Slide bài giảng Vật lí 12 kết nối Bài 16: Từ thông. Hiện tượng cảm ứng điện từ

Tóm lược nội dung

BÀI 16. TỪ THÔNG. HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ

KHỞI ĐỘNG

Khi số đường sức từ xuyên qua tiết diện của cuộn dây dẫn kín biến thiên thì trong cuộc dây dẫn đó xuất hiện dòng điện cảm ứng. Hãy cho biết có những cách nào làm cho số đường sức từ qua tiết diện của cuộc dây dẫn kín biến thiên?

Trả lời rút gọn:

Các cách làm cho số đường sức từ qua tiết diện của cuộc dây dẫn kín biến thiên:

 - Thay đổi vị trí của cuộn dây so với nam châm: Khi di chuyển cuộn dây lại gần hoặc ra xa nam châm, số đường sức từ qua tiết diện của cuộn dây sẽ thay đổi. Di chuyển cuộn dây theo phương vuông góc với hướng của đường sức từ sẽ làm cho số đường sức từ qua tiết diện của cuộn dây biến thiên nhanh hơn.

- Thay đổi góc hợp giữa cuộn dây và hướng của đường sức từ: Khi xoay cuộn dây, góc hợp giữa cuộn dây và hướng của đường sức từ sẽ thay đổi, dẫn đến sự biến thiên của số đường sức từ qua tiết diện cuộn dây.

- Thay đổi cường độ dòng điện chạy qua nam châm điện: Khi cường độ dòng điện chạy qua nam châm điện thay đổi, từ trường do nam châm điện tạo ra cũng sẽ thay đổi, dẫn đến sự biến thiên của số đường sức từ qua tiết diện cuộn dây

- Sử dụng lõi sắt non: Lõi sắt non có thể tập trung từ trường, do đó khi sử dụng lõi sắt non, số đường sức từ qua tiết diện cuộn dây sẽ tăng lên

- Dùng cuộn dây có nhiều vòng dây: Cuộn dây có nhiều vòng dây sẽ có độ nhạy cao hơn với sự biến thiên của từ trường, do đó số đường sức từ qua tiết diện cuộn dây sẽ biến thiên nhiều hơn

I. TỪ THÔNG

Câu hỏi :  Từ biểu thức (16.1) hãy cho biết trong trường hợp nào thì từ thông qua vòng dây diện tích S giới hạn bởi dẫn kín ( C) có trị số bằng 0, có trị số dương, có trị số âm.

Trả lời rút gọn:

- Trị số bằng 0: 

+ Khi cảm ứng từ bằng 0: lúc này không có từ trường thì từ thông qua vòng dây luôn bằng 0.

+ Khi diện tích S bằng 0: vòng dây không có diện tích thì từ thông qua vòng dây cũng bằng 0.

+ Khi thì : do đó từ thông qua dây bằng 0

- Trị số dương khi cảm ứng từ, diện tích S đều lớn hơn 0 và góc hợp bởi vecto cảm ứng từ với mặt phẳng vòng dây luôn là góc nhọn.

- Trị số âm khi cảm ứng từ, diện tích S luôn dương và góc hợp bởi vecto cảm ứng từ với mặt phẳng vòng dây luôn là góc tù.

Hoạt động: Để làm từ thông biến thiên, có thể biến đổi từng đại lượng B, S, trong biểu thức (16.1). Hãy đề xuất các cách có thể làm biến thiên từ thông qua tiết diện khung dây dẫn mềm nối với điện kế thành mạch kín trong các trường hợp sau:

Trường hợp 1: Khung dây dẫn đặt cạnh nam châm vĩnh cửu (Hình 16.4).

Trường hợp 2: Khung dây dẫn đặt cạnh nam châm điện (Hình 16.5).

Nếu dòng diện 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).

Trả lời rút gọn:

Trường hợp 1: Khung dây dẫn đặt cạnh nam châm vĩnh cửu (Hình 16.4).

- Thay đổi cảm ứng từ B: có thể di chuyển nam châm (di chuyển ra xa, lại gần, song song, vuông góc với khung dây) và thay đổi vị trí của khung dây ( di chuyển ra xa, lại gần, xoay làm sao cho góc hợp bởi vecto cảm ứng từ và vecto pháp tuyến của mặt phẳng khung dây thay đổi bất kì).

- Thay đổi diện tích S của khung dây: làm biến dạng khung dây

- Thay đổi góc : xoay khung dây làm sao cho góc hợp bởi vecto cảm ứng từ và vecto pháp tuyến của mặt phẳng khung dây thay đổi bất kì. 

Trường hợp 2: Khung dây dẫn đặt cạnh nam châm điện (Hình 16.5).

- Thay đổi cảm ứng từ B: có thể thay đổi cường độ dòng điện I hoặc thay đổi số vòng dây của nam châm điện

- Thay đổi diện tích S của khung dây: làm biến dạng khung dây.

- Thay đổi góc : xoay khung dây làm sao cho góc hợp bởi vecto cảm ứng từ và vecto pháp tuyến của mặt phẳng khung dây thay đổi bất kì. 

II. HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ

Câu hỏi: Từ các cách làm biến thiên từ thông qua cuộn dây dẫn kín, hãy đề xuất một số phương án thí nghiệm minh hoạ hiện tượng cảm ứng điện từ.

Trả lời rút gọn:

Phương án thí nghiệm minh hoạ hiện tượng cảm ứng điện từ:

 Chuẩn bị dụng cụ: nam châm, cuộn dây dẫn kín, điện kế

Tiến hành: 

- Nối hai đầu cuộn dây dẫn kín với điện kế

- Sau đó đưa nam châm lại gần cuộn dây dẫn kín

- Quan sát điện kế

Nhận xét và kết quả quan sát được:

- Khi nam châm lại gần cuộn dây dẫn kín, kim điện kế sẽ quay, chứng tỏ có dòng điện xuất hiện trong cuộn dây.

- Khi nam châm ra xa cuộn dây dẫn kín, kim điện kế sẽ quay theo chiều ngược lại, chứng tỏ có dòng điện xuất hiện trong cuộn dây với chiều ngược lại.

Hoạt động 1: Thí nghiệm 1

Chuẩn bị: Nam châm (1), cuộn dây (2), điện kế (3) và các dây dẫn.

Tiến hành:

- Bố trí thí nghiệm như Hình 16.6 và điều chỉnh kim điện kế chỉ đúng vạch số 0.

- Quan sát chiều lệch của kim điện kế trong các trường hợp sau:

+ Dịch chuyển cực Bắc của nam châm lại gần cuộn dây.

+ Dịch chuyển cực Bắc của nam châm ra xa cuộn dây.

Từ kết quả thí nghiệm quan sát được, thực hiện các yêu cầu sau:

1. Khi nào kim điện kế dịch chuyển? Kim điện kế lệch khỏi vạch 0 chứng tỏ điều gì?

2. Giải thích sự biến thiên từ thông qua cuộn dây trong các trường hợp trên.

3. Nhận xét về mối liên hệ giữa sự biến thiên của từ thông qua cuộn dây với sự xuất hiện của dòng điện cảm ứng trong cuộn dây đó.

Trả lời rút gọn:

1. Kim điện kế dịch chuyển khi:

- Dịch chuyển cực Bắc của nam châm lại gần cuộn dây.

- Dịch chuyển cực Bắc của nam châm ra xa cuộn dây.

Kim điện kế lệch khỏi vạch 0 thì chứng tỏ có dòng diện đi qua.

2. - Dịch chuyển cực Bắc của nam châm lại gần cuộn dây thì số đường sức từ qua tiết diện cuộn dây tăng, dẫn đến từ thông cũng sẽ tăng

- Dịch chuyển cực Bắc của nam châm ra xa cuộn dây thì số đường sức từ qua tiết diện cuộn dây giảm, dẫn đến từ thông cũng sẽ giảm

3. Nhận xét mối liên hệ giữa sự biến thiên của từ thông qua cuộn dây với sự xuất hiện của dòng điện cảm ứng trong cuộn dây đó: dòng điện cảm ứng chỉ xuất hiện trong cuộn dây khi từ thông qua cuộn dây biến thiên.

Hoạt động 2: Thí nghiệm 2

Chuẩn bị:

Nam châm điện (1), cuộn dây (2), điện kế (3), khoá K (4), nguồn điện (5), biến trở (6) và các dây dẫn.

Tiến hành:

- Lắp mạch điện như Hình 16.7 và điều chỉnh kim điện kế chỉ đúng vạch số 0.

- Quan sát kim điện kế khi đóng hoặc ngắt khoá K.

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

Từ kết quả thí nghiệm quan sát được, thực hiện các yêu cầu sau:

1. Khi đóng, ngắt khoá K hoặc di chuyển con chạy trên biến trở thì kim điện kế có lệch khỏi vạch 0 không? Giải thích.

2. Khi đóng hoặc ngắt khoá K, đại lượng nào trong công thức (16.1) thay đổi làm xuất hiện dòng điện cảm ứng trong cuộn dây dẫn kín?

Trả lời rút gọn:

1. Kim điện kế lệch khỏi vạch 0. Vì:

- Khi đóng khoá K, thì mạch điện kín, xuất hiện dòng điện cảm ứng, dòng điện đi qua điện kế nên kim điện kế sẽ lệch khỏi vạch 0.

- Khi mở khoá K thì mạch hở và không có dòng điện cảm ứng ở đây nên kim điện kế sẽ về 0.

2. Đại lượng trong công thức (16.1) thay đổi 

III. CHIỀU DÒNG ĐIỆN CẢM ỨNG. ĐỊNH LUẬT LENZ

Hoạt động: Hãy xác định chiều quấn của cuộn dây (2) trong thí nghiệm 2(Hình 16.7) và vận dụng định luật Lenz để kiểm chứng chiều dòng điện cảm ứng trong cuộn dây này khi đóng hoặc ngắt khoá K (4).

Trả lời rút gọn:

Xác định chiều quấn của cuộn dây dựa vào quy tắc nắm tay phải, ta có thể xác định chiều quấn của cuộn dây (2) như sau: Nắm bàn tay phải sao cho ngón cái hướng theo chiều dòng điện trong cuộn dây (1). Các ngón tay còn lại sẽ cho ta chiều của đường sức từ do cuộn dây (1) sinh ra. Chiều quấn của cuộn dây (2) phải cùng chiều với chiều của đường sức từ do cuộn dây (1) sinh ra để tăng từ thông qua cuộn dây (2) khi đóng khóa K.

Vận dụng định luật Lenz  để kiểm chứng chiều dòng điện cảm ứng trong cuộn dây này khi đóng hoặc ngắt khoá K: 

- Khi đóng khoá K: dòng điện qua cuộn dây (1) tạo ra ngược chiều với từ trường của nam châm. Vì theo định luật Lenz, dòng điện cảm ứng trong cuộn dây (2) sẽ có chiều ngược lại với chiều dòng điện trong cuộn dây (1) để chống lại sự tăng từ thông qua cuộn dây (2). Do đó, dòng điện cảm ứng trong cuộn dây (2) có chiều ngược chiều kim đồng hồ.

- Khi mở khoá K: từ trường ở dòng điện trong cuộn dây (1) mất đi. Theo định luật Lenz, dòng điện cảm ứng trong cuộn dây (2) sẽ có chiều cùng chiều với chiều dòng điện trong cuộn dây (1) để chống lại sự giảm từ thông qua cuộn dây (2). Do đó, dòng điện cảm ứng trong cuộn dây (2) có chiều ngược chiều kim đồng hồ

IV. SUẤT ĐIỆN ĐỘNG CẢM ỨNG. ĐỊNH LUẬT FARADAY

Hoạt động: Thí nghiệm với thanh kim loại MN trượt trên hai đoạn dây dẫn điện MQ và NP được nối với ampe kế thành mạch điện kín như Hình 16.9. mạch điện được đặt trong từ trường đều có cảm ứng từ B vuông góc với mặt phẳng MNPQ. Xác định chiều dòng điện cảm ứng và biểu thức xuất điện động cảm ứng trong mạch khi thanh kim loại trượt đều với tốc độ v trên hai đoạn dây dẫn.

Trả lời rút gọn:

Thí nghiệm với thanh kim loại MN trượt trên hai đoạn dây dẫn điện MQ và NP được nối với ampe kế thành mạch điện kín như Hình 16.9. mạch điện được đặt trong từ trường đều có cảm ứng từ B vuông góc với mặt phẳng MNPQ. Chiều dòng điện cảm ứng ứng trong mạch khi thanh kim loại trượt đều với tốc độ v trên hai đoạn dây dẫn là: chiều từ .

Biểu thức suất điện động cảm ứng: 

mà

Thay các biểu thức trên vào công thức suất điện động cảm ứng ta được:

trong đó là tốc độ biến thiên của từ thông qua mạch kín.

Em có thể: Nêu được nguyên tắc hoạt động của máy phát điện.

Trả lời rút gọn:

Máy phát điện hoạt động dựa trên nguyên tắc cảm ứng điện từ. Khi rôto quay trong từ trường, từ thông qua cuộn dây dẫn điện trong stato sẽ biến thiên. Theo định luật Faraday, sự biến thiên từ thông này sẽ sinh ra dòng điện cảm ứng trong cuộn dây. Chiều dòng điện cảm ứng được xác định theo định luật Lenz. Tần số của dòng điện cảm ứng phụ thuộc vào tốc độ quay của rôto và số vòng dây của cuộn dây trong stato. Biên độ của dòng điện cảm ứng phụ thuộc vào cường độ từ trường và số vòng dây của cuộn dây trong stato.