Chương 1-4: Ứng Dụng Thực Tế Của Điện Tĩnh Và Từ Trường môn Vật lý đại cương 2 | Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông

Chương 1
Trong thực tế, trường tĩnh điện có nhiều ứng dụng:
+ Hỗ trợ lực căng cơ học
+ Ứng dụng cho micro tinh thể + Máy in phun
+ Sản xuất các vật liệu như các loại vật liệu siêu dẫn và chất liệu điện phân.
+ Ứng dụng làm các loại đồ bảo hộ như quần áo, găng tay, và giày chốn
tĩnh điện để bảo vệ con người trong các công việc đặc thù.
Trong số đó quen thuộc với đời sống chúng ta là sơn tĩnh điện - 1
phương pháp bảo vệ đồ vật bằng cách phủ lớp sơn dưới dạng bột khô
được gia nhiệt (nhựa nhiệt dẻo). Sơn tĩnh điện sử dụng phương pháp
tích điện cho bột sơn nhằm tạo nên liên kết bền vững với các chi tiết
cần phủ. Theo nguyên lý dòng điện mang điện tích dương (+) sẽ luôn
gắn chặt với điện tích âm (-). Chính vì vậy mà sơn tĩnh điện mang lại
chất lượng luôn đồng đều và gắn chặt với bề mặt. Nguyên lí hoạt động:
Sơn tĩnh điện hoạt động dựa vào nguyên lý là tạo ra lớp phủ trên bề
mặt vật liệu bằng cách sử dụng súng phun sơn. Phun lớp phủ đã được
tích điện lên bề mặt vật liệu rồi đem đi nung nóng, bột sơn sẽ chảy ra v
bám vào lớp bề mặt vật liệu tạo nên một liên kết bền vững. Thiết bị
được sử dụng trong sơn tĩnh điện gồm súng phun sơn và hệ thống dây
chuyền tự động. Trong công nghiệp để đảm bảo được nguyên lý và quy
trình sơn tĩnh điện thì cần phải đầu tư thêm buồng phun sơn,thu hồi
sơn, buồng hấp, buồng sấy, máy nén khí, máy tách ẩm và bồn hóa chất
để xử lý bề mặt vật liệu trước khi sơn. Ưu điểm:
+ Sơn tĩnh điện mang lại lợi ích cao về mặt kinh tế (99% sơn được sử
dụng triệt để) phần dư thừa được tái sử dụng. Sơn tĩnh điện không cần
sơn lót mà giá thành lại rẻ hơn các loại sơn thông thường.
+ Quy trình sơn có thể được thực hiện tự động hóa dễ dàng bằng hệ súng phun sơn tự động.
+ Trong khi các loại sơn thông thường có nhiều chất độc hại thì sơn tĩnh
điện không sử dụng dung môi hay hợp chất hữu cơ, lại dễ xử lí nên nó
sẽ không gây hại cho môi trường.
+ Sơn tĩnh điện khó bị ăn mòn bởi các tác nhân hóa học hay thời tiết.
Khi đóng rắn, sơn tĩnh điện tạo thành lớp bảo vệ có độ bền cao nên tuổi
thọ thành phẩm cũng tương đối cao.
Máy photocopy, máy in laser là thiết bị sử dụng để sao chép tài liệu và
hình ảnh lên giấy hoặc phim nhựa một cách nhanh chóng và giá rẻ.
Nguyên lí hoạt động: hoạt đ ng dựa trên lực tĩnh đi n và các đ c tính
ánh sáng. Lực tĩnh đi n với đi n thế lên đến hàng chục ngàn Volt sẽ
giúp tạo ra vùng ánh sáng quang đi n nạp đều lên bề m t trục in, ánh
sáng này sẽ được hướng đến h thống gương quang học để tái tạo n i
dung bản gốc trên trục in của máy. Tiếp đó trục in sẽ có tác dụng làm
nội dung in lên giấy như bản gốc. Ưu điểm:
+ Sao chép nhanh, giống bản gốc, giúp tạo nhiều bản sao trong thời gian ngắn.
+ Tăng năng suất công việc, giúp làm việc hiệu quả, tiết kiệm thời gian hơn.
+ Phục vụ, cung cấp văn bản cho hầu hết ngành nghề, lĩnh vực trong xã hội hiện nay.
Hệ thống lọc bụi tĩnh điện sử dụng buồng lọc tĩnh điện có tác dụng tách
các hạt bụi ra khỏi dòng khí khi chúng đi qua buồng lọc.
Nguyên lí hoạt động: Dựa trên nguyên lý ion hoá, các hạt bụi sẽ được
tách ra khỏi không khí khi dòng khi đi vào vùng điện trường lớn. Không
khí có bụi được đưa qua buồng lọc đặt các tấm lọc. Trên tấm lọc có cấp
điện cao áp từ một chiều, tạo thành điện trường có cường độ vô cùng
lớn. Các hạt bụi đi qua điện trường và bị ion hoá, chúng bị nhiễm điện
tích âm. Tại đầu tấm lọc mang điện tích dương, do đó dựa vào nguyên
lý trái dấu thì hút nhau: các hạt bụi sẽ bị hút về phía tấm lọc và bám
trên các tấm lọc. Nhờ vậy, bụi đã được tách ra khỏi dòng khí và được
thu lại tại tấm lọc. Sau đó bụi bị loại bỏ bằng hệ thống rũ bụi. Ưu điểm:
+ Hệ thống lọc bụi tĩnh điện là giải pháp tối ưu cho nhiều ngành công
nghiệp sản xuất hiện nay
+ Mang lại hiệu quả lọc bụi cao, có thể loại bỏ tới 99% bụi bẩn trong không khí
+ Ứng dụng tạo ra các hệ thống lọc khí thải công nghiẹp cũng như các
thiết bị lọc không khí trong gia đình. Chương 2 Tụ điện phẳng:
Ứng dụng trong mạch khuếch đại sử dụng transistor BJT:
Tụ phân áp (Bypass capacitor) (CE)
Chức năng: Tăng độ khuếch đại của mạch bằng cách bỏ qua điện trở hồi tiếp tại chân emitter. Tụ ghép (CC1)
Chức năng: Cho phép tín hiệu AC đi từ nguồn Vs vào chân base của transistor và chặn dòng DC
Mạch phân cực BJT (gồm R1,R2) tạo ra điện áp DC ổn định ở chân base
để transistor hoạt động trong vùng tuyến tính (active region).
Nếu không có CC1, điện áp DC từ nguồn Vs có thể làm mất thiên áp,
khiến transistor không khuếch đại đúng. Tụ cầu:
1. Thiết kế cảm biến và thiết bị đo độ nhạy cao
Cảm biến điện dung hoạt động dựa trên nguyên lý rằng:
Điện dung giữa hai điện cực sẽ thay đổi khi có vật thể (có hằng số
điện môi khác với không khí) tiến gần.
Sự thay đổi điện dung này được phát hiện và xử lý để xác định
khoảng cách, vị trí hoặc sự hiện diện của vật thể.
Trong trường hợp cảm biến dạng cầu:
Một cực là vật dẫn hình cầu (cầu kim loại)
Cực còn lại có thể là mặt đất, một lớp dẫn khác hoặc chính vật thể
mục tiêu (nếu tiếp xúc gần).
Ứng dụng: Tụ cầu có thể dùng trong các cảm biến tiệm cận hoặc điện
dung, nơi hình dạng cầu giúp tạo ra điện trường tập trung hoặc phân bố đều.
Lợi ích: Độ nhạy cao hơn ở khoảng cách ngắn so với các dạng tụ kh Tụ trụ:
1. Lọc tín hiệu trong mạch điện tử Trong các mạch khuếch đại hoặc
lọc tín hiệu, tụ trụ được dùng để lọc tần số, chặn DC và cho AC đi
qua (hoặc ngược lại). (giống tụ phẳng)
2. Khởi động động cơ:
Các tụ điện trụ (đặc biệt là loại tụ dầu hoặc tụ giấy có điện dung lớn)
được dùng để khởi động động cơ một pha, chẳng hạn như trong quạt điện, máy bơm nước…
Giúp tạo ra sự lệch pha cần thiết để tạo mô men khởi động.
Cấu tạo động cơ một pha (loại rôto lồng sóc)
Động cơ một pha dùng trong gia đình thường là loại rôto lồng sóc, có cấu tạo chính gồm:
Stato (phần đứng yên): gồm 2 cuộn dây:
oCuộn dây chính (chạy) – Main winding
oCuộn dây phụ (khởi động) – Start winding
Tụ điện khởi động (tụ điện trụ): nối nối tiếp với cuộn dây phụ
Rôto (phần quay): kiểu lồng sóc, không có cuộn dây
Trục quay gắn với cánh quạt hoặc cơ cấu truyền động
Vị trí và vai trò của tụ điện trụ
Vị trí: tụ điện trụ được nối tiếp với cuộn dây phụ, và toàn bộ mạch
cuộn phụ được mắc song song với cuộn chính.
Vai trò: tạo ra dòng điện lệch pha với cuộn chính → tạo ra mô men
khởi động ban đầu → giúp động cơ quay. Nguyên lý hoạt động - Khi cấp điện:
Dòng điện chạy qua cuộn chính và cuộn phụ (đã có tụ mắc nối tiếp).
Tụ điện tạo ra sự lệch pha khoảng 90° điện giữa dòng điện qua
cuộn chính và cuộn phụ.
Hai từ trường khác pha nhau này tạo ra từ trường quay – điều
kiện cần để rôto bắt đầu quay.
- Sau khi động cơ đạt tốc độ:
Ở một số động cơ, tụ sẽ bị ngắt ra nhờ rơ-le ly tâm hoặc mạch
điện tự động, chỉ cuộn chính còn hoạt động.
Một số loại động cơ giữ tụ điện hoạt động liên tục (tụ làm việc). Điện hưởng:
Cảm biến điện dung / màn hình cảm ứng điện dung
Cảm biến điện dung hoạt động dựa trên sự thay đổi điện dung khi có
vật dẫn điện hoặc vật mang điện (như ngón tay người) lại gần hoặc chạm vào vùng cảm ứng.
Khi không có vật thể, cảm biến có một điện dung nền cố định.
Khi ngón tay chạm hoặc gần cảm biến, do khả năng dẫn điện và điện
môi của da, điện dung tổng hợp thay đổi (tăng lên hoặc giảm đi).
Vi mạch trong cảm biến sẽ đo được sự thay đổi này và xác định vị trí chạm hoặc gần chạm.
Hoạt động của màn hình cảm ứng điện dung - Đo điện dung nền
Hệ thống đo trước khi có sự chạm để lấy điện dung nền chuẩn
- Phát hiện thay đổi điện dung
Khi ngón tay chạm lên màn hình, điện dung tại vị trí đó thay đổi do
ngón tay dẫn điện tạo tụ điện mới với các điện cực.
Hệ thống đọc sự thay đổi điện dung này bằng các mạch đo điện
dung (ví dụ: mạch đo cộng hưởng hoặc mạch đo RC).
- Xác định vị trí chạm
Dựa vào cặp tọa độ X và Y của điện cực có sự thay đổi điện dung lớn nhất.
Vị trí được tính toán chính xác với sai số vài mm hoặc nhỏ hơn. - Đa điểm (multi-touch)
Các màn hình hiện đại có thể phát hiện nhiều điểm chạm cùng lúc.
Hệ thống đo đồng thời nhiều vị trí có sự thay đổi điện dung.
Giúp xử lý các thao tác như phóng to, thu nhỏ, xoay ảnh. Chương 3
1. Ứng dụng của hiện tượng phân cực điện môi: màn hình LCD
Trong màn hình tinh thể lỏng (LCD), hiện tượng phân cực các phân tử
dưới điện trường được khai thác để điều khiển ánh sáng đi qua, từ đó
tạo ra hình ảnh hiển thị. Cấu tạo Một điểm ảnh LCD gồm:
Hai lớp kính có phủ điện cực trong suốt.
Lớp tinh thể lỏng nằm giữa hai lớp kính.
Bộ lọc phân cực ánh sáng ở trước và sau. Nguyên lý hoạt động
Khi không có điện trường, các phân tử tinh thể lỏng sắp xếp để xoay
phân cực ánh sáng → ánh sáng đi qua cả hai lớp lọc → điểm ảnh sáng.
Khi có điện trường, phân tử bị phân cực và thẳng hàng theo điện
trường → không xoay phân cực ánh sáng → ánh sáng bị chặn lại → điểm ảnh tối. Ứng dụng thực tế
Màn hình TV, điện thoại, máy tính, đồng hồ kỹ thuật số.
Thiết bị hiển thị trong máy tính bỏ túi, thiết bị y tế, đồng hồ thông minh.
2. Ứng dụng của điện trường trong điện môi: Cảm biến và vật liệu dẫn sóng
Sự thay đổi điện trường trong điện môi giúp kiểm soát và phát hiện sự
thay đổi môi trường xung quanh, từ đó ứng dụng trong các thiết bị cảm biến và ống dẫn sóng. Cấu tạo
Cảm biến điện dung: Gồm hai điện cực và lớp điện môi giữa.
Ống dẫn sóng điện môi: Dẫn sóng điện từ bằng vật liệu có hằng số điện môi xác định. Nguyên lý hoạt động
Khi vật thể đến gần cảm biến, điện môi thay đổi → điện trường
trong điện môi thay đổi → điện dung thay đổi → mạch điện phát hiện tín hiệu.
Trong ống dẫn sóng, điện trường trong điện môi quyết định tốc độ
truyền và hướng sóng → điều chỉnh được hiệu suất truyền dẫn. Ứng dụng thực tế
Màn hình cảm ứng điện dung, cảm biến mức, cảm biến độ ẩm,
nhận diện vật thể không tiếp xúc.
Ống dẫn sóng trong radar, truyền thông không dây, 5G.
3. Ứng dụng của điện môi: Máy biến áp cao áp và cách điện
Trong các thiết bị điện cao áp, điện môi đóng vai trò cách điện và truyền
năng lượng hiệu quả, đảm bảo an toàn cho thiết bị và con người. Cấu tạo
Lõi thép để dẫn từ thông.
Dây quấn đồng để dẫn dòng điện.
Chất điện môi như dầu cách điện, khí SF₆, hoặc vật liệu composite
đặt giữa các bộ phận dẫn điện. Nguyên lý hoạt động
Chất điện môi cách ly điện áp giữa các cuộn dây và giữa cuộn dây với vỏ máy.
Khi bị tác dụng của điện áp cao, các điện môi này phân cực nhưng
không dẫn điện, giúp chống phóng điện hồ quang. Ứng dụng thực tế
Dùng trong máy biến áp phân phối, biến áp cao thế, thiết bị đóng cắt điện.
Sử dụng dầu cách điện, khí SF₆ trong các trạm biến áp ngoài trời. Chương 4
1. Ứng dụng của từ trường: Động cơ điện
Động cơ điện là một thiết bị chuyển đổi năng lượng điện thành cơ
năng, hoạt động dựa trên nguyên lý tương tác giữa từ trường và dòng
điện. Khi dòng điện chạy qua cuộn dây trong động cơ, nó tạo ra một từ
trường. Từ trường này tương tác với từ trường của nam châm cố định,
tạo ra lực làm quay rotor của động cơ. Đây là nguyên lý hoạt động của
nhiều thiết bị gia dụng như quạt điện, máy giặt và máy hút bụi Cấu tạo
Động cơ điện thường bao gồm hai phần chính:
Stator (phần tĩnh): Gồm lõi thép và dây quấn, tạo ra từ trường
quay khi được cấp điện
Rotor (phần quay): Được đặt bên trong stator, thường là loại lồng
sóc, gồm các thanh nhôm hoặc đồng được đúc vào rãnh của lõi
thép và nối ngắn mạch ở hai đầu
Vỏ máy: Bảo vệ các bộ phận bên trong và hỗ trợ tản nhiệt. Nguyên lý hoạt động
Khi dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn dây stator, nó tạo ra một từ
trường quay. Từ trường này cắt qua các thanh dẫn trên rotor, gây ra
dòng điện cảm ứng trong rotor theo định luật Faraday. Dòng điện này
tương tác với từ trường stator, tạo ra lực điện từ làm rotor quay theo
chiều của từ trường quay. Ứng dụng thực tế
Động cơ điện được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị gia dụng như
quạt điện, máy giặt, máy hút bụi, và trong công nghiệp như máy bơm, máy nén khí, băng tải.
2. Từ thông ,Ứng dụng của từ thông qua định lý Ostrogradsky-Gauss: Máy biến áp
Định lý Ostrogradsky-Gauss, còn gọi là định lý phân kỳ, liên hệ giữa
thông lượng của một trường vector qua một bề mặt kín và phân kỳ của
trường đó trong thể tích mà bề mặt bao quanh. Trong lĩnh vực điện từ
học, định lý này giúp hiểu và tính toán từ thông trong các thiết bị như
máy biến áp. Máy biến áp hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện
từ, trong đó từ thông thay đổi trong cuộn dây sơ cấp tạo ra điện áp
trong cuộn dây thứ cấp. Việc áp dụng định lý Ostrogradsky-Gauss cho
phép phân tích và thiết kế hiệu quả các máy biến áp trong hệ thống truyền tải điện. +)Cấu tạo
Máy biến áp gồm các bộ phận chính:
Lõi thép: Được làm từ các lá thép kỹ thuật điện mỏng, ghép lại với nhau
để giảm tổn hao do dòng điện xoáy
Dây quấn: Gồm cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp, được quấn quanh lõi
thép. Số vòng dây của mỗi cuộn quyết định tỉ số biến áp
Vỏ máy: Bảo vệ các bộ phận bên trong và có thể chứa dầu cách điện để làm mát và cách điện. +)Nguyên lý hoạt động
Khi dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn sơ cấp, nó tạo ra từ trường
biến thiên trong lõi thép. Từ trường này cảm ứng một điện áp trong
cuộn thứ cấp theo định luật Faraday. Tỉ số điện áp giữa cuộn sơ cấp và
thứ cấp tỷ lệ với tỉ số số vòng dây của chúng. +)Ứng dụng thực tế
Máy biến áp được sử dụng để tăng hoặc giảm điện áp trong hệ thống
truyền tải điện, đảm bảo hiệu quả và an toàn khi cung cấp điện năng đến người tiêu dùng.
3. Tác dụng của từ trường lên dòng điện: Máy phát điện
Máy phát điện chuyển đổi năng lượng cơ học thành điện năng thông
qua hiện tượng cảm ứng điện từ. Khi một cuộn dây dẫn quay trong từ
trường, từ thông qua cuộn dây thay đổi theo thời gian, tạo ra một suất
điện động cảm ứng theo định luật Faraday. Điều này dẫn đến dòng điện
trong mạch điện. Máy phát điện là thành phần thiết yếu trong các nhà
máy điện và hệ thống cung cấp điện, cho phép sản xuất điện năng phục
vụ nhu cầu sinh hoạt và công nghiệp. Cấu tạo
Máy phát điện gồm các bộ phận chính
Động cơ: Cung cấp năng lượng cơ học để quay rotor.
Rotor (phần quay): Gồm các cuộn dây hoặc nam châm, tạo ra từ trường khi quay
Stator (phần tĩnh): Gồm các cuộn dây, trong đó dòng điện được cảm ứng khi rotor quay.
Hệ thống nhiên liệu: Cung cấp nhiên liệu cho động cơ (xăng, dầu diesel, khí đốt Nguyên lý hoạt động
Khi động cơ quay rotor, từ trường của rotor cắt qua các cuộn dây stator,
tạo ra dòng điện cảm ứng trong stator theo định luật Faraday. Dòng
điện này được dẫn ra ngoài để sử dụng. Ứng dụng thực tế
Máy phát điện được sử dụng để cung cấp điện dự phòng cho các tòa
nhà, bệnh viện, nhà máy, và trong các khu vực không có lưới điện.