàu lượn: nam châm hãm đĩa hay ray kim loại không cần ma sát, êm, không mòn; động năng biến thành nhiệt của dòng Foucault.
✦Thả nam châm trong ống nhôm (dẫn điện, không bị nam châm hút): nam châm rơi chậm hẳn, nhanh dần rồi tới tốc độ không đổi khi lực cản F = mg. Trong ống nhựa (cách điện) nó rơi gần như tự do.
✦Ống nhôm xẻ một khe dọc suốt chiều dài: khe cắt đứt các vòng dòng xoáy ⇒ lực cản yếu đi nhiều, nam châm rơi nhanh hơn ống liền.

Nam châm rơi qua ống dài 1,2 m (g = 10 m/s²)

Loại ống	Dòng Foucault	Thời gian rơi
Nhựa	Không có	≈ 0,5 s (rơi tự do √(2h/g) = 0,49 s)
Nhôm xẻ khe dọc	Yếu	≈ 0,9 s
Nhôm liền	Mạnh	≈ 4,8 s (tốc độ cuối 25 cm/s)

Dạng bài

Giải thích nam châm rơi chậm trong ống kim loại

1 Nam châm rơi ⇒ từ thông qua từng đoạn ống biến thiên.
2 Ống dẫn điện và liền ⇒ có dòng Foucault vòng quanh ống.
3 Lenz ⇒ lực từ cản chuyển động, F tăng theo v; F = mg thì rơi đều.
4 Thử lại: ống cách điện (nhựa) hay bị xẻ khe thì không có (hoặc ít) dòng ⇒ cản yếu ⇒ rơi nhanh.

⚠️ Bẫy hay gặp: Cho rằng nhôm hút nam châm. Nhôm không bị nam châm hút: nam châm đặt yên trong ống nhôm có v = 0 ⇒ F = 0, nam châm không bị giữ. Lực cản chỉ có khi nó chuyển động.

🧲

Làm mẫu

Nam châm rơi qua ống nhôm dài 1,2 m mất 4,8 s. Tính tốc độ trung bình và so với thời gian rơi tự do trên cùng quãng đường (g = 10 m/s²).

Hướng dẫn giải

Thử tự giải trước nhé!

3 🎤 Micro và loa điện động

Cần nhớ

✦Micro điện động: sóng âm làm màng rung, kéo theo cuộn dây dao động trong từ trường của nam châm ⇒ từ thông qua cuộn dây biến thiên ⇒ suất điện động xoay chiều cùng tần số với âm (|e| = N|ΔΦ|/Δt). Âm to ⇒ e lớn; âm cao ⇒ e đổi nhanh.
✦Loa điện động: tín hiệu âm (dòng xoay chiều) chạy vào cuộn dây đặt trong từ trường ⇒ lực từ F = BIl đổi chiều theo dòng ⇒ kéo màng loa dao động ⇒ phát sóng âm cùng tần số.
✦Hai thiết bị cấu tạo giống nhau (cuộn dây + nam châm + màng) nhưng làm việc ngược chiều: micro dùng cảm ứng điện từ, loa dùng lực từ.
✦Micro điện động nhỏ nên e chỉ cỡ mili vôn, phải qua bộ khuếch đại trước khi vào loa.

🎤 Micro

Âm thanh → dao động của màng và cuộn dây → cảm ứng điện từ → tín hiệu điện xoay chiều.

🔊 Loa

Tín hiệu điện xoay chiều → lực từ lên cuộn dây → dao động của màng → âm thanh.

Dạng bài

Tính suất điện động ở cuộn dây micro

1 Lấy độ biến thiên từ thông qua một vòng ΔΦ (Wb) và khoảng thời gian Δt (đổi ms ra s).
2 |e| = N·|ΔΦ|/Δt.
3 Đổi V sang mV nếu cần (1 V = 1000 mV).
4 Thử lại: e của micro cỡ mili vôn, không thể ra hàng chục vôn.

⚠️ Bẫy hay gặp: Cho rằng màng rung 440 Hz thì e có tần số 880 Hz (vì đổi chiều 2 lần). Mỗi chu kì dao động của màng ứng đúng một chu kì của e: e cũng có tần số 440 Hz.

🎤

Làm mẫu

Cuộn dây của một micro có 50 vòng. Khi màng rung, từ thông qua mỗi vòng biến thiên 4·10⁻⁸ Wb trong 1 ms. Tính độ lớn suất điện động.

Hướng dẫn giải

Thử tự giải trước nhé!

4 🔋 Sạc không dây

Cần nhớ

✦Đế sạc có cuộn phát nối nguồn điện xoay chiều (qua mạch tạo dòng biến đổi) ⇒ sinh từ trường biến thiên. Điện thoại có cuộn thu: từ thông qua nó biến thiên ⇒ dòng cảm ứng ⇒ mạch điện nạp pin.
✦Cần dòng biến đổi ở cuộn phát: dòng không đổi cho từ trường không đổi ⇒ cuộn thu không có e, pin không được sạc.
✦Hai cuộn càng xa nhau (hoặc lệch tâm, đặt nghiêng) thì từ thông của cuộn phát xuyên qua cuộn thu càng ít ⇒ e nhỏ ⇒ hiệu suất giảm nhanh.
✦Hiệu suất H = P_nhận vào pin / P_lấy từ ổ. Sạc không dây thường có H thấp hơn sạc có dây; phần hao phí biến thành nhiệt.

Dạng bài

Tính thời gian sạc

1 Năng lượng pin: E = (dung lượng, Ah) × (điện áp, V) = Wh. Đổi mAh ra Ah (÷ 1000).
2 Công suất nạp vào pin: P_pin = H·P_ổ.
3 t = E/P_pin (giờ).
4 Thử lại: P_pin · t phải bằng E; có hao phí thì t lớn hơn E/P_ổ.

⚠️ Bẫy hay gặp: Quên hiệu suất: t = 11,410 = 1,14 h ≈ 68 phút, nhanh hơn thực tế gần 30 phút.

🔋

Làm mẫu

Đế sạc không dây lấy 10 W từ ổ điện, hiệu suất truyền 70 %. Pin điện thoại 3000 mAh, 3,8 V. Sạc đầy từ 0 mất bao lâu?

Hướng dẫn giải

Thử tự giải trước nhé!

5 🏙️ Hiện tượng quanh ta

✦🚄 Phanh nam châm ở tàu lượn siêu tốc và tàu cao tốc: nam châm lướt qua tấm kim loại, dòng Foucault hãm tàu êm ái mà không có chỗ nào cọ xát.
✦🚪 Cổng dò kim loại ở sân bay: cuộn dây tạo từ trường biến thiên, vật kim loại đi qua sinh dòng Foucault làm thay đổi tín hiệu ⇒ báo động.
✦🪪 Thẻ giao thông không tiếp xúc: cuộn dây trong thẻ nhận năng lượng cảm ứng từ đầu đọc, không cần pin.
✦⚡ Công tơ điện cơ: đĩa nhôm quay giữa các cuộn dây nhờ dòng Foucault; số vòng quay tỉ lệ với điện năng tiêu thụ.
✦🔧 Lõi biến áp ghép từ lá thép cách điện (chuyên đề 3) để dòng Foucault không làm nóng lõi và hao phí điện.

6 💡 Mẹo làm nhanh và lỗi hay sai

⚡ Mẹo làm nhanh trắc nghiệm

✦Gặp "bếp từ" ⇒ hỏi hai câu: vật có dẫn điện không (thuỷ tinh, gốm: không nóng)? có từ tính không (nhôm, đồng: rất chậm)?
✦Gặp "nam châm rơi trong ống": nhựa ⇒ tự do; nhôm liền ⇒ chậm nhất; nhôm xẻ khe ⇒ ở giữa. Thứ tự thời gian: nhựa < xẻ khe < liền.
✦Phân biệt micro với loa bằng chiều biến đổi: micro âm → điện (cảm ứng); loa điện → âm (lực từ).
✦Mọi ứng dụng ở đây đều cần từ thông biến thiên hoặc nam châm chuyển động: từ trường đứng yên ⇒ không có gì xảy ra.

⚠️ Lỗi hay sai nhất

✦Cho rằng nồi nhôm nóng rất nhanh vì dẫn điện tốt: điện trở nhỏ nên công suất toả nhiệt I²R rất bé, nồi nhôm nóng chậm hơn nồi sắt nhiều.
✦Quên hiệu suất bếp: 2000 W, H = 90 % mà tính t = Q/2000 thay vì Q/1800 (sai 10 %).
✦Nghĩ nhôm hút nam châm: ống nhôm cản nam châm chỉ khi nó đang chuyển động (F ∝ v).
✦Nhầm loa với micro: loa dùng lực từ F = BIl, không phải cảm ứng; micro dùng cảm ứng.
✦Cho e của micro có tần số gấp đôi tần số âm (880 Hz thay vì 440 Hz).
✦Quên đổi mAh ra Ah: 3000 mAh = 3 Ah, không phải 3000 Ah.

📏 Kiểm tra đơn vị và độ lớn

✦Wh = W·h; 1 Wh = 3600 J. 1 mAh · 3,8 V = 3,8 mWh. 1 ms = 10⁻³ s; 1 mV = 10⁻³ V.
✦Bếp từ gia đình cỡ 1000–2200 W, hiệu suất cỡ 90 %; đun 1 lít nước từ 25 °C tới sôi mất cỡ vài phút.
✦Nam châm rơi trong ống nhôm dài vài chục cm đến 1 m thường mất vài giây; rơi tự do cùng quãng đường chỉ cỡ nửa giây.
✦Sạc không dây cỡ 5–15 W, hiệu suất vài chục phần trăm; e ở micro cỡ mili vôn.

✏️ Luyện tập

Làm xong mỗi nhóm bấm Kiểm tra. Câu sai có lời giải ngắn và nút quay lại phần kiến thức.

🌀

Dòng Foucault

1
Nhận biết
Dòng Foucault là
2
Thông hiểu
Lõi sắt của máy biến áp được ghép từ nhiều lá thép mỏng cách điện với nhau, không dùng một khối thép liền, nhằm
3
Thông hiểu
Dòng Foucault chạy trong một khối kim loại đang chuyển động trong từ trường gây ra
4
Vận dụng
Một vòng dẫn có điện trở không đổi nằm trong từ trường biến thiên. Nếu từ thông biến thiên nhanh gấp đôi (cùng độ biến thiên, mất nửa thời gian) thì công suất toả nhiệt trong vòng dẫn

🍳

Bếp từ

1
Nhận biết
Bếp từ làm nóng nồi chủ yếu nhờ
2
Thông hiểu
Nồi nào sau đây không thể đun nóng trực tiếp trên bếp từ?
3
Thông hiểu
Cuộn dây của bếp từ phải được cấp dòng điện xoay chiều tần số cao (cỡ chục kHz), vì
4
Vận dụng
Bếp từ 2000 W, hiệu suất 90 %, đun 1,5 kg nước từ 20 °C lên 100 °C (c = 4200 J/(kg·K)). Thời gian đun là
5
Thông hiểu
Bốn vật cùng khối lượng đặt lên bếp từ công suất 1000 W trong 60 s: A là nồi sắt, B là nồi inox từ tính, C là nồi nhôm, D là đĩa thuỷ tinh. Nhiệt độ đáy ban đầu 20 °C, sau 60 s: $t_{60} (^{\circ} C) A 68 B 61 C 23 D 20$ Nhận xét nào đúng?

🧲

Phanh điện từ và nam châm rơi

1
Nhận biết
Phanh điện từ hãm đĩa kim loại đang quay nhờ
2
Thông hiểu
Thả hai nam châm giống nhau, một vào ống nhôm dài, một vào ống nhựa dài cùng kích thước đặt thẳng đứng. Nam châm
3
Thông hiểu
Thả nam châm qua ống dài 1,2 m: A là ống nhựa, B là ống nhôm liền, C là ống nhôm xẻ một khe dọc suốt chiều dài. Thời gian rơi: $t (s) A 0, 5 B 4, 2 C 0, 9$ Kết luận nào đúng?
4
Thông hiểu Nam châm rơi qua ống nhôm dài 1,2 m mất 4,8 s. Tốc độ trung bình là cm/s.
5
Vận dụng
Vì sao nam châm rơi trong một ống nhôm đủ dài dần chuyển sang rơi với tốc độ không đổi?

🎤

Micro và loa

1
Nhận biết
Micro điện động biến đổi
2
Thông hiểu
Trong loa điện động, khi dòng xoay chiều (tín hiệu âm) chạy qua cuộn dây đặt trong từ trường của nam châm thì
3
Thông hiểu Cuộn dây của một micro có 50 vòng; từ thông qua mỗi vòng biến thiên 4·10⁻⁸ Wb trong 1 ms. Độ lớn suất điện động là mV.
4
Vận dụng
Màng của micro dao động với tần số 440 Hz (nốt la). Suất điện động ở hai đầu cuộn dây của micro là

🔋

Sạc không dây

1
Thông hiểu
Đế sạc không dây phải có dòng xoay chiều (hoặc dòng biến đổi) chạy trong cuộn phát, vì
2
Vận dụng
Một nhóm đo hiệu suất sạc không dây theo khoảng cách d giữa cuộn phát và cuộn thu: $d (mm) η (%) 278461640822$ Nhận xét nào đúng?
3
Vận dụng Đế sạc lấy 10 W từ ổ điện, hiệu suất truyền 70 %. Pin 3000 mAh, 3,8 V. Sạc đầy từ 0 mất bao nhiêu giờ (làm tròn đến 0,1)? Đáp số:
4
Thông hiểu
Đặt điện thoại lệch khỏi tâm đế sạc thì sạc chậm hoặc ngắt, vì

🏆 Luyện theo dạng đề tốt nghiệp

Đề Vật lí có 3 phần: 18 câu 4 lựa chọn, 4 câu đúng/sai (mỗi câu 4 ý) và 6 câu trả lời ngắn (đáp số tối đa 4 ký tự, kể cả dấu − và dấu phẩy). Dưới đây là đủ 3 dạng, chỉ dùng kiến thức của bài này.

🅰️

Phần I · Trắc nghiệm 4 lựa chọn

1
Thông hiểu
Bếp từ 1500 W, hiệu suất 80 %, đun 1 kg nước từ 30 °C lên 100 °C (c = 4200 J/(kg·K)). Thời gian đun là
2
Thông hiểu
Thả nam châm vào ba ống dài bằng nhau: ống nhôm liền (X), ống nhôm xẻ khe dọc (Y), ống nhựa (Z). Thứ tự thời gian rơi từ ngắn đến dài là
3
Vận dụng
Khẳng định nào đúng khi so sánh loa điện động và micro điện động?

✅

Phần II · Đúng / sai

1
Thông hiểu
Một bếp từ công suất 2000 W, hiệu suất 90 %, đun 2 kg nước từ 25 °C lên 100 °C (c = 4200 J/(kg·K)).

a)Nhiệt lượng nước thu vào là 630 000 J.

b)Có thể đun trên bếp này bằng nồi thuỷ tinh chịu nhiệt vì thuỷ tinh chịu được nhiệt độ cao.

c)Thời gian đun khoảng 350 s.

d)Cuộn dây nung nóng mặt kính trước, mặt kính truyền nhiệt sang nồi.
2
Vận dụng
Thả một nam châm thẳng đứng vào ống nhôm dài đặt thẳng đứng, rồi thả vào ống nhựa cùng kích thước.

a)Trong ống nhôm, nam châm rơi chậm hơn so với trong ống nhựa.

b)Nam châm rơi chậm vì nhôm bị nam châm hút giữ lại.

c)Khi nam châm đã rơi đều trong ống nhôm, công suất toả nhiệt của dòng Foucault bằng công suất của trọng lực (mgv).

d)Xẻ một khe dọc suốt chiều dài ống nhôm thì nam châm rơi chậm hơn nữa.

🔢

Phần III · Trả lời ngắn

1
Thông hiểu Bếp từ 2000 W, hiệu suất 90 %, đun 2 kg nước từ 20 °C lên 70 °C (c = 4200 J/(kg·K)). Thời gian đun là bao nhiêu giây (làm tròn đến đơn vị)? Đáp số:
2
Vận dụng Cuộn dây của micro có 100 vòng; từ thông qua mỗi vòng giảm 6·10⁻⁸ Wb trong 2 ms. Độ lớn suất điện động là bao nhiêu mV? Đáp số:
3
Vận dụng Nam châm rơi qua ống nhôm thẳng đứng dài 1,5 m mất 5 s. Tốc độ trung bình là bao nhiêu cm/s? Đáp số:

🎯 Bài này vào đề tốt nghiệp ở đâu?

•Phần I hay hỏi giải thích bằng dòng Foucault: vì sao bếp từ làm nóng nồi sắt mà không nóng nồi thuỷ tinh, vì sao nam châm rơi chậm trong ống nhôm, loa khác micro ở chỗ nào.
•Phần II thường cho một tình huống thực tế (bếp từ, ống nhôm, sạc không dây) với các ý tính nhiệt lượng, thời gian và các ý nhận định đúng/sai về nguyên nhân (ý dễ sai: nhôm hút nam châm; mặt kính nóng trước).
•Phần III có thể yêu cầu tính nhiệt lượng, thời gian đun có hiệu suất, tốc độ trung bình hay |e| = N|ΔΦ|/Δt. Đổi đơn vị (ms, mAh, cm/s) trước khi tính.

Làm đề thi thử trọn bộ

Bài tiếp theo
Điện từ trường. Mô hình sóng điện từ