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 rút gọn:

Bếp từ hoạt động theo nguyên tắc: 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 

Giải chi tiết:

Ta có:  với  là góc hợp bởi

Sự phụ thuộc của từ thông là: 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 rút gọn:

Đơn vị của từ thông qua các đơn vị cơ bản trong hệ SI là:

= T.m²

2. HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ

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

Giải rút gọn:

Dự đoán: 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 rút gọn:

Khi nam châm lại gần khung dây, từ trường mạnh dần nên số đường sức từ xuyên qua khung dây tăng dần.

Khi nam châm ra xa khung dây, từ trường yếu đi nên số đường sức từ xuyên qua khung dây giảm.

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

Giải rút gọn:

Đề xuất phương án:Thay nam châm thẳng bằng nam châm điện. 

Khi ta thay nam châm thằng bằng nam châm điện thì dòng điện cảm ứng cũng xuất hiện ở cuộn dây.

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 rút gọn:

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

Thực hiện thí nghiệm thì thấy chiều dòng điện cảm ứng qua khung dây không thay đổi.

b) Trong khung dây không xuất hiện dòng điện cảm ứng. 

Bởi vì  khoảng cách giữa nam châm và khung dây giữ nguyên, nên từ thông không biến thiên.

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 rút gọn:

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 rút gọn:

Vai trò: 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 rút gọn:

Từ thông qua khung dây khi 30^o là: 

= 3,46.10^-5 (Wb)

Từ thông qua khung dây khi 60^o là: 

= 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 rút gọn:

* Cấu tạo

- Bề mặt kính: Bộ phận này có nhiệm vụ bảo vệ thân bếp và các linh kiện bên trong bếp. 

- 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): 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. Điều này sẽ giúp bảo vệ các linh kiện bên trong thiết bị và đảm bảo bếp từ luôn hoạt động ổn định.

- 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: 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.

Nhờ đó, bếp có khả năng làm chín thức ăn thông qua nồi đun có đáy nhiễm từ, điển hình như nồi nhôm, inox,... 

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 rút gọn:

So sánh hình dạng của đường sức điện từ:

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

- 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 rút gọn:

Tính chất cơ bản của sóng điện từ:

- Tốc độ truyền sóng trong chân không là 3.10⁸ m/s;

- Trong các môi trường vật chất, tốc độ truyển của sóng điện từ đều nhỏ hơn 3.10⁸ m/s

- Một số hiện tượng đặc trưng 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 rút gọn:

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 rút gọn:

Ứng dụng của tia tử ngoại trong việc điều trị bệnh còi xương cho trẻ em

Nguyên nhân gây còi xương 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. Có một chất tiết ở da người gọi là tiền vitamin D3. Trong điều kiện bình thường chất tiền 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. Vì vậy nên cho trẻ thường xuyên được tắm nắng thì có thể hấp thu canxi tối đa.

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 rút gọn:

Đáp án A. 

Giải thích: Trường hợp C không có biến thiên từ thông nên không xuất hiện dòng điện cảm ứng. Chỉ có hình A là biểu diễn đúng chiều dòng điện cảm ứng từ qua khung dây.

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 rút gọn:

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)

Độ lớn cảm ứng từ tại điểm đó bằng 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 rút gọn:

Ta có: =  

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)

Đồ thị độ lớn suất điện động cảm ứng sinh ra trong khung dây theo thời gian.