56 PHẦN III CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ I KIẾN THỨC CƠ BẢN 1 Hiện tượng cảm ứng điện từ Suất điện động cảm ứng a Từ thông Cảm ứng điện từ Khái niệm từ thông + Từ thông là đại lượng đặc trưng cho số đường sức từ x[.]
PHẦN III CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ I KIẾN THỨC CƠ BẢN Hiện tượng cảm ứng điện từ Suất điện động cảm ứng a Từ thông Cảm ứng điện từ Khái niệm từ thông + Từ thông đại lượng đặc trưng cho số đường sức từ xuyên qua bề mặt khung dây có diện tích S xác định theo công thức: = Φ BScosα Trong đó: Φ từ thơng, đơn vị Wb (Vêbe); B cảm ứng từ, đơn vị T; S diện tích khung dây, đơn vị m2 ; α góc tạo B pháp tuyến S Hiện tượng cảm ứng điện từ + Dịng điện xuất có biến đổi từ thơng qua mạch kín gọi dịng điện cảm ứng + Suất điện động sinh dòng điện cảm ứng mạch kín gọi suất điện động cảm ứng + Hiện tượng cảm ứng điện từ: tượng từ thơng qua khung dây biến thiên khung dây xuất dòng điện gọi dòng điện cảm ứng, kí hiệu Ic Lưu ý: Dịng điện cảm ứng tồn từ thông qua mạch biến thiên b Định luật Len-xơ chiều dòng điện cảm ứng + Dòng điện cảm ứng sinh mạch kín có chiều cho từ trường sinh (từ trường cảm ứng) có tác dụng chống lại nguyên nhân sinh (từ trường ban đầu) c Suất điện động cảm ứng + Suất điện động cảm ứng suất điện động sinh dịng điện cảm ứng mạch kín xảy tượng cảm ứng điện từ + Định luật Faraday suất điện động cảm ứng: "Độ lớn suất điện động cảm ứng xuất mạch kín tỉ lệ với tốc độ biến thiên từ thông qua mạch kín đó" ∆Φ ∆Φ ∆Φ , có N vòng: e c = − N Biểu thức: ec = − ⇒ ec = ∆t ∆t ∆t Tự cảm Suất điện động tự cảm Năng lượng từ a Hiện tượng tự cảm: Là tượng cảm ứng điện từ xảy mạch có dịng điện mà biến thiên từ thông qua mạch gây biến thiên cường độ dòng điện mạch kín b Mối liên hệ từ thơng dịng điện 56 N.i + Cảm ứng từ B ống dây: B= 4π.10−7 + Từ thông tự cảm qua ống dây: Φ = NBS = 4π.10−7 + góc với mặt vòng dây) N2 Đặt L = 4π.10−7 .S ⇒ Φ = L.i ống dây, đơn vị henri - H) N2 S.i ( B vuông (Với L độ tự cảm – hệ số tự cảm N2 N Chú ý: L =4π.10 S =4π.10−7 S ⇒ L =4π.10−7.n V −7 N V thể tích ống dây: V = S ( L chiều dài ống dây S tiết diện ngang ống dây) Trong mạch điện L kí hiệu hình vẽ + Suất điện động tự cảm: ∆ ( Li ) ∆φ ∆i ∆i e tc = − = − = − L ⇒ ®é lín: e tc = L ∆t ∆t ∆t ∆t Kết luận: Suất điện động tự cảm xuất tượng tự cảm có độ lớn tỉ lệ với tốc độ biến thiên dòng điện mạch + Năng lượng từ trường sinh bên ống dây: W = L.i 2 + Mật độ lượng từ trường w bên ống dây : 1 W = 4π.10−7.n i W = L.i = 4π.10−7.n V.i ⇒ w = 2 V Chú ý: Nếu ống dây có độ từ thẩm µ thì: −7 NI Cảm ứng từ B ống dây: B = 4π.10 µ Với n mật độ vòng dây: n = −7 N Độ tự cảm: L = 4π.10 S µ 57 II CÁC DẠNG TOÁN Dạng Chiều dòng điện cảm ứng A Phương pháp giải Bước 1: Xác định từ trường ban đầu (từ trường nam châm) theo quy tắc "Vào nam (S) Bắc (N)" Bước 2: Xác định từ trường cảm ứng Bc khung dây sinh theo định luật Lenxơ Xét từ thông qua khung dây tăng hay giảm Nếu Φ tăng B c ngược chiều B , Φ giảm B c chiều B Quy tắc chung: gần ngược – xa Nghĩa nam châm hay khung dây lại gần B c B ngược Cịn xa B c B ngược Bước 3: Xác định dòng điện cảm ứng sinh khung dây theo qui tắc nắm tay phải B VÍ DỤ MẪU Ví dụ tổng quát: Dùng định luật Len – xơ xác định chiều dòng điện cảm ứng khung dây dẫn trường hợp sau: a) Thanh nam châm rơi đến gần khung dây, sau qua khung dây rơi khỏi khung dây b) Con chạy biến trở R di chuyển sang phải c) Đưa khung dây xa dịng điện d) Đóng khóa K e) Giảm cường độ dòng điện ống dây f) Khung dây ban đầu từ trường hình vng, sau kéo thành hình chữ nhật ngày dẹt N a) S D A c) b) C D C A B I B A B d) v I D A C B 58 D C K e) f) D A C B D C Kéo B Kéo A B Hướng dẫn giải a) Thanh nam châm rơi đến gần khung dây, sau qua khung dây rơi khỏi khung dây B B C + Cảm ứng từ B nam châm có hướng vào S N N S D C + Khi nam châm rơi lại gần khung dây ABCD cảm ứng từ cảm ứng Bc khung dây có chiều ngược với với cảm ứng từ B Áp dụng quy tắc nắm bàn tay phải suy dòng điện cảm ứng A B khung dây ABCD có chiều từ A → D → C → B → A hình D C + Sau nam châm qua khung dây nàm châm BC xa dần khung dây nên lúc cảm ứng từ cảm ứng Bc khung dây có chiều với với A B cảm ứng từ B Áp dụng quy tắc nắm bàn tay phải B N suy dòng điện cảm ứng khung dây ABCD S có chiều từ A → B → C → D → A b) Con chạy biến trở R di chuyển sang phải + Dịng điện trịn sinh cảm ứng từ B có chiều từ + Khi biến trở dịch chuyển sang phải điện trở R tăng nên dịng điện I mạch giảm → cảm ứng từ B vòng dây tròn sinh giảm → từ thông giảm → từ trường cảm ứng Bc D A Ic I Bc C B B I 59 chiều với từ trường dòng điện trịn (chiều từ ngồi) + Áp dụng quy tắc nắm bàn tay phải suy chiều dịng điện cảm ứng khung dây ABCD có chiều từ A → B → C → D → A c) Đưa khung dây xa dòng điện + Cảm ứng từ B dòng điện I gây khung dây A Ic B ABCD có chiều từ ngồi vào + Vì khung dây xa dịng điện I nên từ thơng giảm + B v → từ trường cảm ứng Bc khung dây I + chiều với từ trường B Bc + Áp dụng quy tắc nắm bàn tay phải suy chiều D C dòng điện cảm ứng khung dây ABCD có chiều từ A → B → C → D → A d) Đóng khóa K + Khi đóng khóa K mạch có dịng điện I Bc tăng từ đến I D C Ic + Áp dụng quy tắc nắm bàn tay phải xác định A B chiều cảm ứng từ B bên ống dây có chiều hình + Vì dịng điện có cường độ tăng từ đến I nên từ thông tăng suy cảm ứng từ cảm ứng Bc có chiều ngược với chiều cảm ứng từ B B + Áp dụng quy tắc nắm bàn tay phải suy chiều dòng điện cảm ứng khung dây ABCD có chiều từ A → B → C → D → A e) Giảm cường độ dòng điện ống dây + Cảm ứng từ B bên ống dây C D có chiều từ xuống hình + Vì cường độ dịng điện giảm nên từ thông gửi qua khung dây ABCD A Ic B I giảm cảm ứng từ cảm ứng Bc chiều với cảm ứng từ B Bc B ống dây + Áp dụng quy tắc nắm bàn tay phải suy chiều dịng điện cảm ứng khung dây ABCD có chiều từ A → D → C → B → A f) Kéo khung dây thành hình chữ nhật ngày dẹt 60 Khi hai hình có chu vi hình vng có diện tích lớn hình chữ nhật Do đó, q trình kéo diện tích khung giảm dần, dẫn đến từ thông qua khung giảm ⇒ từ trường cảm ứng BC chiều với B ⇒ dòng điện D Bc Bài Xác định chiều dòng điện cảm ứng khung dây kín ABCD, biết cảm ứng từ B giảm dần Bài Một nam châm đưa lại gần vịng dây hình vẽ Hỏi dịng điện cảm ứng vịng dây có chiều vịng dây chuyển động phía nào? Bài Cho hệ thống hình Khi nam châm lên dịng điện cảm ứng vịng dây có chiều nào? Vòng dây chuyển động nào? C kéo kéo A I cảm ứng IC có chiều A → B→C→ D→ A C BÀI TẬP VẬN DỤNG B B A B B D C S N S N Bài Hai vòng dây dẫn trịn bán kính đặt đồng tâm, vng góc nhau, cách điện với Vịng có dịng điện I qua Khi giảm I, vịng hai có dịng điện cảm ứng khơng ? Nếu có, xác định chiều dịng điện cảm ứng hình vẽ B 61 A Bài Thí nghiệm bố trí hình vẽ Xác định chiều dịng điện cảm ứng mạch C chạy biến trở xuống? MP C R G N Q D HƯỚNG DẪN GIẢI BÀI TẬP VẬN DỤNG Bài + Vì cảm ứng từ B giảm nên từ thông A giảm, cảm ứng từ Bc phải chiều với cảm ứng từ B Ic + Áp dụng quy tắc nắm bàn tay phải suy chiều dịng điện cảm ứng có chiều D với chiều kim đồng hồ Bài + Cảm ứng từ nam châm có chiều vào S N B Bc B C + Vì nam châm lại gần nên cảm ứng từ cảm ứng Bc ngược chiều với cảm ứng từ B nam châm ⇒ cảm ứng từ Bc có chiều từ phải sang trái + Áp dụng quy tắc nắm bàn tay phải suy chiều dòng điện cảm ứng có chiều hình vẽ + Cảm ứng từ cảm ứng khung dây có chiều vào mặt Nam mặt bắc ⇒ mặt đối Bc diện khung dây với nam châm mặt bắc S N Ic + Vì cực bắc nam châm lại gần mặt bắc B vòng dây nên vòng dây bị đẩy xa Bài + Từ trường nam châm sinh có S chiều vào S N (chiều từ xuống dưới) N + Nam châm xa nên từ trường cảm ứng Bc khung dây sinh có chiều chiều với chiều từ Ic 62 B c B trường B nam châm từ xuống + Áp dụng quy tắc nắm tay phải suy chiều dịng điện cảm ứng hình + Cảm ứng từ khung dây sinh (cảm ứng từ cảm ứng) có chiều vào mặt nam mặt bắc + Vì mặt nam khung dây đối diện với cực bắc nam châm nên chúng hút khung dây chuyển động lên Bài Từ trường dòng điện I vòng dây trịn có phương vng góc với mặt phẳng vòng dây 1, nghĩa song song với mặt phẳng vịng dây Do I biến thiên từ trường I gây biến thiên đường sức điện song song với mặt phẳng vòng dây nên từ thơng qua vịng dây khơng nên khơng có dịng điện cảm ứng xuất vòng dây Bài + Dòng điện mạch điện chạy từ M MP đến N có chiều từ cực dương sang cực A âm nên cảm ứng từ B dòng điện R chạy mạch MN gây mạch C I B G kín C có chiều từ ngồi + Khi chạy biến trở xuống điện trở giảm nên Bc dòng điện tăng ⇒ cảm ứng từ B tăng nên từ thông qua Ic mạch C tăng ⇒ cảm ứng từ cảm ứng Bc phải ngược N Q chiều với B + Áp dụng quy tắc nắm bàn tay phải suy chiều dòng điện cảm ứng có chiều với chiều kim đồng hồ 63 Dạng Từ thơng khung dây kín – suất điện động cảm ứng A PHƯƠNG PHÁP GIẢI + Từ thơng gửi qua khung dây có N vịng: = Φ NBScos α (Wb) = α n, B ( ) Trong đó: Φ từ thơng, đơn vị Wb (Vêbe); B cảm ứng từ, đơn vị T; S diện tích khung dây, đơn vị m2 ; α góc tạo B pháp tuyến n S • Nếu khơng có điều kiện bắt buộc với chiều n chọn chiều n cho α góc nhọn + Suất điện động cảm ứng khung dây có N vịng: ∆Φ ∆Φ ec = −N ⇒ ec = N ∆t ∆t + Dòng điện cảm ứng chạy dây dẫn có điện trở R: i c = Lưu ý: Nếu B biến tiên ∆Φ = S.cosα.∆ = B S.cosα.∆ ( B2 − B1 ) ec R Nếu S biến tiên ∆Φ = B.cosα= ∆S B.cosα.∆ ( S2 − S1 ) Nếu α biến tiên ∆Φ = B.S.∆ ( cosα ) = B.S.∆ ( cosα − cosα1 ) Khi nói mặt phẳng khung dây hợp với cảm ứng từ B góc β α= 90 ± β B VÍ DỤ MẪU Ví dụ 1: Một khung dây hình vng cạnh a = 10 cm đặt từ trường có cảm ứng từ B = 0,5T Hãy tính từ thông gửi qua khung trường hợp sau: a) Cảm ứng từ B hợp với pháp tuyến mặt phẳng khung dây góc 600 b) Mặt phẳng khung dây hợp với cảm ứng từ B góc 600 c) Mặt phẳng khung dây hợp với cảm ứng từ B góc 300 (chiều pháp tuyến với mặt phẳng khung dây tùy chọn) d) Các đường sức từ có hướng song song với mặt phẳng khung e) Các đường sức từ có hướng vng góc với mặt phẳng khung Hướng dẫn giải n B + Diện tích khung dây hình vng cạnh a = 10 cm: 2 = S a= 0,1= 0,01( m ) a) Từ thông gửi qua khung dây: = Φ BScos = α 0,5.0,01.c os60 = 2,5.10−3 ( Wb ) b) Trường hợp mặt phẳng khung dây hợp với B góc 600 theo chiều pháp tuyến khung dây 600 a a n1 B α1 a a 600 α2 n2 64 ⇒ α1 = 300 + Từ thông gửi qua khung dây lúc này: = Φ1 BScos = α1 0,5.0,01.c os30 = 4,33.10−3 ( Wb ) + Trường hợp mặt phẳng khung dây hợp với B góc 600 ngược chiều pháp tuyến khung dây ⇒ α = 1500 + Từ thông gửi qua khung dây lúc này: Φ =BScos α =0,5.0,01.c os1500 =−4,33.10−3 ( Wb ) c) Chiều pháp tuyến với mặt phẳng khung dây tùy chọn nên để đơn giản ta chọn hướng mặt phẳng hợp với cảm ứng từ B góc 300 α = 600 + Từ thơng gửi qua khung dây: 2,5.10−3 ( Wb ) = Φ BScos = α 0,5.0,01.c os60 = d) Khi đường sức song song với mặt phẳng khung dây α = 900 + Từ thông gửi qua khung dây: 0 = Φ BScos = α 0,5.0,01.c os90 = n B α a 300 a n α a e) Khi đường sức từ có hướng vng góc với mặt khung dây α = + Từ thông gửi qua khung dây lúc này: = Φ BScos = α 0,5.0,01.c= os00 5.10−3 ( Wb ) a n B B a a Ví dụ 2: Cuộn dây có N = 100 vịng, diện tích vịng S = 300cm2 có trục song song với B từ trường đều, B = 0,2T Quay cuộn dây để sau Δt = 0,5s , trục vng góc với B Tính suất điện động cảm ứng trung bình cuộn dây Hướng dẫn giải Ban đầu: + Trục vòng dây song song với B nên:= α1 n;B = ( ) + Từ thông qua N vòng dây lúc đầu: = Φ1 NBScos = α1 NB1S Lúc sau: 65 ... BÀI T? ??P VẬN DỤNG Bài M? ?t khung dây dẫn có 2000 vịng đ? ?t từ trường cho đường sức t? ?? vng góc với m? ?t phẳng khung Diện t? ?ch m? ?t phẳng vịng dm2 Cảm ứng t? ?? t? ?? trường giảm t? ?? giá trị 0,5 T đến 0,2 T thời... Khung dây đ? ?t từ trường 2,4.10-3 Khung dây nằm m? ?t phẳng hình vẽ Cảm ứng t? ?? biến thiên theo thời B gian theo đồ thị a) T? ?nh độ biến thiên t? ?? thơng qua khung dây kể t? ?? lúc t = đến 0,4 t = 0,4s b)... hình vẽ + Su? ?t điện động t? ?? cảm: ∆ ( Li ) ∆φ ∆i ∆i e tc = − = − = − L ⇒ ®é lín: e tc = L ? ?t ? ?t ? ?t ? ?t K? ?t luận: Su? ?t điện động t? ?? cảm xu? ?t tượng t? ?? cảm có độ lớn t? ?? lệ với t? ??c độ biến thiên dòng