2.4.1.1. Sơ đồ tiến trình khoa học xây dựng đơn vị kiến thức: Sự xuất hiện suất điện động cảm ứng trong một đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường. Chiều của dòng điện cảm ứng trong một đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường.
- Trong dây dẫn kim loại có các hạt elêctron tự do.
- Hạt mang điện chuyển động trong từ trường thì chịu tác dụng của lực Lorenxơ:
Có phương vuông góc với mặt phẳng chứa véc tơ vận tốc của hạt mang điện và véc tơ cảm ứng từ tại điểm khảo sát.
Có chiều tuân theo quy tắc sau: Đặt bàn tay trái duỗi thẳng để cho các đường cảm ứng từ xuyên vào lòng bàn tay, chiều từ cổ tay đến các ngón tay chỉ chiều của véc tơ vận tốc của hạt mang điện chuyển động, khi đó ngón cái choãi ra 900 chỉ chiều của lực Lorenxơ nếu hạt mang điện dương và chỉ chiều ngược lại nếu hạt mang điện âm.
Nếu một đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường với vận tốc v
vuông góc với đoạn dây dẫn và hợp với B
một góc thì có hiện tượng gì xảy ra trong đoạn dây dẫn đó? Nếu nối hai đầu đoạn dây dẫn bằng một dây dẫn thành mạch kín thì có hiện tượng gì xảy ra trong mạch kín đó?
Xét tác dụng của lực Lorenxơ lên các electron trong dây dẫn khi chúng chuyển động cùng với dây dẫn, để rút ra câu trả lời cho vấn đề đặt ra.
Khi đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường với vận tốc v
vuông góc với đoạn dây dẫn và hợp với B
một góc thì các elêctron tự do trong đoạn dây dẫn cũng bị kéo theo cùng đoạn dây,
do đó có lực Lorenxơ tác dụng lên chúng. Dưới tác dụng của lực lorenxơ, các elêctron chuyển động về một đầu đoạn dây làm một đầu thừa elêctron tích điện âm, đầu thiếu elêctron tích điện dương, hai đầu đoạn dây dẫn có một hiệu điện thế. Nếu nối hai đầu đoạn dây dẫn bằng một sợi dây dẫn thành mạch kín thì trong mạch có dòng điện. Khi đó đoạn dây dẫn đóng vai trò như một nguồn điện tức là có suất điện động ta gọi suất điện động này là suất điện động cảm ứng.
ở trong đoạn dây này chiều của dòng điện là ngược với chiều của lực Lorenxơ tác dụng lên hạt elêctron, ta có thể rút ra quy tắc xác định chiều của dòng điện trong đoạn dây dẫn chuyển động gọi là quy tắc bàn tay phải và từ đó suy ra chiều của dòng điện trong mạch kín.
Khi một đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường với vận tốc v
vuông góc với đoạn dây dẫn và hợp với B
một góc thì trong đoạn dây dẫn đó xuất hiện một suất điện động được gọi là suất điện động cảm ứng. Nếu nối hai đầu đoạn dây bằng một dây dẫn tạo thành mạch kín thì trong mạch có dòng điện do suất điện động cảm ứng sinh ra được gọi là dòng điện cảm ứng.
Chiều của dòng điện cảm ứng chạy trong mạch kín là chiều của dòng điện cảm ứng trong đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường tuân theo quy tắc bàn tay phải: Đặt bàn tay phải hứng các đường sức từ, ngón cái choãi ra 900 hướng theo chiều chuyển động của đoạn dây, chiều từ cổ tay đến bốn ngón tay chỉ chiều của dòng điện cảm ứng chạy trong đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường (đó là chiều từ cực âm sang cực dương của nguồn), và cho ta biết chiều của dòng điện chạy trong mạch kín nếu nối hai đầu đoạn dây tạo thành mạch kín.
Hình 2.3: Sơ đồ tiến trình khoa học xây dựng đơn vị kiến thức: Sự xuất hiện suất điện động cảm ứng trong một đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường. Chiều của dòng điện cảm ứng trong một đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường
Diễn giảng tiến trình xây dựng kiến thức
Như chúng ta đã biết: Một hạt mang điện chuyển động trong từ trường thì chịu tác dụng của lực Lorenxơ:
- Có phương vuông góc với mặt phẳng chứa véc tơ vận tốc của hạt mang điện và véc tơ cảm ứng từ tại điểm khảo sát.
- Có chiều tuân theo quy tắc sau: Đặt bàn tay trái duỗi thẳng để cho các đường cảm ứng từ xuyên vào lòng bàn tay, chiều từ cổ tay đến các ngón tay chỉ chiều của véc tơ vận tốc của hạt mang điện chuyển động, khi đó ngón cái choãi ra 900 chỉ chiều của lực Lorenxơ nếu hạt mang điện dương và chỉ chiều ngược lại nếu hạt mang điện âm.
Một vấn đề được đặt ra là:
Nếu một đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường với vận tốc v
vuông góc với đoạn dây dẫn và hợp với B
một góc thì có hiện tượng gì xảy ra trong đoạn dây dẫn đó? Nếu nối hai đầu đoạn dây dẫn bằng một dây dẫn thành mạch kín thì có hiện tượng gì xảy ra trong mạch kín đó?
Giải pháp đưa ra để tìm câu trả lời cho vấn đề đặt ra là: Xét tác dụng của lực Lorenxơ lên các elêctron trong đoạn dây dẫn khi chúng chuyển động cùng với đoạn dây dẫn để rút ra câu trả lời cho vấn đề đặt ra.
Thực hiện giải pháp đã đề ra ta được:
- Khi đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường với vận tốc v
vuông góc với đoạn dây dẫn và hợp với B
một góc thì các elêctron tự do trong
đoạn dây dẫn cũng bị kéo theo cùng đoạn dây, do đó có lực Lorenxơ tác dụng lên chúng. Dưới tác dụng của lực lorenxơ, các elêctron chuyển động về một đầu đoạn dây làm một đầu thừa elêctron tích điện âm, đầu thiếu elêctron tích điện dương, hai đầu đoạn dây dẫn có một hiệu điện thế. Nếu nối hai đầu đoạn dây dẫn bằng một sợi dây dẫn thành mạch kín thì trong mạch có dòng điện.
Khi đó đoạn dây dẫn đóng vai trò như một nguồn điện tức là có suất điện động ta gọi suất điện động này là suất điện động cảm ứng.
- ở trong đoạn dây này chiều của dòng điện là ngược với chiều của lực Lorenxơ tác dụng lên hạt elêctron ta có thể rút ra quy tắc xác định chiều của dòng điện trong đoạn dây dẫn chuyển động gọi là quy tắc bàn tay phải và từ đó suy ra chiều của dòng điện trong mạch kín.
Câu trả lời cuối cùng cho vấn đề đặt ra là:
- Khi một đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường với vận tốc v
vuông góc với đoạn dây dẫn và hợp với B
một góc thì trong đoạn dây dẫn đó xuất hiện một suất điện động được gọi là suất điện động cảm ứng. Nếu nối hai đầu đoạn dây bằng một dây dẫn tạo thành mạch kín thì trong mạch có dòng điện do suất điện động cảm ứng sinh ra được gọi là dòng điện cảm ứng.
- Chiều của dòng điện cảm ứng chạy trong mạch kín là chiều của dòng điện cảm ứng trong đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường tuân theo quy tắc bàn tay phải: Đặt bàn tay phải hứng các đường sức từ, ngón cái choãi ra 900 hướng theo chiều chuyển động của đoạn dây, chiều từ cổ tay đến bốn ngón tay chỉ chiều của dòng điện cảm ứng chạy trong đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường (đó là chiều từ cực âm sang cực dương của nguồn), và cho ta biết chiều của dòng điện chạy trong mạch kín nếu nối hai đầu đoạn dây tạo thành mạch kín.
2.4.1.2. Sơ đồ tiến trình khoa học xây dựng đơn vị kiến thức: Độ lớn suất điện động cảm ứng trong một đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường. Từ thông.
Độ lớn của suất điện động cảm ứng trong một đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường với tốc độ s v t , v
vuông góc với đoạn dây dẫn và hợp với B
một góc (B
hợp với pháp tuyến
n
của diện tích quét bởi đoạn dây dẫn chuyển động một góc ) có liên quan thế nào với độ lớn của B và diện tích S quét bởi đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường? Có thể tính được theo công thức thế nào?.
áp dụng công thức định nghĩa suất điện động của nguồn A e
q
. Tính công A của lực Lorenxơ f q vB sin trên đoạn dây dẫn có chiều dài l để rút ra công thức cần tìm.
e Bvl sin (1) góc v, B s (BS sin ) (BS cos ) e Bvl sin B l sin t t t
Nếu biểu diễn độ lớn B cos của thành phần vuông góc với diện tích S của B
bằng cách vẽ số đường sức từ vuông góc với mỗi đơn vị diện tích của S bằng B costhì đại lượng BScos bằng tổng số các đường sức từ vuông góc với S. Ta gọi đại lượng ký hiệu là BScos là từ thông qua diện tích S.
Nếu nối hai đầu dây dẫn chuyển động trong từ trường thành một mạch kín thì đại lượng (BS cos ) là độ biến thiên của từ thông qua diện tích giới hạn bởi mạch kín khi một đoạn của mạch kín chuyển động trong từ trường.
Độ lớn của suất điện động cảm ứng trong đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường phụ thuộc tốc độ chuyển động của đoạn dây theo công thức:
e Bvl sin (1) Với 0
v, l 90
và góc v, B
Độ lớn của suất điện động cảm ứng trong đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường tỉ lệ với tốc độ cắt từ thông qua diện tích quét bởi đoạn dây, tức là tỷ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông qua diện tích giới hạn bởi mạch kín khi một đoạn của mạch kín chuyển động trong từ trường: (BScos )
e
t t
(2) với góc n, B
, ở đây ta gọi BS cos là từ thông
Từ thông qua diện tích S là đại lượng được tính bằng công thức: BScos, bằng số đường sức từ vuông góc với diện tích S (B là độ lớn cảm ứng từ).
+ Từ thông là một đại lượng đại số có giá trị dương hoặc âm tuỳ thuộc vào dấu của cos do đó tuỳ thuộc vào việc chọn chiều của pháp tuyến n
của diện tích S.
+ Đơn vị của từ thông là vê be (viết tắt Wb). 1Wb = 1T. 1m2
+ Từ thông qua diện tích giới hạn bởi mạch kín biến thiên càng nhanh thì suất điện động cảm ứng trong mạch kín càng lớn.
Khi một đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường với vận tốc v vuông góc với đoạn dây dẫn và hợp với B một góc thì trong đoạn dây dẫn đó xuất hiện một suất điện động được gọi là suất điện động cảm ứng. Nếu nối hai đầu đoạn dây tạo thành mạch kín thì trong mạch có dòng điện cảm ứng.
Biểu thức độ lớn suất điện động theo định nghĩa A e
q
.
Độ lớn của lực Lorenxơ f q vB sin. (v, B)
.
Hình 2.4: Sơ đồ tiến trình khoa học xây dựng đơn vị kiến thức: Độ lớn suất điện động cảm ứng trong một đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường. Từ thông.
Diễn giảng tiến trình xây dựng kiến thức:
Như chúng ta đã biết: Khi một đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường với vận tốc v
vuông góc với đoạn dây dẫn và hợp với B
một góc thì trong đoạn dây dẫn đó xuất hiện một suất điện động được gọi là suất điện động cảm ứng. Nếu nối hai đầu đoạn dây tạo thành mạch kín thì trong mạch có dòng điện do suất điện động cảm ứng sinh ra gọi là dòng điện cảm ứng.
Vậy vấn đề đặt ra là:
Độ lớn của suất điện động cảm ứng trong một đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường với tốc độ v s
t
, v
vuông góc với đoạn dây dẫn và hợp với B
một góc (B
hợp với pháp tuyến n
của diện tích quét bởi đoạn dây dẫn chuyển động một góc ) có liên quan thế nào với độ lớn của B và diện tích S quét bởi đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường? Có thể tính được theo công thức thế nào?.
Giải pháp đưa ra để tìm câu trả lời cho vấn đề trên là: áp dụng biểu thức độ lớn suất điện động theo định nghĩa e A
q
. Tính công A của lực Lorenxơ
f q vB sin trên đoạn dây dẫn có chiều dài l để rút ra công thức cần tìm. Thực hiện giải pháp đưa ra như sau:
e A qvBl sin Bvl sin
q q
góc v, B
e Bvl sin B sl sin (BS sin ) (BS cos )
t t t
- Nếu biểu diễn độ lớn B cos của thành phần vuông góc với diện tích S của B
bằng cách vẽ số đường sức từ vuông góc với mỗi đơn vị diện tích của S bằng B costhì đại lượng BS cos bằng tổng số các đường sức từ vuông góc với S. Ta gọi đại lượng ký hiệu là BScos là từ thông qua diện tích S.
- Nếu nối hai đầu đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường thành một mạch kín thì đại lượng (BS cos ) là độ biến thiên của từ thông qua diện tích giới hạn bởi mạch kín khi một đoạn của mạch kín chuyển động trong từ trường.
Câu trả lời cuối cùng cho vấn đề đặt ra là:
- Độ lớn của suất điện động cảm ứng trong đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường phụ thuộc tốc độ chuyển động của đoạn dây theo công thức:
e Bvl sin ( 2.1) Với v, l 900
và góc v, B
- Độ lớn của suất điện động cảm ứng trong đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường tỉ lệ với tốc độ cắt từ thông qua diện tích quét bởi đoạn dây, tức là tỷ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông qua diện tích giới hạn bởi mạch kín khi một đoạn của mạch kín chuyển động trong từ trường:
(BScos ) e t t (2.2) với góc = góc n, B
, ở đây ta gọi BS cos
là từ thông.
- Từ thông qua diện tích S là đại lượng được tính bằng công thức: BScos
, bằng số đường sức từ vuông góc với diện tích S (B là độ lớn cảm ứng từ).
+ Từ thông là một đại lượng đại số có giá trị dương hoặc âm tuỳ thuộc vào dấu của cos do đó tuỳ thuộc vào việc chọn chiều của pháp tuyến n
của diện tích S.
+ Đơn vị của từ thông là vê be (viết tắt Wb). 1Wb = 1T. 1m2
+ Từ thông qua diện tích giới hạn bởi mạch kín biến thiên càng nhanh thì suất điện động cảm ứng trong mạch kín càng lớn.
2.4.1.3. Sơ đồ tiến trình khoa học xây dựng đơn vị kiến thức: Độ lớn suất điện động cảm ứng của một mạch kín (khung dây) chuyển động trong từ trường.
Chiều của dòng điện cảm ứng trong mạch kín khi một đoạn của mạch kín chuyển động trong từ trường có quan hệ thế nào với sự tăng hoặc giảm từ thông qua diện tích giới hạn bởi mạch kín?
Nếu một mạch kín (khung dây) chuyển động với vận tốc v
trong mặt phẳng có n
hợp với B
một góc thì có thể tính suất điện động cảm ứng trong mạch kín bằng công thức thế nào?
Xét dấu của khi một đoạn của mạch kín chuyển động trong từ trường tương ứng với chiều của dòng điện cảm ứng tuân theo quy tắc bàn tay phải để rút ra nhận xét về quan hệ của chiều dòng điện với dấu của .
Coi mạch kín chuyển động trong từ trường là nối tiếp của nhiều đoạn mạch (nhiều nguồn điện) có các suất điện động cảm ứng tính theo công thức e
t
và tính suất điện động tổng cộng của các nguồn mắc nối tiếp để rút ra công thức tính suất điện động của cả mạch kín chuyển động trong từ trường.
Khi một đoạn dây dẫn của mạch kín chuyển động trong từ trường gây ra độ biến thiên của từ thông qua diện tích