Từ thông. Hiện tượng cảm ứng điện từ lớp 12 (Chuyên đề dạy thêm Vật Lí 12)

Tài liệu Từ thông. Hiện tượng cảm ứng điện từ lớp 12 trong Chuyên đề dạy thêm Vật Lí 12 gồm các dạng bài tập từ cơ bản đến nâng cao với phương pháp giải chi tiết và bài tập tự luyện đa dạng giúp Giáo viên có thêm tài liệu giảng dạy Vật Lí 12.

Từ thông. Hiện tượng cảm ứng điện từ lớp 12 (Chuyên đề dạy thêm Vật Lí 12)

Xem thử

Chỉ từ 300k mua trọn bộ Chuyên đề dạy thêm Vật Lí 12 (sách mới) bản word có lời giải chi tiết:

• B1: gửi phí vào tk: 0711000255837 - NGUYEN THANH TUYEN - Ngân hàng Vietcombank (QR)
• B2: Nhắn tin tới Zalo VietJack Official - nhấn vào đây để thông báo và nhận giáo án

I . Tóm tắt lý thuyết - Phương pháp giải

1. Từ thông: Xét một vòng dây dẫn kín (C) có diện tích S, được đặt trong từ trường đều có vectơ cảm ứng từ $\overrightarrow{B}$. Vectơ pháp tuyến $\overrightarrow{n}$ của S. Góc hợp thành bởi $\overrightarrow{B}$ và $\overrightarrow{n}$ là α.

- Khi đó, từ thông qua diện tích S được tính: $\Phi =BS.\cos \alpha$

+ $0^0\le \alpha <{90}^0\to \text{cos}\alpha >0\to \Phi >0$

+ ${90}^0<\alpha \le {180}^0\to \text{cos}\alpha <0\to \Phi <0$

+ $\alpha ={90}^0\to \text{cos}\alpha =0\to \Phi =0$

- Chú ý: + Nếu cuộn dây có N vòng thì từ thông của cuộn dây lúc này là: $\Phi =NBS.\cos \alpha$

+ Khi $\alpha =0^0$ hoặc $\alpha ={180}^0$ thì từ thông có độ lớn cực đại $\Phi ={\Phi }_{max}=NBS$

+ Đơn vị của từ thông $\Phi$ trong hệ SI là vêbe (weber), kí hiệu là Wb với 1 Wb = 1T.1m²

+ Khi không có những điều kiện bắt buộc về vectơ $\overrightarrow{n}$, ta thường chọn chiều của $\overrightarrow{n}$ sao cho α là góc nhọn để từ thông có giá trị dương.

+ Từ thông qua diện tích S diễn tả lượng đường sức từ xuyên qua diện tích đó. Nếu lượng đường sức xuyên qua nhiều ta nói từ trường mạnh và ngược lại là yếu.

2. Hiện tượng cảm ứng điện từ

2.1. Thí nghiệm minh họa hiện tượng cảm ứng điện từ

TN1: Khung dây dẫn đặt cạnh nam châm vĩnh cửu

(1): Nam châm

(2): Cuộn dây

(3): Điện kế

* Tiến hành TN:

+ Bố trí TN, điều chỉnh kim điện kế chỉ đúng vạch 0

+ Lần lượt dịch chuyển cực Bắc lại gần và ra xa cuộn dây, quan sát chiều lệch của kim điện kế

* Kết quả TN:

+ Trong quá trình đưa nam châm lại gần hay ra xa khung dây, ta thấy kim điện kế bị lệch, điều này chứng tỏ đã có dòng điện qua cuộn dây. Ngoài ra chiều lệch của kim điện kế trong hai trường hợp là ngược nhau, cho thấy hai dòng điện ngược chiều nhau.

+ Khi nam châm dừng lại, ta thấy kim điện kế dừng lại ở vạch số 0, chứng tỏ không có dòng điện qua khung dây.

* Nhận xét: Việc đưa nam châm lại gần hoặc ra xa cuộn dây làm thay đổi độ lớn cảm ứng từ B qua cuộn dây (tăng lên hoặc giảm xuống) từ đó thay đổi từ thông $\Phi$ (tăng lên hoặc giảm xuống) qua cuộn dây. Chỉ khi từ thông $\Phi$ thay đổi thì trong cuộn dây mới xuất hiện dòng điện cảm ứng. Khi từ thông tăng hoặc giảm thì dòng điện cảm ứng trong cuộn dây là ngược chiều nhau.

TN2: Khung dây dẫn đặt cạnh nam châm điện

(1) Nam châm điện

(2) Cuộn dây

(3) Điện kế

(4) Khóa K

(5) Nguồn điện

(6) Biến trở

* Tiến hành TN:

+ Bố trí TN, điều chỉnh kim điện kế chỉ đúng vạch số 0

+ Quan sát kim điện kế khi đóng hoặc ngắt khóa K

+ Đóng khóa K rồi di chuyển con chạy trên biến trở sang trái hoặc sang phải. Quan sát kim điện kế.

* Kết quả TN:

+ Khi đóng hoặc ngắt khóa K, ta thấy kim điện kế bị lệch, điều này chứng tỏ đã có dòng điện qua cuộn dây. Ngoài ra chiều lệch của kim điện kế trong hai trường hợp là ngược nhau, cho thấy hai dòng điện ngược chiều nhau. Hiện tượng chỉ xảy ra ngay khi đóng hoặc ngắt khóa K

+ Khi di chuyển con chạy trên biến trở sang trái hoặc sang phải, ta thấy kim điện kế bị lệch, điều này chứng tỏ đã có dòng điện qua cuộn dây. Ngoài ra chiều lệch của kim điện kế trong hai trường hợp là ngược nhau, cho thấy hai dòng điện ngược chiều nhau. Hiện tượng chỉ xảy ra trong quá trình di chuyển con chạy, khi con chạy đã đứng yên thì không còn dòng điện cảm ứng nữa.

* Nhận xét: Việc đóng hoặc ngắt khóa K hay điều chỉnh biến trở sang trái hoặc sang phải làm thay đổi cường độ dòng điện qua nam châm điện → thay đổi độ lớn cảm ứng từ B qua cuộn dây → từ đó thay đổi từ thông $\Phi$ (tăng lên hoặc giảm xuống) qua cuộn dây. Chỉ khi từ thông $\Phi$ thay đổi thì trong cuộn dây mới xuất hiện dòng điện cảm ứng. Khi từ thông tăng hoặc giảm thì dòng điện cảm ứng trong cuộn dây là ngược chiều nhau.

2.2. Kết luận

- Khi một trong các đại lượng B, S hoặc α thay đổi thì từ thông  $\Phi$ biến thiên.

- Khi từ thông qua cuộn dây dẫn kín biến thiên thì trong cuộn dây dẫn đó xuất hiện một dòng điện gọi là dòng điện cảm ứng. Hiện tượng xuất hiện dòng điện cảm ứng trong cuộn dây dẫn gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ.

- Hiện tượng này chỉ tồn tại trong khoảng thời gian từ thông qua cuộn dây dẫn kín biến thiên.

3. Chiều dòng điện cảm ứng. Định luật Lenz: Theo định luật Lenz: “Dòng điện cảm ứng xuất hiện trong mạch kín có chiều sao cho từ trường do nó sính ra có tác dụng chống lại sự biến thiên của từ thông qua mạch kín đó.”

4. Suất điện động cảm ứng. Định luật Faraday

- Định luật Faraday về cảm ứng điện từ: Độ lớn của suất điện động cảm ứng trong mạch kín tỉ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông qua mạch

- Xét trong khoảng thời gian $∆t$ đủ nhỏ, từ thông qua mạch kín biến thiên một lượng $∆\varnothing$ thì $\left|\frac{∆\varnothing }{∆t}\right|$là tốc độ biến thiên của từ thông. Vì vậy, biểu thức định luật Faraday được viết:

$\left|e_c\right|=k\left|\frac{∆\varnothing }{∆t}\right|$

- Trong hệ SI, hệ số tỉ lệ k = 1. Kết hơp với định luật Lenz ta có biểu thức xác định suất điện động cảm ứng

$e_c=-\frac{∆\varnothing }{∆t}$

Nếu trường hợp mạch điện là cuộn dây có N vòng dây, $\varnothing$ là từ thông qua diện tích giới hạn bởi một vòng dây

$e_c=-N\frac{∆\varnothing }{∆t}$

- Suất điện động cảm ứng trong một đoạn dây dẫn chuyển động:

- Khi một đoạn dây dẫn MN = 1 chuyển động với vận tốc v cắt các đường sức từ (có cảm ứng từ $\overrightarrow{B}$) thì trong đoạn dây đó xuất hiện suất điện động cảm ứng $\left|e_c\right|=\left|\frac{∆\varnothing }{∆t}\right|$

- Chiều của dòng điện cảm ứng trong đoạn dây MN được xác định bằng quy tắc bàn tay phải: “Đặt bàn tay phải hứng các đường sức từ, ngón tay cái choãi ra 90⁰ hướng theo chiều chuyển động của đoạn dây, khi đó đoạn dây dẫn đóng vai trò như một nguồn điện, chiều từ cổ tay đến các ngón tay còn lại chỉ chiều dòng điện cảm ứng trên đoạn dây”.

- Xác định suất điện động cảm ứng trong đoạn dây dẫn chuyển động

+ Khi $\overrightarrow{v}$ và $\overrightarrow{B}$ cùng vuông góc với đoạn dây chuyển động, đồng thời $\overrightarrow{v}$ vuông góc $\overrightarrow{B}$ với thì biểu thức độ biến thiên từ thông là $∆\varnothing =B∆S = Blv.∆t$  với l là chiều dài và là v tốc độ của đoạn dây

→ Suất điện động cảm ứng trong đoạn dây là $\left|e_c\right| = Blv$ 

+ Khi $\overrightarrow{v}$ và $\overrightarrow{B}$ cùng vuông góc với đoạn dây chuyển động, đồng thời hợp $\overrightarrow{v}$ với $\overrightarrow{B}$ một góc $\theta$ thì biểu thức suất điện động cảm ứng trong đoạn dây là $\left|e_c\right| = Blv.\sin \theta$

5. Phương pháp giải

Dạng 1: Xác định từ thông qua khung dây

- Phương pháp

Để xác định từ thông qua khung dây $\varnothing = NBS.\cos \alpha$ ta cần xác định lần lượt các đại lượng B, S và α

+ B: Cảm ứng từ (T – Tesla)

+ S: Tiết diện khung dây (m²). Đối với một số khung dây có tiết diện

- Hình tròn: $S = \pi r^2 = \frac{\pi d^2}{4}$  với r, d lần lượt là bán kính và đường kính khung dây tròn

- Hình chữ nhật: S = a.b với a,b lần lượt là chiều dài, chiều rộng khung dây.

- Hình vuông: S = a² với a là cạnh của khung dây

- α là góc hợp bởi vectơ cảm ứng từ $\overrightarrow{B}$ của từ trường và vectơ đơn vị pháp tuyến $\overrightarrow{n}$ của khung dây. Khi không có những điều kiện bắt buộc về vectơ $\overrightarrow{n}$, ta thường chọn chiều của $\overrightarrow{n}$ sao cho α là góc nhọn để từ thông có giá trị dương.

Nếu khung dây có N vòng dây, từ thông qua khung dây $\varnothing = NBS.cos\alpha$

- Ví dụ minh họa

VD1. Xét một khung dây dẫn kín, hình vuông có cạnh dài 8 cm được đặt trong từ trường đều có độ lớn cảm ứng từ 2.10^-4 T. Biết vectơ đơn vị pháp tuyến của mặt phẳng khung dây hợp với vectơ cảm ứng từ một góc 30^o. Tính từ thông qua khung dây khi đó.

Hướng dẫn giải

+ Diện tích khung dây: S = 8.8 = 64 cm² = 64.10^-4 m²

+ Từ thông qua khung dây: $\Phi =B\text{Scos}\alpha ={2.10}^{-4}{\mathrm{.64.10}}^{-4}.c{\text{os\hspace{0.17em}30}}^0\approx {\mathrm{1,1.10}}^{-6}\text{W}b$

VD2. Tính từ thông qua khung dây dẫn kín hình tròn có bán kính khung dây là 3 cm, đặt trong từ trường đều có độ lớn cảm ứng từ 10^-4 T. Biết mặt phẳng khung dây hợp với vectơ cảm ứng từ một góc 30^o.

Hướng dẫn giải

+ Diện tích khung dây: $S=\pi r^2=\pi {\mathrm{.0,03}}^2\approx {\mathrm{2,83.10}}^{-3}{m}^2$

+ Góc hợp bởi vectơ đơn vị pháp tuyến và vectơ cảm ứng từ: $\alpha =( \overrightarrow{n}, \overrightarrow{B}) ={90}^0 - {30}^0 = {60}^0$

+ Từ thông qua khung dây: $\Phi =B\text{Scos}\alpha ={10}^{-4}{\mathrm{.2,83.10}}^{-3}.c{\text{os\hspace{0.17em}60}}^0={\mathrm{1,415.10}}^{-7}\text{W}b$

VD3. Cho một khung dây dẫn gồm 500 vòng đặt trong từ trường đều, có tiết diện hình chữ nhật với chiều dài, chiều rộng lần lượt là 6 cm và 4 cm. Mặt phẳng khung dây có vectơ đơn vị pháp tuyến hợp với vectơ cảm ứng từ một góc 60^o. Biết từ thông qua khung dây là 2.10^-6 Wb, hãy tính độ lớn cảm ứng từ của từ trường.

Hướng dẫn giải

+ Diện tích khung dây: S = 0,06.0,04 = 2,4.10^-3 m²

+ Độ lớn cảm ứng từ: 

$\varnothing = NBS\cos \alpha \Rightarrow B =\frac{\varnothing }{NB\cos \alpha } = \frac{2.{10}^{-4}}{500.2,4.{10}^{-3}\cos {60}^0} = 0,33.{10}^{-3}T$

Dạng 2: Áp dụng định luật Lenz để xác định chiều dòng điện cảm ứng

- Phương pháp

+ Bước 1: Xác định hướng vectơ cảm ứng từ $\overrightarrow{B}$ của từ trường ban đầu

+ Bước 2: Xác định hướng vectơ cảm ứng từ ${\overrightarrow{B}}_c$ của từ trường do dòng điện cảm ứng I_c tạo ra.

- Nếu từ thông $\left|\varnothing \right|$ tăng, ${\overrightarrow{B}}_c$ thì ngược chiều với $\overrightarrow{B}$

- Nếu từ thông $\left|\varnothing \right|$ tăng, ${\overrightarrow{B}}_c$ thì cùng chiều với $\overrightarrow{B}$

+ Bước 3: Xác định chiều của dòng điện cảm ứng I_c bằng quy tắc nắm tay phải.

- Ví dụ minh họa

VD1. Cho nam châm thẳng đặt trước khung dây tròn như hình vẽ. Nếu dòng điện đi vào chốt G₀ và ra chốt (–) thì kim điện kế lệch về phía (+) (lệch sang phải); ngược lại, kim điện kế lệch về phía (–) (lệch sang trái). Xác định chiều lệch của kim điện kế trong các trường hợp sau

a) Đưa nam châm lại gần cuộn dây

b) Đưa nam châm ra xa cuộn dây

Hướng dẫn giải

a) + Dựa vào quy tắc “Vào cực Nam, ra cực Bắc” ta xác định được vectơ cảm ứng từ $\left|\overrightarrow{B_0}\right|$ của từ trường nam châm thẳng qua cuộn dây có hướng từ trái sang phải như hình vẽ.

+ Khi đưa nam châm lại gần khung dây, số đường sức từ xuyên qua khung dây tăng lên → Từ thông $\varnothing$ qua khung dây tăng lên → Trong khung dây xuất hiện dòng điện cảm ứng $i_c$ tạo ra từ trường $\overrightarrow{B_c}$ ngược chiều với $\overrightarrow{B_o}$, tức từ phải sang trái như hình vẽ.

+ Áp dụng quy tắc nắm tay phải với khung dây, ta xác định được dòng điện cảm ứng trong khung dây có chiều đi ra chốt G₀ → kim điện kế lệch về phía (–).

b) + Dựa vào quy tắc “Vào cực Nam, ra cực Bắc” ta xác định được vectơ cảm ứng từ $\overrightarrow{B_o}$ của từ trường nam châm thẳng qua cuộn dây có hướng từ trái sang phải như hình vẽ

+ Khi đưa nam châm ra xa khung dây, số đường sức từ xuyên qua khung dây giảm xuống → Từ thông $\varnothing$ qua khung dây giảm xuống → Trong khung dây xuất hiện dòng điện cảm ứng i_c tạo ra từ trường $\overrightarrow{B_c}$ cùng chiều với $\overrightarrow{B_o}$, tức từ trái sang phải như hình vẽ.

+ Áp dụng quy tắc nắm tay phải với khung dây, ta xác định được dòng điện cảm ứng trong khung dây có chiều đi vào chốt G₀ → kim điện kế lệch về phía (+).

................................

................................

................................

Xem thử

Xem thêm Chuyên đề dạy thêm Vật Lí lớp 12 các chủ đề hay khác:

• Chủ đề 2: Lực từ tác dụng lên dây dẫn mang dòng điện. Cảm ứng từ

• Chủ đề 4: Máy phát điện xoay chiều

• Chủ đề 5: Ứng dụng hiện tượng cảm ứng điện từ

• Chủ đề 6: Điện từ trường. Mô hình sóng điện từ

• Chủ đề 7: Bài tập về Từ trường

• Chủ đề 1: Cấu trúc hạt nhân

---