CHƯƠNG V. CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ
- Trang 1/25 -
A. ÔN TẬP LÍ THUYẾT
I. HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ
1. Từ thông
Từ thông là đại lượng đặc trưng cho số đường sức từ xuyên qua bề mặt S của một khung dây có
diện tích S và được xác định theo công thức:
Φ= BScosα
Trong đó:
α =(B,n)
;
α =(B,n)
; Φ là từ thông – đơn vị Wb (Vêbe).
2. Hiện tượng cảm ứng điện từ
Hiện tượng khi từ thông Φ qua khung dây biến thiên sinh ra trong khung dây một dòng điện cảm
ứng iC gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ.
* Lưu ý: Dòng điện cảm ứng chỉ tồn tại trong thời gian từ thông qua mạch biến thiên.
3. Định luật Lenz về chiều dòng điện cảm ứng
"Dòng điện cảm ứng sinh ra trong mạch kín có chiều sao cho từ thông cảm ứng có tác dụng chống
lại sự biến thiên của từ thông ban đầu qua mạch kín"
4. Suất điện động cảm ứng
Suất điện động cảm ứng là suất điện động sinh ra dòng điện cảm ứng trong mạch kín khi xảy ra
hiện tượng cảm ứng điện từ.
5. Định luật Faraday về suất điện động cảm ứng
"Độ lớn của suất điện động cảm ứng xuất hiện trong mạch kín tỉ lệ với tốc độ biến thiên của từ
thông qua mạch kín đó"
c
ΔΦ
e = -N Δt
(Dấu (-) thể hiện về mặt toán học của định luật Lenxơ: theo định luật Lenxơ, công của lực từ tác
dụng lên dòng điện cảm ứng bao giờ cũng là công cản; do đó để dịch chuyển một mạch điện trong từ
trường ta phải tốn một công bằng về chỉ số nhưng trái dấu với công cản đó).
Để tiện tính toán ta chỉ quan tâm đến độ lớn của suất điện động cảm ứng:
c
ΔΦ
e = N Δt
6. Suất điện động cảm ứng trong một đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường
Xét ví dụ về một mạch có dạng về hình chữ nhật ABCD có một
cạnh lưu động CD chuyển động đều với vận tốc
v
như hình vẽ bên.
Qui tắc xác định chiều suất điện động cảm ứng trong mạch có
đoạn dây dẫn chuyển động: "Đặt bàn tay phải hứng các đường sức
từ, ngón cái choãi ra 900 hướng theo chiều chuyển động của đoạn
dây, khi đó đoạn dây đóng vai trò như một nguồn điện, chiều từ cổ
tay đến ngón tay giữa chỉ chiều từ cực âm sang cực dương của nguồn
điện (hay chính là chiều của dòng điện cảm ứng)".
Biểu thức:
e = Bv sinα
Trong đó:
α =(B,v)
;
là chiều dài của đoạn dây dẫn (m) ; v là vận tốc của đoạn dây (m/s2).
Vậy: bản chất của hiện tượng cảm ứng điện từ là quá trình chuyển hóa cơ năng thành điện năng.
* Lưu ý: Các bước xác định dòng điện cảm ứng trong mạch kín
- Cách 1: chống lại sự biến thiên từ thông qua mạch
+ Bước 1: Xác định từ trường bên ngoài theo quy tắc "Vào Nam ra Bắc"
+ Bước 2: Xác định từ trường do mạch kín sinh ra theo quy tắc "Gần ngược, xa cùng"
+ Bước 3: Xác định dòng điện cảm ứng sinh ra trong khung dây theo qui tắc nắm tay phải.
- Cách 2: chống lại sự chuyển động tương đối giữa nam châm và mạch
Dựa vào tương tác hút – đẩy giống như nam châm để xác định mặt Nam và mặt Bắc của mạch
kín rồi xác định dòng điện cảm ứng trong mạch theo quy tắc “Nam cùng Bắc ngược”.
C
B
D
CHƯƠNG V. CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ
- Trang 2/25 -
II. HIỆN TƯỢNG TỰ CẢM
1. Hiện tượng tự cảm
a) Hiện tượng tự cảm là hiện tượng cảm ứng điện từ xảy ra trong một mạch kín có dòng điện mà sự
biến thiên từ thông qua mạch được gây ra bởi sự biến thiên của chính cường độ dòng điện trong mạch
đó.
b) Một số ví dụ về hiện tượng tự cảm
- Ví dụ 1: Khi đóng khóa K, đèn 1 sáng lên ngay còn đèn 2 sáng lên từ từ.
Giải thích: Khi đóng khóa K, dòng điện qua ống dây và đèn 2 tăng lên đột ngột,
khi đó trong ống dây xuất hiện suất điện động tự cảm có tác dụng cản trở sự tăng
của dòng điện qua L. Do đó dòng điện qua L và đèn 2 tăng lên từ từ.
- Ví dụ 2: Khi đột ngột ngắt khóa K, ta thấy đèn sáng bừng lên trước khi tắt.
Giải thích: Khi ngắt K, dòng điện iL giảm đột ngột xuống 0. Trong ống dây xuất
hiện dòng điện cảm ứng cùng chiều với iL ban đầu, dòng điện này chạy qua đèn và
vì K ngắt đột ngột nên cường độ dòng cảm ứng khá lớn, làm cho đén sáng bừng lên
trước khi tắt.
2. Từ thông riêng qua một mạch kín
Từ thông riêng của một mạch kín tỉ lệ với dòng điện chạy trong mạch:
L.i
Trong đó:
- Hệ số tự cảm L đặc trưng cho khả năng cảm ứng điện từ của ống dây với sự biến thiên từ
thông do chính sự thay đổi dòng điện qua mạch.
- Biểu thức:
2
-7 N
L=μ.4π.10 S
l
;
μ
là độ từ thẩm của lõi sắt từ. Đơn vị của L là: H (Henry).
3. Suất điện động tự cảm
Suất điện động tự cảm xuất hiện trong hiện tượng tự cảm và có độ lớn tỉ lệ với tốc độ biến thiên
của dòng điện trong mạch.
tc
ΔI
e = -L Δt
hay
tc
ΔI
e = L Δt
4. Năng lượng từ trường sinh ra bên trong ống dây:
- Năng lượng từ trường:
2
1
W = LI
2
- Mật độ năng lượng từ trường:
2
-7
WB
ω= V8π.10
μ.
B. BÀI TẬP
D NG 1: HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ
Bài 1. Một vòng dây dẫn phẳng có diện tích giới hạn là S = 5cm2 đặt trong từ trường đều có cảm
ứng từ B = 0,1T. Mặt phẳng vòng dây làm với véc tơ
B
một góc = 30o. Tính từ thông qua diện tích
S.
Bài 2. Vòng dây dẫn tròn bán kính r =10cm, điện trở R = 0,2
đặt nghiêng góc 300 so với
B
, B= 0,02T như hình. Xác định suất điện động cảm ứng, độ lớn và chiều dòng điện
cảm ứng trong vòng dây nếu trong thời gian 0,01s từ trường :
a. Giảm đều từ B xuống 0 b. Tăng đều từ 0 lên B.
Bài 3. Cuộn dây có 1000 vòng, diện tích mỗi vòng là 20cm2 có trục song song với
B
của từ trường
đều. Tính độ biến thiên
B
của cảm ứng từ trong thời gian
t
=10-2s khi có suất điện động cảm ứng
EC = 10V trong cuộn dây. ĐS: 0,05T
Bài 4. Vòng dây đồng (
m 8
10.75,1
) đường kính d = 20cm, tiết diện sợi dây là S0 = 5 mm2 đặt
vuông góc với
B
của từ trường đều. Tính độ biến thiên
t
B
của cảm ứng từ khi dòng điện cảm ứng
trong vòng dây là 2A. ĐS: 0,14T/s
Bài 5. Một ống dây gồm 80 vòng. Từ thông qua tiết diện ngang của ống biến đổi đều từ 3.10–3 (wb)
đến 1,5.10–3 (wb) trong thời gian 5.10–3 (s). Tìm suất điện động cảm ứng trong ống dây.
CHƯƠNG V. CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ
- Trang 3/25 -
E r
A
B
Bài 6. Một khung dây phẳng có điện trở R = 0,001 , có diện tích S = 1 cm2 đặt trong một từ trường
đều có đường sức vuông góc với mặt phẳng khung. Xác định nhiệt lượng toả ra trong khung sau thời
gian 10 giây. Biết rằng tốc độ biến thiên của cảm ứng từ là 0,01 T/s.
Bài 7. Một vòng dây dẫn có diện tích S = 100cm2 nối vào một tụ điện C= 0,2nF, được đặt trong từ
trường đều,
B
vuông góc mặt phẳng vòng dây, có độ lớn tăng đều với tốc độ 5.10-2 T/s. Tính điện tích
của tụ điện.
ĐS: 0,1.10-6C.
Bài 8. Một dây dẫn chiều dài
m2
, điện trở R = 4
được uốn thành một hình
vuông. Các nguồn E1 = 10V, E2 =8V, r1 =r2 = 0, được mắc vào các cạnh hình vuông.
Mạch được đặt trong từ trường đều
B
như hình, B tăng theo qui luật B = kt,
k=1,6T/s. Tính cường độ dòng điện chạy trong mạch.
ĐS: 0,5A
D NG 2: ĐO N D Y D N CHUY N Đ NG T ONG TỪ T Ư NG
Bài 9. Một dây dẫn điện dài 50cm chuyển động thẳng góc với đường cảm ứng của 1 từ trường đều có
B = 4.102T với vận tốc 120m/phút. Tìm suất điện động cảm ứng trong dây.
Bài 10. Đoạn dây dẫn dài l = 1m chuyển động với vận tốc v = 0,5m/s theo phương hợp với
B
một
góc 300, B = 0,2T. Tính suất điện động xuất hiện trong dây dẫn
Bài 11. Thanh MN khối lượng m = 2g trượt đều không ma sát với tốc độ v = 5m/s
trên hai thanh thẳng đứng cách nhau l = 50cm được đặt trong từ trường đều nằm
ngang như hình vẽ B = 0,2T. Bỏ qua điện trở tiếp xúc. Cho g = 10m/s2
a. Tính suất điện động cảm ứng trong thanh MN
b. Xác định lực từ và dòng điện trong thanh MN
c. Tính R
Bài 12. Cho mạch điện như hình vẽ. Nguồn có E = 1,5V ; r = 0,2. Thanh MN
dài = 1m và có điện trở R= 2,8 được đặt trong từ trường đều có B = 0,1T. Bỏ
qua điện trở của Ampe kế.
a. Xác định số chỉ của (A) khi
. MN đứng yên
. MN chuyển động về bên phải với vận tốc v = 5m/s
b. Muốn số chỉ ampe kế là 0 thì phải di chuyển MN về phía nào với vận tốc bằng bao nhêu?
Bài 13. Cho mạch điện như hình vẽ, nguồn E = 1,5V, r = 0,1Ω, MN = l = 1m, RMN = 2,9Ω,
B
vuông
góc với khung dây, hướng từ trên xuống, B = 0,1T. Điện trở ampe kế
và hai thanh ray không đáng kể. Thanh MN có thể trượt không ma
sát trên hai đường ray.
a) Tìm số chỉ của ampe kế và lực điện từ đặt lên MN khi MN được
giữ đứng yên. ĐS: 0,5A; 0,05N
b) Tìm số chỉ của ampe kế và lực điên từ đặt vào MN kh MN
chuyển động đều sang phải với vận tốc v = 3m/s. ĐS: 0,6A; 0,06N
c) Muốn ampe kế chỉ 0 thì MN phải chuyển động theo hướng nào
với vận tốc bằng bao nhiêu ? ĐS: sang trái, v = 15m/s
Bài 14. Cho hệ thống như hình vẽ, thanh AB = 20 cm, khối lượng
m=10 g,
B
vuông góc với khung dây dẫn, độ lớn là 0,1 T, nguồn có suất
điện động 1,2 V và điện trở trong 0,5
. Do lực điện từ và lực ma sát, AB
trượt đều với vận tốc 10 m/s. Bỏ qua điện trở các ray và các nơi tiếp xúc.
a) Tính độ lớn và chiều của dòng điện trong mạch, hệ số ma sát giữa
AB và ray.
b) Muốn dòng điện trong thanh AB chạy từ B đến A, cường độ 1,8 A
phải kéo Ab trượt theo chiều nào và vận tốc bằng bao nhiêu ?
ĐS: a) 2 A; 0,4 b) sang phải, 15 m/s, 4.10-3N
E1
E2
B
E, r
M
-
+
A
N
CHƯƠNG V. CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ
- Trang 4/25 -
D NG 3: HIỆN TƯỢNG TỰ CẢM
Bài 15. Trong một ống dây điện có L = 0,6(H), dòng điện giảm đều từ I1=0,2A đến I2 = 0 trong
khoảng thời gian 12(s). Tính suất điện động tự cảm trong mạch.
Bài 16. Tính độ tự cảm của ống dây, biết sau khoảng thời gian t = 0,01 s dòng điện trong mạch tăng
từ 1A đến 2,5A và suất điện động tự cảm là 30V
Bài 17. Một ống dây có độ tự cảm L = 0,5 H, điện trở R = 4. Muốn tích luỹ một năng lượng từ
trường 200 J trong ống dây thì phải cho dòng điện có cường độ bao nhiêu đi qua ống dây đó? Khi đó
công suất nhiệt của ống dây là bao nhiêu?
Bài 18. Cường độ dòng điện trong một ống dây giảm từ 12A xuống 8A thì năng lượng từ trường của
ống dây giảm đi 2J. Tính năng lượng từ trường của ống dây trong hai trường hợp đó.
Bài 19. Một ống dây dài có
=31,4cm , N = 1000 vòng , diện tích mỗi vòng S = 10cm2 , có dòng
điện I = 2A đi qua.
a. Tính từ thông qua mỗi vòng. ĐS: 8.10-6 Wb
b. Tính suất điện động tự cảm trong ống dây khi ngắt dòng điện trong thời gian 0,1s. ĐS: 0,08V
c. Tính độ tự cảm của cuộn dây. ĐS: 0,004H
Bài 20. Ống dây hình trụ có lõi chân không , chiều dài 20cm, có 1000 vòng, diện tích mỗi vòng
S=1000cm2.
a. Tính độ tự cảm của ống dây. ĐS: 6,38.10-2H.
b. Dòng điện qua ống dây tăng đều từ 0 đến 5A trong 0,1s ; tính suất điện động tự cảm xuất hiện
trong ống dây. ĐS: 3,14V
c. Khi dòng điện trong ống dây đạt giá trị 5A tính năng lượng từ tích lũy trong ống dây lúc này?
ĐS: 0,785J
Bài 21. Một cuộn dây có L= 3H được nối với một nguồn E=6V; r= 0. Hỏi sau bao lâu tính từ lúc nối
vào nguồn điện, cường độ dòng điện tăng đến giá trị 5A? Giả sử cường độ dòng điện tăng đều theo
thời gian. ĐS: 2,5s
C. T ẮC NGHIỆM Chủ đề 1: Cảm ứng điện từ tổng quát
Câu hỏi 1: Hình vẽ nào sau đây xác định đúng chiều dòng điện cảm ứng khi cho nam châm dịch chuyển lại
gần hoặc ra xa vòng dây kín:
Câu hỏi 2: Hình vẽ nào sau đây xác định đúng chiều dòng điện cảm ứng khi cho vòng dây dịch chuyển lại
gần hoặc ra xa nam châm:
Câu hỏi 3: Hình vẽ nào sau đây xác định đúng chiều dòng điện cảm ứng khi cho nam châm dịch chuyển lại
gần hoặc ra xa vòng dây kín:
Câu hỏi 4: Hình vẽ nào sau đây xác định đúng chiều dòng điện cảm ứng khi cho vòng dây dịch chuyển lại
gần hoặc ra xa nam châm:
S
N
v
Ic
C.
S
N
v
B.
Ic
S
N
v
A.
Ic
v
Icư= 0
D.
S
N
S
N
Ic
v
A.
S
N
Ic
v
B.
S
N
v
Ic
C.
S
N
v
Icư= 0
D.
N
S
Ic
v
A.
Ic
N
S
v
B.
N
S
v
Ic
C.
N
S
v
Icư= 0
D.
CHƯƠNG V. CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ
- Trang 5/25 -
Câu hỏi 5: Hình vẽ nào sau đây xác định đúng chiều dòng điện cảm ứng khi cho nam châm rơi thẳng đứng
xuống tâm vòng dây đặt trên bàn:
Câu hỏi 6: Hình vẽ nào sau đây xác định đúng chiều dòng điện cảm ứng ngay khi nam châm đang đặt
thẳng đứng tại tâm vòng dây ở trên bàn thì bị đổ:
Câu hỏi 7: Hình vẽ nào sau đây xác định đúng chiều dòng điện cảm ứng khi cho cả nam châm và vòng dây
dịch chuyển, với v1 = v2:
Câu hỏi 8: Hình vẽ nào sau đây xác định đúng chiều dòng điện cảm ứng khi cho cả nam châm và vòng dây
dịch chuyển, với v1 > v2:
Câu hỏi 9: Hình vẽ nào sau đây xác định đúng chiều dòng điện cảm ứng khi cho cả nam châm và vòng dây
dịch chuyển, với v1 < v2:
Câu hỏi 10: Hình vẽ nào sau đây xác định đúng chiều dòng điện cảm ứng khi cho cả nam châm và vòng
dây dịch chuyển:
Ic
v
A.
N
S
N
S
Ic
v
B.
N
S
v
Ic
C.
N
S
v
Icư= 0
D.
N
S
v
Ic
A.
N
S
v
Ic
B.
v
Ic
C.
N
S
N
S
Icư = 0
v
D.
v
Ic
A.
N
S
v
Ic
B.
N
S
v
Ic
C.
N
S
Icư = 0
v
D.
N
S
S
N
v1
Ic
C.
S
N
v1
B.
Ic
S
N
v1
A.
Ic
v1
Icư= 0
D.
S
N
v2
v2
v2
v2
v2
v2
v2
v2
S
N
v1
Ic
C.
S
N
v1
B.
Ic
S
N
v1
A.
Ic
v1
Icư= 0
D.
S
N
v2
v2
v2
v2
S
N
v1
B.
Ic
S
N
v1
A.
Ic
v1
Icư= 0
D.
S
N
v1
Ic
C.
S
N
N
S
v1
A.
Ic
N
S
v1
B.
N
S
v1
Ic
C.
N
S
v1
Icư
D.
v2 = v1
Icư = 0
v2 > v1
v2 < v1
v2 > v1