Vật lý 11. Chương V. Bài 24: Suất điện động cảm ứng

I. Tóm tắt lý thuyết:

A. SUẤT ĐIỆN ĐỘNG CẢM ỨNG TRONG MẠCH KÍN

1. Định nghĩa

Sự xuất hiện dòng cảm ứng trong một mạch kín (C) chứng tỏ tồn tại một nguồn điện trong mạch đó. Suất điện động của nguồn này được gọi là suất điện động cảm ứng. Vậy có thể định nghĩa:

- Suất điện động cảm ứng là suất điện động sinh ra dòng điện cảm ứng trong mạch kín.

2. Định luât Fa – ra – đây

Giả sử mạch kín (C) đặt trong một từ trường, từ thông qua mạch biến thiên một đại lượng ∆Φ trong một khoảng thời gian ∆t. Giả sử sự biến thiên từ thông này được thực hiện qua một dịch chuyển nào đó của mạch. Trong dịch chuyển này, lực tương tác tác dụng lên mạch (C) đã sinh ra một công ∆A. Người ta đã chứng minh được rằng \[\Delta A = i\Delta \Phi \].

Với I là cường độ dòng điện cảm ứng. Theo định luật len – xơ, lực từ tác dụng lên mạch (C) luôn cản trở chuyển động tạo ra biến thiên từ thông. Do đó ∆A là một công cản. Vậy, để thực hiện sự dịch chuyển của (C) (nhằm tạo ra sự biến thiên của Φ) phải có ngoại lực tác dụng lên (C) và trong chuyển dời nói trên, ngoại lực này sinh công thắng công cản của lực từ: \[\Delta A' = - \Delta A = - i\Delta \Phi \].

Công ∆A’ có độ lớn bằng tổng phần năng lượng do bên ngoài cung cấp cho mạch (C) và được chuyển hóa thành điện năng của suất điện động cảm ứng e_c (tương tự như điện năng do một nguồn điện sản ra) trong khoảng thời gian ∆t.

Ta có:

\[\Delta A' = {e_c}i\Delta t\]

So sánh hai công thức của ∆A’ ta suy ra công thức của suất điện động cảm ứng:

\[\left| {{e_c}} \right| = \left| {\frac{{\Delta \Phi }}{{\Delta t}}} \right|\]

Nếu chỉ xét độ lớn của e_c (không kể dấu) thì :

Thương số \[\left| {\frac{{\Delta \Phi }}{{\Delta t}}} \right|\] biểu thị độ biến thiên từ thông qua mạch (C) trong một đơn vị thời gian, thương số này được gọi là tốc độ biến thiên từ thông qua mạch.

Độ lớn của suất điện động cảm ứng xuất hiện trong mạch kín tỉ lệ với tốc độ biến thiên từ thông qua mạch kín đó.

Phát biểu này được gọi là định luật cơ bản của hiện tượng cảm ứng điện từ - định luật Fa –ra đây.

B. SUẤT ĐIỆN ĐỘNG CẢM ỨNG VÀ ĐỊNH LUẬT LEN – XƠ

Trước hết mạch kín (C) phải được định hướng. Dựa vào chiều đã chọn trên (C) , ta chọn chiều pháp tuyến dương để tính từ thông Φ qua mạch kín (C) (Φ là một đại lượng đại số).

Nếu Φ tăng thì e_c < 0: chiều của suất điện động cảm ứng (chiều của dòng điện cảm ứng) ngược với chiều của mạch.

Nếu Φ giảm thì e_c > 0: chiều của suất điện động cảm ứng (chiều của dòng điện cảm ứng) là chiều của mạch.

C. CHUYỂN HÓA NĂNG LƯỢNG TRONG HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ

Trong hiện tượng cảm ứng điện từ trên đây, để tạo ra sự biến thiên từ thông qua mạch (C), phải có ngoại lực tác dụng vào (C) và ngoại lực này sinh ra một công cơ học. Công cơ học này làm xuất hiện suất điện động cảm ứng trong mạch, nghĩa là đã tạo ra điện năng. Vậy bản chất của hiện tượng cảm ứng điện từ đã nêu trên là quá trình chuyển hóa cơ năng thành điện năng.

Fa- ra – đây là người đầu tiên khám phá ra hiện tượng cảm ứng điện từ và định luật cơ bản về hiện tượng này. Đóng góp của Fa- ra – đây đã mở ra một triển vọng to lớn trong thế kỉ XIX về một phượng thức sản xuất điện năng mới, làm cơ sở cho công cuộc điện khí hóa.

II. Bài tập minh hoạ:

Bài 1: Biết MN trong hình vẽ dài l = 15cm chuyển động với vận tốc 3 m/s, cảm ứng từ B = 0,5T, R = 0,5Ω. Tính cường độ dòng điện cảm ứng qua điện trở R.

Giải

Ta có:

\[\left| {{e_c}} \right| = \left| {\frac{{\Delta \Phi }}{{\Delta t}}} \right| = \left| {\frac{{B.\Delta S}}{{\Delta t}}} \right|\]

\[ = \left| {\frac{{B.l.v.\Delta t}}{{\Delta t}}} \right| = B.l.v\]

\[ = 0,5.0,15.3 = 0,225\left( V \right)\]

Suy ra:

\[I = \left| {\frac{{{e_c}}}{R}} \right| = \frac{{0,225}}{{0,5}} = 0,45\left( A \right)\]

Bài 2: Một thanh đồng dài 20cm, quay với tốc độ 50 vòng/s trong một từ trường đều có cảm ứng từ 25mT quanh một trục song song với từ trường và đi qua một đầu và vuông góc với thanh đồng. Suất điện động cảm ứng suất hiện trong thanh đồng này là bao nhiêu?

Bài 3: Một khung dây cứng phẳng diện tích 25cm² gồm 10 vòng dây, đặt trong từ trường đều, mặt phẳng khung vuông góc với các đường cảm ứng từ. Cảm ứng từ biến thiên theo thời gian như đồ thị hình vẽ. Tính độ lớn suất điện động cảm ứng xuất hiện trong khung kể từ t = 0s đến t = 0,4s.

Bài 4: Một vòng dây diện tích S = 100cm² nối vào tụ điện có điện dung C = 200µF, được đặt trong từ trường đều có véc tơ cảm ứng từ vuông góc với mặt phẳng chứa khung dây, có độ lớn tăng đều 5.10^-2 T/s. Tính điện tích tụ điện.

Bài 5: Một khung dây dẫn đặt vuông góc với một từ trường đều, cảm ứng từ B có độ lớn biến đổi theo thời gian. Tính tốc độ biến thiên của cảm ứng từ, biết rằng cường độ dòng điện cảm ứng là I_c = 0,5A, điện trở của khung là R = 2Ω và diện tích của khung là S = 100cm².

Bài 6: Một khung dây hình tròn bán kính 20cm nằm toàn bộ trong một từ trường đều mà các đường sức từ vuông với mặt phẳng vòng dây. Trong khi cảm ứng từ tăng từ 0,1T đến 1,1T thì trong khung dây có một suất điện động không đổi với độ lớn là 0,2V, thời gian duy trì suất điện động đó là bao nhiêu?

Bài 7: Một khung dây hình chữ nhật kính gồm N = 10 vòng dây, diện tích mỗi vòng S = 20cm² đặt trong một từ trường đều có véc tơ cảm ứng từ B hợp với pháp tuyến của mặt phẳng khung dây góc 60°, độ lớn cảm ứng từ B = 0,04T, điện trở khung dây R = 0,2Ω. Tính cường độ dòng điện xuất hiện trong khung dây nếu trong thời gian 0,01 giây, cảm ứng từ giảm đều từ B đến 0.

Bài 8: Một khung dây dẫn tròn có diện tích 60cm², đặt trong từ trường đều. Góc giữa \[\overrightarrow B \] và mặt phẳng khung dây là 30°. Trong thời gian 0,01s từ trường tăng đều từ 0 lên 0,02T. Suất điện động cảm ứng xuất hiện trong vòng dây có độ lớn là 0,6V. Khung dây trên gồm bao nhiêu vòng?

Bài 9: Khi từ trường qua một cuộn dây gồm 100 vòng dây biến thiên, suất điện động cảm ứng xuất hiện trên mỗi vòng dây là 0,02mV. Suất điện động cảm ứng xuất hiện trên cuộn dây có giá trị là bao nhiêu?

Bài 10: Một khung dây phẳng, diện tích 20cm², gồm 10 vòng dây đặt trong từ trường đều có độ lớn cảm ứng từ B = 2.10^-4T, góc giữa \[\overrightarrow B \] và véctơ pháp tuyến của mặt phẳng khung dây là 60°. Làm cho từ trường giảm đều về 0 trong thời gian 0,01s. Độ lớn của suất điện động cảm ứng sinh ra trong khung dây là bao nhiêu?