Vật lý 11. Chương V. Bài 23: Từ thông, cảm ứng điện từ

I. Tóm tắt lý thuyết:

A. TỪ THÔNG

1. Định nghĩa

Giả sử một đường cong phẳng kín (C) là chu vi giới hạn một mặt có diện tích S (giả thiết là phẳng). Mặt đó được đặt trong một từ trường đều \[\overrightarrow B \]. Trên đường vuông góc với mặt phẳng S, ta vẽ vectơ \[\overrightarrow n \] có độ dài bằng đơn vị theo một hướng xác định (tùy ý chọn), \[\overrightarrow n \] được gọi là vectơ pháp tuyến dương. Gọi a là góc tạo bởi \[\overrightarrow n \] và \[\overrightarrow B \], người ta định nghĩa từ thông qua mặt S là đại lượng, kí hiệu Φ, cho bởi: \[\Phi = B.S.\cos \alpha \]

Công thức định nghĩa trên đây chứng tỏ rằng từ thông là một đại lượng đại số. Khi chọn α nhọn (cosα > 0) thì Φ > 0 và khi α tù (cosα < 0) thì Φ < 0. Đặc biệt khi α = 90°(cosα = 0) thì Φ = 0. Nói cách khác khi các đường sức từ song song với mặt phẳng S thì từ thông qua S bằng 0. Trường hợp riêng khi α = 0 thì: \[\Phi = B.S\].

2. Đơn vị đo từ thông

Trong hệ SI, đơn vị đo từ thông là vêbe (Wb). Trong công thức nếu:

S = 1m²

B = 1T

thì Φ = 1Wb

+ Từ thông là một đại lượng đại số, dấu của từ thông phụ thuộc vào việc chọn chiều của \[\overrightarrow n \]. Thông thường chọn \[\overrightarrow n \] sao cho α là góc nhọn, lúc đó Φ là một đại lượng dương.

B. HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ

- Mỗi khi từ thông qua mạch kín (C) biến thiên thì trong mạch kín (C) xuất hiện một dòng điện gọi là dòng điện cảm ứng. Hiện tượng xuất hiện dòng điện cảm ứng trong (C) gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ.

- Hiện tượng cảm ứng điện từ chỉ tồn tại trong khoảng thời gian từ thông qua mạch kín biến thiên.

C. ĐỊNH LUẬT LEN - XƠ VỀ CHIỀU DÒNG ĐIỆN CẢM ỨNG

Ta quy ước chiều dương trên (C) phù hợp với chiều của đường sức từ của nam châm (hoặc ống dây điện) qua (C) theo quy tắc nắm tay phải ở trên.

Để dễ dàng so sánh, ta chú ý rằng khi dòng điện cảm ứng xuất hiện thì cũng sinh ra từ trường, gọi là từ trường cảm ứng. Cần phân biệt từ trường cảm ứng với từ trường của nam châm hay nam châm điện - được gọi là từ trường ban đầu. Chiều của từ trường cảm ứng và chiều dòng điện cảm ứng liên quan chặt chẽ với nhau.

Nếu xét các đường sức từ đi qua mạch kín, từ trường cảm ứng ngược chiều với từ trường ban đầu khi từ thông qua mạch kín tăng và cùng chiều với từ trường ban đầu khi từ thông qua mạch kín giảm.

Nói cách khác: Dòng điện cảm ứng xuất hiện trong mạch kín có chiều sao cho từ trường cảm ứng có tác dụng chống lại sự biến thiên của từ thông ban đầu qua mạch kín.

Phát biểu trên là nội dung của định luật Len - Xơ, nó cho phép ta xác định chiều dòng điện cảm ứng xuất hiện trong mạch kín.

Trường hợp từ thông qua (C) biến thiên do chuyển động: Khi từ thông qua (C) biến thiên do kết quả của một chuyển động nào đó thì từ trường cảm ứng có tác dụng chống lại chuyển động nói trên.

D. DÒNG ĐIỆN FU - CÔ (FOUCAULT)

Thực nghiệm chứng tỏ rằng dòng điện cảm ứng cũng xuất hiện trong các khối kim loại khi những khối này chuyển động trong một từ trường hoặc được đặt trong một từ trường biến thiên theo thời gian. Những dòng điện cảm ứng đó được gọi là dòng điện Fu-cô. Dòng điện Fu-cô là dòng điện cảm ứng nên nó cũng chống lại chuyển động tương đối của khối kim loại và tác dụng nhiệt làm nóng khối kim loại đó.

Dòng Fu-cô có thể gây tác dụng có hại (chẳng hạn, làm nóng máy biến áp) hoặc có lợi (chẳng hạn, ứng dụng trong bộ phận phanh điện từ của một số ô tô, hoặc dùng để đốt nóng kim loại trong một số lò tôi kim loại).

II. Bài tập minh hoạ:

Bài 1: Một hình vuông có cạnh 5cm đặt trong từ trường đều có cảm ứng từ B = 4.10^-4T. Từ thông qua diện tích hình vuông đó bằng 10^-6Wb. Góc α hợp bởi véctơ cảm ứng từ với pháp tuyến hình vuông đó bằng bao nhiêu?

Giải

Từ thông xuyên qua khung dây là: \[\Phi = B.S.\cos \alpha \].

\[\cos \alpha = \frac{\Phi }{{B.S}} = \frac{{{{10}^{ - 6}}}}{{{{4.10}^{ - 4}}.{{\left( {{{5.10}^{ - 2}}} \right)}^2}}} = 1 \Rightarrow \alpha = 0^\circ \]

Bài 2: Một khung dây có diện tích S được đặt song song với đường sức của từ trường đều có cảm ứng từ B. Qua khung dây một góc 90° thì từ thông qua khung sẽ tăng hay giảm đi bao nhiêu lần?

Bài 3: Trong hình a, nam châm đang chuyển động đến gần vòng dây dẫn kín, hình b vòng dây dẫn kín đang chuyển động đến gần nam châm. Dòng điện cảm ứng xuất hiện trên hai vòng dây dẫn kín có chiều như thế nào so với kim đồng hồ?

Bài 4: Trong hình a, b. Nam châm thẳng đang chuyển động đến gần hoặc ra xa vòng dây theo mỗi tên. Vòng dây dẫn kín cố định, mũi tên chỉ chiều của dòng điện cảm ứng xuất hiện trên vòng dây. Khi xác định cực của nam châm?

Bài 5: Một khung dây hình chữ nhật có chiều dài 25cm, được đặt vuông góc với các đường sức từ của một từ trường đều có B = 4.10^-3T. Từ thông xuyên qua khung dây là 10^-4Wb, chiều rộng của khung dây nói trên là bao nhiêu?

Bài 6: Một khung dây hình vuông có cạnh dài 5cm, đặt trong từ trường đều có cảm ứng từ B = 4.10^-5T, mặt phẳng khung dây tạo với các đường sức từ một góc 30°. Từ thông qua mặt phẳng khung dây là bao nhiêu?

Bài 7: Một khung dây hình vuông, cạnh dài 4cm, đặt trong từ trường đều có cảm ứng từ B = 2.10^-5T, các đường sức từ hợp với pháp tuyến của mặt phẳng khung dây góc 60°. Từ thông qua mặt phẳng khung dây là bao nhiêu?

Bài 8: Một khung dây hình tròn có diện tích S = 2cm² đặt trong từ trường có cảm ứng từ B = 5.10^-2T, các đường sức từ vuông góc với mặt phẳng khung dây. Từ thông qua mặt phẳng khung dây là bao nhiêu ?