BÀI 3. CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ

Mở đầu: Dòng điện tạo ra từ trường ở không gian xung quanh nó. Từ trường có gây ra dòng điện được không?

Giải rút gọn:

Khi có sự biến thiên của từ thông qua một mặt giới hạn bởi một mạch kín thì trong mạch xuất hiện suất điện động cảm ứng.

Hiện tượng xuất hiện suất điện động cảm ứng là hiện tượng cảm ứng điện từ và hiện tượng này chỉ tồn tại trong khoảng thời gian từ thông qua mạch kín biến thiên.

Hiện tượng cảm ứng điện từ được Michael Faraday (Mai-con Fa-ra-đây), người Anh tìm ra năm 1831 chứng tỏ rằng từ trường có thể sinh ra dòng điện.

I. TỪ THÔNG

Câu 1: Một vòng dây dẫn phẳng có diện tích 0,10 m² được đặt vuông góc với từ trường có độ lớn cảm ứng từ là 2,0.10^-3 T. Tính từ thông qua vòng dây này.

Giải rút gọn:

Công thức chính để tính từ thông là Φ = NBS. cosα. 

Từ thông qua vòng dây này là:

Φ = NBS. cosα  = 1.2,0.10^-3. 0,10.cos0 = 2,0.10^-4 Wb.

II. HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ

Câu 2: Lập phương án và thực hiện phương án thí nghiệm minh hoạ được hiện tượng cảm ứng điện từ với các dụng cụ thực hành ở trường của bạn.

Giải rút gọn:

Bước 1: Ta mắc các dụng cụ thực hành như hình 3.2.

Bước 2: Đưa cực bắc của nam châm lại gần ống dây. Quan sát hiện tượng. 

Bước 3: Đưa cực bắc của nam châm ra xa ống dây. Quan sát hiện tượng.

Bước 4: Làm tương tự như vậy, nếu cho nam châm đứng yên và dịch chuyển ống dây lại gần hay ra xa nam châm. Quan sát hiện tượng. 

Kết quả:

- Đưa cực bắc của nam châm lại gần ống dây thì kim của điện kế bị lệch đi (Hình 3.3a).

- Đưa cực bắc của nam châm ra xa ống dây thì kim của điện kế bị lệch theo chiều ngược lại (Hình 3.3b).

- Nếu cho nam châm đứng yên và dịch chuyển ống dây lại gần hay ra xa nam châm thì trong ống dây cũng xuất hiện dòng điện.

Câu 3: Ở thí nghiệm (Hình 3.3), từ thông qua ống dây biến thiên như thế nào trong hai trường hợp sau đây?

- Khi đưa cực bắc của nam châm lại gần ống dây.

- Khi đưa cực bắc của nam châm ra xa ống dây.

Giải rút gọn:

Khi đưa cực bắc của nam châm lại gần ống dây, mật độ đường sức qua diện tích các vòng dây sẽ tăng dẫn tới từ thông qua ống dây cũng sẽ tăng.

Khi đưa cực Bắc của nam châm ra xa ống dây, mật độ đường sức qua diện tích các vòng dây sẽ giảm do ra xa đầu cực Bắc của nam châm, do đó từ thông qua ống dây sẽ giảm.

Câu 4: Nêu điểm giống và khác nhau giữa thí nghiệm ở Hình 3.3 và thí nghiệm ở Hình 3.4.

Giải rút gọn:

Giống nhau: Đều chứng minh được khi có sự biến thiên của từ thông qua mạch điện kín thì trong mạch sẽ xuất hiện dòng điện gọi là dòng điện cảm ứng.

Khác nhau: 

- Hình 3.3: Sử dụng nam châm vĩnh cửu.

- Hình 3.4: Sử dụng từ trường của ống dây mang điện để tạo ra sự biến thiên từ thông qua mạch kín của ống dây đang khảo sát.

Câu 5: Ở thí nghiệm Hình 3.6, nếu đưa cực của nam châm lại gần đầu 1 của ống dây thì đầu 1 là cực nào của ống dây?

Giải rút gọn:

Khi đưa nam châm lại gần ống dây:

+ Độ lớn của từ thông qua ống dây tăng.

+ Từ trường của dòng điện cảm ứng trong ống dây ngược chiều với từ trường của nam châm.

 Khi đó, từ trường của dòng điện cảm ứng ngăn cản nam châm lại gần nó.

 Vì vậy ống dây đang đẩy thanh nam châm ra xa, do đó đầu 1 của ống dây sẽ là cực bắc.

Luyện tập 1: Khung dây MNPQ quay trong từ trường đều. Tìm chiều của dòng điện cảm ứng trong khung dây tại thời điểm mặt phẳng khung dây song song với phương của đường sức từ (Hình 3.7).

Giải rút gọn:

Ta có: =0 Wb do vecto cảm ứng từ đang vuông góc với vecto pháp tuyến của mặt phẳng khung dây, 

khi quay khung dây theo chiều như hình vẽ, từ thông qua mạch MNPQ sẽ tăng và biến thiên.

Sẽ xuất hiện dòng điện cảm ứng sao cho từ trường của dòng điện này sinh ra có tác dụng chống lại sự biến thiên của từ thông qua mạch đó. nên từ trường do khung dây sinh ra nó sẽ hướng xuống dưới (do khung dây đang quay sang phải).

Áp dụng quy tắc nắm tay phải: chiều của dòng điện cảm ứng trong mạch sẽ theo chiều MNPQ.

III. VẬN DỤNG ĐỊNH LUẬT LENZ VÀ ĐỊNH LUẬT FARADAYIV. GIẢI THÍCH MỘT SỐ ỨNG DỤNG HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ

Câu 6: Nếu thay đĩa kim loại đặc trong Hình 3.11 bằng đĩa có xẻ rãnh (Hình 3.12) thì dao động sẽ diễn ra lâu hơn. Giải thích tại sao.

Giải rút gọn:

Vì đĩa là chất dẫn điện nên suất điện động cảm ứng tạo ra dòng điện trong đĩa (dòng điện xoáy). Chúng có đặc điểm là chạy theo các đường cong kín trong khối vật dẫn. 

Theo định luật Lenz, các dòng điện cảm ứng chạy trong đĩa sẽ tạo ra lực cản trở chuyển động, làm cho dao động bị tắt dần nhanh.

Trong đĩa kim loại đặc, dòng điện được tạo ra chủ yếu trên bề mặt của kim loại.

Trong đĩa có xẻ rãnh, dòng điện được tạo ra không chỉ trên bề mặt mà còn phải vượt qua không gian trong các xẻ rãnh. Do đó, dòng điện trong trường hợp này sẽ gặp phải điều kiện dẫn điện khó khăn hơn, dẫn đến sự giảm tốc độ tạo ra dòng điện, khi đó sẽ làm giảm khả năng cản trở chuyển động.

Luyện tập 2: Hình 3.13 mô tả sơ lược sơ đồ nguyên lý hoạt động của một loại đàn ghita điện. 

Phía dưới mỗi dây đàn có một nam châm được đặt bên trong một cuộn dây dẫn. Cuộn dây dẫn được nối với máy tăng âm.

Đoạn dây đàn ở sát bên trên nam châm bị từ hoá. Khi gảy đàn thì trong cuộn dây có dòng điện cảm ứng. Dòng điện cảm ứng này được biến đổi qua máy tăng âm và loa làm ta nghe được âm do dây đàn phát ra.

Giải thích vì sao khi gảy đàn thì trong cuộn dây có dòng điện cảm ứng.

Giải rút gọn:

Khi ta gảy đàn trong cuộn dây có dòng điện cảm ứng,các dây đàn sẽ tạo ra từ trường xung quanh chúng.

Nam châm bên dưới phản ứng với từ trường tạo ra từ dây đàn, tạo ra một dòng điện trong cuộn dây dẫn.

Sự thay đổi của từ trường từ nam châm (do độ gần của dây đàn khi được gảy thay đổi) tạo ra một dòng điện trong cuộn dây dẫn.

Theo định luật Faraday, khi một dòng từ trường thay đổi qua một cuộn dây dẫn, nó tạo ra một điện áp (hoặc điện thế) trong cuộn dây đó.

Câu 7: Tại sao lõi biến áp như Hình 3.14 lại làm giảm được cường độ dòng điện xoáy trong nó? 

Giải rút gọn:

Để giảm tác hại của dòng điện xoáy người ta dùng những lá thép silicon mỏng có phủ lớp sơn cách điện ghép sát với nhau (Hình 3.14). 

Bởi vì: những lá mỏng này lại được đặt song song với đường sức từ. 

V. MÔ HÌNH SÓNG ĐIỆN TỪ

Câu 8: Từ lớp 11, bạn đã biết, trong vùng không gian bao quanh một điện tích có điện trường. Liệu quanh điện tích đó có cả điện trường và từ trường không?

Giải rút gọn:

Xung quanh một điện tích đứng yên sẽ xuất hiện điện trường và tác dụng lên các điện tích đặt trong điện trường đó, nếu điện tích đó di chuyển, có nghĩa là sẽ có sự biến thiên của điện trường xung quanh điện tích, khi đó sẽ xuất hiện một từ trường xoáy bao quanh điện tích. 

Câu 9: Sóng điện từ là gì?

Hãy lấy ví dụ về công cụ có thể thu và phát sóng điện từ thường được dùng trong cuộc sống.

Giải rút gọn:

Sóng điện từ là điện từ trường lan truyền trong không gian, trong đó các trường điện và từ trường dao động vuông góc với nhau và lan truyền theo phương vuông góc với phương của điện trường và từ trường. 

Ví dụ: radio. 

Radio có thể thu sóng điện từ từ các trạm phát sóng và chuyển đổi chúng thành âm thanh để người dùng có thể nghe. Nó cũng có khả năng phát sóng điện từ bằng cách biến đổi âm thanh thành sóng điện từ để truyền đi thông qua không gian, cho phép người nghe ở xa có thể nhận được và nghe. 

Câu 10: Sử dụng mô hình sóng điện từ, chứng tỏ rằng sóng điện từ lan truyền được trong chân không.

Giải rút gọn:

Trong chân không, phương trình sóng điện từ cho thấy rằng sóng điện từ có thể lan truyền thông qua không gian mà không cần một phương tiện truyền truyền nào cả. 

Trường điện và từ trường biến đổi theo thời gian và không gian, tạo ra sóng điện từ. Do tốc độ của sóng điện từ trong chân không là một giá trị cố định, nên không cần một vật chất truyền để sóng điện từ lan truyền.

Vậy nên sóng điện từ có thể lan truyền được trong chân không.

Vận dụng: Ở hai vị trí A và B cách nhau 1 km có hai nguồn phát sóng điện từ giống hệt nhau. Tín hiệu mà máy thu sóng nhận được có như nhau tại các vị trí khác nhau không? Tại sao?

Giải rút gọn:

Tín hiệu mà máy thu sóng nhận được có thể khác nhau (vị trí A và vị trí B) trong trường hợp các nguồn phát sóng điện từ giống hệt nhau. 

Bởi vì do sự phản xạ và giao thoa sóng điện từ.

Phản xạ sóng:

+ Khi sóng điện từ gặp phải một bề mặt phản xạ, một phần của năng lượng sóng sẽ bị phản xạ và điều này có thể tạo ra các hiện tượng giao thoa và tạo ra một điểm pha mới.

+ Ở vị trí A và vị trí B, sự phản xạ từ các vật thể xung quanh có thể khác nhau, dẫn đến sự khác biệt trong tín hiệu thu nhận được.

Giao thoa sóng:

+ Khi hai sóng điện từ từ hai nguồn phát cùng pha gặp nhau, chúng có thể tạo ra hiện tượng giao thoa. Tại một số điểm, sự giao thoa có thể làm tăng cường tín hiệu, trong khi ở các điểm khác, nó có thể dẫn đến sự suy giảm hoặc hủy bỏ tín hiệu.

+ Tại các vị trí khác nhau như A và B, sự kết hợp của các sóng từ hai nguồn phát có thể dẫn đến sự thay đổi trong tín hiệu thu nhận được.