Chương 5 CẢM ỨNGĐIỆNTỪ Hiện tượng cảmứngđiệntừ do nhà bác học người Anh là Michael Faraday phát minh năm 1831. Phát minh này mở đường cho việc chế tạo máy phát điện và nhiều thiết bò điện khác có ứng dụng rộng rãi trong đời sống và sản xuất hiện nay. Ơn nhanh ChươngCảmứngđiệntừ GV Nguyễn Đức Hiệp – GoEdu – Mạng Việt Nam 2 YÊU CẦU CẦN ĐẠT • KIẾN THỨC Mô tả được hiện tượng cảmứngđiện từ, hiểu được khái niệm từ thông và các cách làm biến đổi từ thông. Phát biểu được đònh luật Fa-ra-đây về cảmứngđiệntừ và đònh luật Len-xơ về chiều dòng điệncảm ứng. Nêu được dòng điện Fu-cô và tác dụng của dòng Fu-cô. Nắm được hiện tượng tự cảm, khái niệm độ tự cảm. Viết được công thức tính năng lượng của từ trường trong ống dây. • KĨ NĂNG - Vận dụng được các công thức : F = BScosα, E = t ∆Φ − ∆ và E = Bvlsinα. - Vận dụng được đònh luật Len-xơ và quy tắc bàn tay phải xác đònh chiều dòng điệncảm ứng. - Tính được suất điện động cảm ứng, suất điện động tự cảm, năng lượng từ trường trong ống dây. CẢM ỨNGĐIỆNTỪCẢMỨNGĐIỆNTỪCẢMỨNGĐIỆNTỪCẢMỨNGĐIỆNTỪ Ơn nhanh ChươngCảmứngđiệntừ GV Nguyễn Đức Hiệp – GoEdu – Mạng Việt Nam 3 CẢM ỨNGĐIỆNTỪ Ôn 1. Từ thông Từ thông Φ qua một diện tích S, giới hạn bởi một vòng dây kín phẳng C, đặt trong từ trường đều có cảmứngtừ B là một đại lượng có biểu thức : Φ = BScosα với α là góc giữa vectơ B và pháp tuyến n (dương) của mặt S. Đơn vò từ thông là Vêbe (Wb). 2. Hiện tượng cảmứngđiệntừ Hiện tượng cảmứngđiệntừ là sự xuất hiện dòng điệncảmứng trong mạch kín khi từ thông qua mạch đó biến đổi. Suất điện động sinh ra dòng điệncảmứng trong mạch điện kín là suất điện động cảm ứng. 3. Đònh luật Fa-ra-đây về cảmứngđiệntừ Khi có sự biến đổi từ thông qua mặt giới hạn bởi một mạch điện kín thì trong mạch xuất hiện suất điện động cảm ứng. CHỦ ĐỀ Ơn nhanh ChươngCảmứngđiệntừ GV Nguyễn Đức Hiệp – GoEdu – Mạng Việt Nam 4 Dòng điệncảmứng chỉ tồn tại trong thời gian từ thông Φ biến đổi; nếu Φ ngừng biến đổi thì dòng điệncảmứng tắt. 4. Đònh luật Len-xơ Dòng điệncảmứng có chiều sao cho từ trường của nó có tác dụng chống lại nguyên nhân đã sinh ra nó. Chiều của dòng điệncảmứng chạy trên đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường (khi đoạn dây dẫn là một phần của mạch kín) cũng được xác đònh bằng quy tắc bàn tay phải. 5. Suất điện động cảmứng là suất điện động sinh ra dòng điệncảmứng trong mạch kín, nó tỉ lệ với độ biến thiên từ thông qua mạch và tỉ lệ nghòch với khoảng thời gian của sự biến thiên ấy (tức là tỉ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông) : ∆Φ = − ∆ c , t E (dấu trừ biểu thò quy tắc Len-xơ). - Nếu mạch kín có N vòng dây thì ∆Φ = − ∆ c N t E - Suất điện động cảmứng xuất hiện trong một đoạn dây dẫn chiều dài l chuyển động với vận tốc v trong từ trường có cảmứngtừ B bằng : E C = Blvsinα với v và B cùng vuông góc với đoạn dây và α là góc giữa B và v. 6. Hiện tượng tựcảm là hiện tượng cảmứngđiệntừ do chính sự biến đổi của dòng điện trong mạch đó gây ra, trong một mạch kín. Suất điện động tựcảm xuất hiện trong mạch, khi xảy ra hiện tượng tự cảm, có biểu thức : ∆ = − ∆ tc I L t E Ơn nhanh ChươngCảmứngđiệntừ GV Nguyễn Đức Hiệp – GoEdu – Mạng Việt Nam 5 trong đó ∆I là độ biến thiên cường độ dòng điện trong mạch trong thời gian ∆t; L là hệ số tựcảm (hay độ tự cảm) của mạch có giá trò tuỳ thuộc hình dạng và kích thước của mạch, có đơn vò là henri (H) ; dấu trừ biểu thò quy tắc Len- xơ. 7. Năng lượng từ trường của ống dây dẫn có độ tựcảm L và có dòng điện I chạy qua : 2 7 2 LI 1 W 10 B V. 2 8 = = π (B là cảmứngtừ của từ trường trong ống dây). Mật độ năng lượng từ trường là : 7 2 1 w 10 B . 8 = π Luyện DẠNG 1. TỪ THÔNG. HIỆN TƯNG CẢMỨNGĐIỆNTỪ Phương pháp chung Áp dụng các công thức : • Φ = BScosα • ∆Φ = − ∆ E c , t (dấu trừ biểu thò quy tắc Len-xơ). Nếu mạch kín có N vòng dây thì ∆Φ = − ∆ E c N t • Suất điện động cảmứng trong một đoạn dây chuyển động E C = Blvsinα • Đònh luật Len-xơ : Dòng điệncảmứng xuất hiện trong mạch có chiều sao cho từ trường cảmứng có tác dụng chống lại sự biến thiên của từ thông ban đầu qua mạch kín. Ơn nhanh ChươngCảmứngđiệntừ GV Nguyễn Đức Hiệp – GoEdu – Mạng Việt Nam 6 1. Một hình vuông cạnh 10 cm được đặt trong trong từ trường đều B = 0,4 T. Lúc đầu đường sức từ vuông góc với mặt phẳng khung. Quay mặt phẳng khung trong 0,01 s để mặt phẳng khung dây song song với đường sức từ. a. Tính độ biến thiên của từ thông. b. Tính suất điện động trung bình xuất hiện trong khung dây. GIẢI a) ( ) − ∆Φ = Φ − Φ = − = − × × 2 o 2 2 1 0 BS.cos0 0,4 10.10 1 = −4.10 −3 Wb b) 3 2 ( 4.10 ) 0,4 V t 10 − − ∆Φ − = − = − = ∆ E 2. Một vòng dây dẫn tròn có đường kính 0,1 m, gồm 1 000 vòng dây, đặt trong một từ trường đều có cảmứngtừ B = 0,07 T. Vòng dây nối với điện trở R = 10 Ω tạo thành mạch kín. Bỏ qua điện trở của vòng dây. Nếu từ trường đổi hướng ngược lại và cảmứngtừ có độ lớn giảm xuống đến 0,03 T trong khoảng thời gian 0,1 s thì cường độ dòng điện trong vòng dây bằng bao nhiêu? GIẢI E = [ ] ( ) 2 0,03 ( 0,07) 0,05 N 1 000 7,85 V t 0,1 − − × π × ∆Φ − = − = ∆ 7,85 I = 0,785 A R 10 = = E 3. Thả rơi một khung dây dẫn hình chữ nhật ABCD. Giả thiết rằng trong khi rơi mặt phẳng khung dây luôn luôn nằm trong một mặt phẳng thẳng như hình vẽ). Khung chuyển động qua một miền có từ trường đều, các đường sức từ vuông góc với mặt phẳng khung dây (Hình vẽ bên). a) Giải thích vì sao sau khi thả khung rơi ít lâu thì khung chuyển động đều. b) Tính vận tốc của chuyển động đều của thanh. GIẢI Ơn nhanh ChươngCảmứngđiệntừ GV Nguyễn Đức Hiệp – GoEdu – Mạng Việt Nam 7 a) Khi khung dây rơi vào trong vùng có từ trường, từ thông qua mạch kín giới hạn bởi diện tích của khung biến thiên, trong mạch kín xuất hiện dòng điệncảmứng I C có chiều từ C sang D (theo quy tắc bàn tay phải). Lực từ F của từ trường tác dụng lên đoạn CD hướng lên trên để cản trở chuyển động rơi của khung. Lúc đầu F < mg nên khung dây chuyển động có gia tốc. Khi lực từ tác dụng lên khung cân bằng với trọng lực thì khung dây bắt đầu chuyển động đều. b) F = mg ⇒ BIl = mg; với B I r r = E = lv B( B r lv ) l = mg ⇒ 2 mgr B = 2 v l 4. Một thanh kim loại dài 1 m được treo bằng hai lò xo và nằm trong từ trường đều có cảmứngtừ B = 0,05 T như hình vẽ. Khi cho dòng điện có cường độ I = 10 A chạy qua thanh với chiều như trên hình thì lực căng của lò xo sẽ tăng hay giảm đi bao nhiêu niutơn ? GIẢI a) Khi có dòng điện chạy qua thanh, lực từ F của từ trường tác dụng lên thanh có phương vuông góc với thanh, có chiều hướng xuống. Lực căng của lò xo tăng lên. b) Lực căng của lò xo tăng lên : F = BIl = 0,05 × 10 × 0,5 = 0,25 N (lưu ý : khoảng cách giữa hai điểm treo cách nhau là 0,5 m; dòng điện chỉ chạy trên đoạn này của thanh). LUYỆN TẬP DẠNG 1 1. Một cuộn dây bán kính r = 3 cm, quay đều trong từ trường B = 0,5 T với tần số 50 Hz, trục quay vuông góc với đường sức từ. Ơn nhanh ChươngCảmứngđiệntừ GV Nguyễn Đức Hiệp – GoEdu – Mạng Việt Nam 8 Tính số vòng dây để có suất điện động cảmứng cực đại 110 V xuất hiện trong cuộn dây ? ĐS : N BS = ω E = 248 vòng 2. Một hình vuông cạnh 5 cm được đặt trong trong từ trường đều B = 0,01 T. Đường sức từ vuông góc với mặt phẳng khung. Quay mặt phẳng khung trong 0,1 s để mặt phẳng khung dây song song với đường sức từ. Tính suất điện động trung bình xuất hiện trong khung dây. ĐS : 2 2 Φ − Φ = = = ∆ ∆ E BS - 0 t t 0,25 mV 3. Một cuộn dây 100 vòng, điện trở 2 Ω, diện tích mỗi vòng 10 cm 2 . Tốc độ biến thiên cảmứngtừ qua mạch là bao nhiêu để cường độ dòng điện trong mạch là 0,1 A ? ĐS : B RI t nS ∆ = ∆ = 2 T/s 4. Một thanh nam châm đặt thẳng đứng bên trên một vòng dây dẫn (C) như hình vẽ bên. Hãy xác đònh chiều dòng điệncảmứng xuất hiện trong (C) khi cho nam châm rơi xuống. ĐS : Khi nam châm rơi phía bên trên vòng dây, dòng điệncảmứng có chiều ngược chiều kim đồng hồ. Sau đó nam châm rơi ở phía dưới vòng dây, dòng điệncảmứng có chiều kim đồng hồ. 5. Một khung dây dẫn đặt trong một từ trường có cảmứngtừ vuông góc với mặt phẳng của khung, chiều của các đường sức từ hướng vào trong mặt phẳng hình vẽ. Hãy xác đònh chiều dòng điệncảmứng xuất hiện trong khung khi độ lớn của cảmứngtừ giảm đều theo thời gian. ĐS : Dòng điệncảmứng có chiều kim đồng hồ. Ơn nhanh ChươngCảmứngđiệntừ GV Nguyễn Đức Hiệp – GoEdu – Mạng Việt Nam 9 6. Một dây dẫn dài 20 cm chuyển động với vận tốc 2,5 m/s trong một từ trường đều có cảmứngtừ vuông góc với mặt phẳng hình vẽ và có độ lớn B = 0,1 T. Xác đònh độ lớn suất điện động cảmứng ở đoạn dây dẫn và hướng chuyển động của các êlectron bên trong dây dẫn. ĐS : 0,05 V; êlectron chạy trong dây dẫn theo chiều từ M đến N. DẠNG 2. HIỆN TƯNG TỰ CẢM. NĂNG LƯNG TỪ TRƯỜNG Phương pháp chung Áp dụng các công thức • Suất điện động tự cảm: E tc = –L ∆ ∆ I t • Năng lượng từ trường của ống dây tựcảm : W = 1 2 LI 2 • *Mật độ năng lïng từ trường : w = 1 8 π 10 7 .B 2 5. Tính suất điện động cảmứng xuất hiện trong cuộn dây có hệ số tựcảm 0,5 H khi cường độ dòng điện biến thiên 10 A/s. GIẢI ∆ = ∆ E I L t = 0,5 × 10 = 5 V 6. Một cuộn dây 20 mH có dòng điện 0,5 A đi qua. a) Tính năng lượng từ trường của cuộn dây. b) Để năng lượng của ống dây là 0,05 J, cường độ dòng điện qua ống dây là bao nhiêu ? GIẢI Ơn nhanh ChươngCảmứngđiệntừ GV Nguyễn Đức Hiệp – GoEdu – Mạng Việt Nam 10 a) 2 3 2 1 1 W LI 20.10 0,5 2 2 − = = × = 0,0025 J b) 2W 2 0, 05 I L 0, 02 × = = = 1 A LUYỆN TẬP DẠNG 2 1. Từ trường B = 2,0 × 10 2 T là từ trường mạnh. a) Tính năng lượng của 1m 3 từ trường này. b) Tính cường độ điện trường để 1m 3 điện trường cũng cho năng lượng như trên. ĐS : a) 1,6 × 10 10 J;b) 6 × 10 10 V/m 2. Một cuộn dây 40 mH có dòng điện 2 A đi qua. a) Tính năng lượng từ trường của cuộn dây. b) Để năng lượng của ống dây là 1 J, cường độ dòng điện qua ống dây là bao nhiêu ? ĐS : a) 2 1 W LI 2 = = 0,08 J; b) 2W I L = = 7,07 A 3. Một cuộn dây có dòng điện tăng đều từ 0 A đến 2 A trong thời gian 1,5 ms. Khi đó suất điện động đo được là 28 V. a) Tính hệ số tựcảm của cuộn dây. b) Sau đó dòng điện giữ nguyên giá trò trong 2 s và giảm đến 0 trong vòng 3 s. Xác đònh suất điện động tựcảm trong các thời gian trên. c) Trong thời điểm nào, năng lượng của cuộn dây là cực đại. Tính năng lượng cực đại ấy. ĐS : a) 0,021 H; b) 14 V; c) Năng lượng của cuộn dây đạt cực đại khi cường độ dòng điện cực đại; 2 1 W LI 2 = = 0,042 J . chiều dòng điện cảm ứng. - Tính được suất điện động cảm ứng, suất điện động tự cảm, năng lượng từ trường trong ống dây. CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ Ơn. tượng cảm ứng điện từ Hiện tượng cảm ứng điện từ là sự xuất hiện dòng điện cảm ứng trong mạch kín khi từ thông qua mạch đó biến đổi. Suất điện động sinh ra dòng điện cảm ứng trong mạch điện. tượng cảm ứng điện từ, hiểu được khái niệm từ thông và các cách làm biến đổi từ thông. Phát biểu được đònh luật Fa-ra-đây về cảm ứng điện từ và đònh luật Len-xơ về chiều dòng điện cảm ứng.