BÀI 12. HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ

MỞ ĐẦU

Câu hỏi: Hiện nay, để giảm bớt lượng khí thải độc hại ra môi trường cũng như giảm các nguy hiểm từ việc rò rỉ khí gas, người ta có thể sử dụng bếp tử trong nấu ăn (Hình 12.1). Vậy bếp từ hoạt động theo nguyên tắc nào?

Giải nhanh:

Bếp từ hoạt động theo nguyên tắc của hiện tượng cảm ứng điện từ.

1. TỪ THÔNG

Thảo luận 1: Hãy nêu sự phụ thuộc của từ thông vào góc hợp bởi vectơ cảm ứng từ    và

Giải nhanh:

, với a là góc hợp bởi     và

Do đó, với B và S không đổi, càng lớn → cos càng nhỏ → từ thông càng nhỏ

Thảo luận 2: Từ biểu thức (12.1) và kiến thức đã học, hãy biểu diễn đơn vị của từ thông qua các đơn vị cơ bản trong hệ SI.

Giải nhanh:

= T.m²

2. HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ

Thảo luận 3: Hãy dự đoán khỏang thời gian xuất hiện hiện tượng cảm ứng điện từ trong khung dây khi thực hiện thí nghiệm ở bước 2 và 3.

Giải nhanh:

Hiện tượng cảm ứng điện từ xuất hiện khi cho nam châm tiến lại gần khung dây và ra xa khung dây.

Thảo luận 4: Trong bước 2 và bước 3 của thí nghiệm, từ thông qua khung dây biến thiên như thế nào trong quá trình đưa nam châm lại gần hay ra khung dây?

Giải nhanh:

Vì từ thông là đại lượng đặc trưng cho số đường sức từ xuyên qua diện tích S, do đó, khi nam châm lại gần khung dây, từ trường mạnh dần dẫn đến số đường sức từ xuyên qua khung dây tăng dần và ngược lại.

Thảo luận 5: Hãy đề xuất các phương án khác để làm xuất hiện dòng điện cảm ứng.

Giải nhanh:

Có thể thay nam châm thẳng bằng nam châm điện. Dòng điện cảm ứng cũng xuất hiện ở cuộn dây trong thời gian đóng ngắt mạch của nam châm điện, nghĩa là trong thời gian dòng điện của nam châm điện biến thiên.

Thảo luận 6: Trong thí nghiệm ở Hình 12.3:

a) Nếu ta giữ nguyên vị trí của nam châm và cho khung dây chuyển động lại gần hay ra xa nam châm thì chiều dòng điện cảm ứng qua khung dây có thay đổi không? Thực hiện thí nghiệm kiểm chứng và so sánh kết quả với thí nghiệm khi dịch chuyển nam châm lại gần hay ra xa khung dây.

b) Nếu ta cho nam châm và khung dây chuyển động với cùng vận tốc thì trong khung dây có xuất hiện dòng điện cảm ứng không? Vì sao?

Giải nhanh:

a) Chiều dòng điện cảm ứng qua khung dây không thay đổi.

b) Nếu cho nam châm và khung dây chuyển động cùng vận tốc, trong khung dây không xuất hiện dòng điện cảm ứng. 

Thảo luận 7: Trong hiện tượng cảm ứng điện từ như thí nghiệm ở Hình 12.5, có sự chuyển hóa từ dạng năng nượng nào sang điện năng?

Giải nhanh:

Trong hiện tượng cảm ứng điện từ như thí nghiệm ở Hình 12.5, có sự chuyển hóa từ cơ năng sang điện năng.

Thảo luận 8: Nêu vai trò của nam châm vĩnh cửu trong đàn guitar điện.

Giải nhanh:

Vai trò của nam châm vĩnh cửu: tạo ra sự biến thiên từ thông qua cuộn dây của bộ cảm ứng khi gảy đàn, từ đó tạo ra một dòng điện cảm ứng, giúp tạo ra âm thanh.

Luyện tập: Một khung dây dẫn kín có diện tích 20 cm², quay đều trong từ trường đều có cảm ứng từ bằng 0,02 T. Tính độ lớn suất điện động cảm ứng sinh ra trong vòng dây khi góc hợp bởi véctơ cảm ứng từ và vectơ đơn vị pháp tuyến của mặt phẳng khung dây thay đổi từ 30⁰ đến 60⁰ trong khoảng thời gian 0,1 giây.

Giải nhanh:

Từ thông qua khung dây khi 30^o là: 

= 0,02.20.10^-4.cos30 = 3,46.10^-5(Wb)

Từ thông qua khung dây khi 60^o là: 

= 0,02.20.10^-4.cos60 = 2.10^-5(Wb)

Độ lớn suất điện động cảm ứng sinh ra trong khung dây là:

(V)

Vận dụng: Dựa vào sách, báo, internet,...em hãy tìm hiểu cấu tạo và nguyên lí hoạt động của bếp từ.

Giải nhanh:

* Cấu tạo

Bếp từ được thiết kế các hình dáng đa dạng như hình vuông, hình tròn với nhiều kiểu dáng và màu sắc tinh tế, sang trọng. Hầu hết bếp từ đều sở hữu các bộ phận sau:

• Bề mặt kính: Thường được làm bằng kính có khả năng chống trầy xước, chịu va đập, chịu lực tốt, chịu nhiệt rất tốt, 

• Bảng điều khiển: Nằm trên bề mặt của bếp từ, có các nút bấm vật lý hoặc cảm ứng giúp bạn thao tác dễ dàng trong quá trình sử dụng bếp.

• Mâm nhiệt (cuộn cảm): Đây là linh kiện quan trọng trong cấu tạo của bếp từ. Bộ phận này góp phần sinh nhiệt và đảm bảo độ ổn định, độ bền cũng như an toàn cho quá trình sử dụng bếp từ.

• Quạt làm mát (quạt tản nhiệt): Đảm nhiệm vai trò làm mát, giảm nhiệt các linh kiện trong bếp từ, cân bằng lại nhiệt độ khi bếp hoạt động với công suất quá cao. 

• Bo mạch điện tử: Thực hiện nhiệm vụ cung cấp dòng điện có tần số cao cho cuộn cảm bếp từ. Đồng thời, bo mạch điện còn là bộ phận nhận lệnh thao tác trực tiếp của người dùng thông qua bảng điều khiển các phím bấm trên mặt bếp.

* Nguyên lí hoạt động

Nguyên lý chính của bếp điện từ là dùng dòng Fuco để làm nóng trực tiếp nồi nấu. Khi cắm điện vào bếp từ, mạch dao động điện LC sinh ra 1 từ trường biến thiên trên mặt bếp. Nếu có vật dẫn từ trên mặt bếp, thì trong lòng vật dẫn từ có 1 dòng điện chạy nội tại trong nó, dòng điện này có tác dụng sinh nhiệt lớn.

3. SÓNG ĐIỆN TỪ

Thảo luận 9: So sánh hình dạng của đường sức điện từ của điện trường tĩnh và điện trường xoáy?

Giải nhanh:

Đường sức điện của điện trường tĩnh là các đường cong không khép kín, đi ra từ điện tích dương và kết thúc ở điện tích âm

Đường sức điện của điện trường xoáy là các đường cong khép kín, không có điểm đầu và điểm cuối.

Thảo luận 10: Nhắc lại một số tính chất cơ bản của sóng điện từ mà em đã được học trong Chương trình Vật lí 11.

Giải nhanh:

Tính chất của sóng điện từ:

• Tốc độ truyền sóng trong chân không là c = 3.10⁸ m/s;

• Trong mọi môi trường vật chất, tốc độ truyển của sóng điện từ đều nhỏ hơn c;

• Một số hiện tượng đặc trưng của sóng điện từ là: phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ,...

Luyện tập: Xác định vectơ cảm ứng từ       của sóng điện từ tại một thời điểm trong hình 12.10.

Giải nhanh:

Vận dụng: Dựa vào kiến thức đã học và sách báo, internet,...em hãy viết bài luận ngắn về ứng dụng của tia tử ngoại trong việc điều trị bệnh còi xương cho trẻ em.

Gợi ý chi tiết:

Nguyên nhân gây còi xương là do thiếu vitamin D, canxi, phốt pho ... vì thế để điều trị bệnh còi xương ở trẻ em, các chuyên gia có thể chỉ định dùng tia tử ngoại chữa bệnh còi xương. Trong điều kiện bình thường chất vitamin này được hoạt hoá bởi các tia tử ngoại của ánh sáng mặt trời và chuyển thành vitamin D3 được hấp thu vào máu. 

BÀI TẬP

1. Xét một khung dây và nam châm thẳng đang chuyển động cùng chiều sang phải với tốc độ lầ lượt là v₁ và v₂. Hình nào biểu diễn đúng chiều dòng điện cảm ứng qua khung dây?

Giải nhanh:

Đáp án A.

2. Thành phần từ trường của một sóng điện từ tại điểm M biến thiên theo phương trình B = 3cos()(mT). Tại thời điểm cường độ điện trường tại M đạt cực đại thì độ lớn cảm ứng từ tại điểm đó bằng bao nhiêu?

Giải nhanh:

Tại một điểm, vectơ cường độ điện trường  và vectơ cảm ứng từ        luôn dao động cùng pha → E biến thiên theo phương trình:  E = 3cos()

E đạt cực đại khi cos() = 1 → B = 3 (T)

3. Một khung dây dẫn kín, phẳng có diện tích 10 cm², gồm 100 vòng dây, đặt trong từ trường có vectơ cảm ứng từ vuông góc với mặt phẳng khung dây. Độ lớn cảm ứng từ biến thiên theo thời gian như đồ thị trong Hình 12P.1. Vẽ đồ thị độ lớn suất điện động cảm ứng sinh ra trong khung dây theo thời gian.

Giải nhanh:

Ta có: = (N = 100; S = 0,001 m²; 0^o 

Thay vào biểu thức ta được:

Tại t = 0,1s → = 0,005 (V)

Tại t = 0,2s → = 0,0025 (V)

Tại t = 0,3s → = 0,0017 (V)

Tại t = 0,4s → = 0 (V)