Lý thuyết Hiện tượng cảm ứng điện từ - Vật lí 12 Chân trời sáng tạo

Lý thuyết Vật lí 12 Bài 12: Hiện tượng cảm ứng điện từ

1. Từ thông

Từ thông qua diện tích S: $\Phi =BS\cos \alpha$

Trong đó, $\alpha$ là góc hợp bời cảm ứng từ $\overrightarrow{B}$ và vectơ pháp tuyến $\overrightarrow{n}$ của mặt phẳng có diện tích S.

Đơn vị của từ thông là vêbe (Wb). 1 Wb = 1T . 1m²

Khi $0°\le \alpha <90°\Rightarrow \Phi >0$

Khi $\alpha =90°\Rightarrow \Phi =0$

Khi $90°<\alpha \le 180°\Rightarrow \Phi <0$

2. Hiện tượng cảm ứng điện từ

Thí nghiệm khảo sát hiện tượng cảm ứng điện từ

Bước 1: Điều chỉnh kim điện kế ở vạch số 0. Nối hai đầu khung dây với điện kế.

Bước 2: Đưa một đầu của nam châm tiến lại gần khung dây, khi nam châm vừa tiến đến mặt phẳng khung dây thì dừng lại. Quan sát kim điện kế trong quá trình nam châm lại gần khung dây.

Bước 3: Từ vị trí của nam châm ở cuối bước 2, đưa nam châm ra xa khung dây. Quan sát kim điện kế trong quá trình nam châm ra xa khung dây.

* Kết quả thí nghiệm:

- Trong quá trình đưa nam châm lại gần hay ra xa khung dây, ta thấy kim điện kế bị lệch, điều này chứng tỏ đã có dòng điện qua khung dây. Ngoài ra, chiều lệch của kim điện kế trong hai trường hợp là ngược nhau, cho thấy hai dòng điện ngược chiều nhau.

- Khi nam châm dừng lại, ta thấy kim điện kế dừng lại ở vạch số 0, chứng tỏ không có dòng điện qua khung dây.

Hiện tượng cảm ứng điện từ

Khi từ thông qua mặt giới hạn bởi một khung dây dẫn kín biến thiên thì trong khung dây xuất hiện dòng điện cảm ứng. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ.

Định luật Lenz về chiều dòng điện cảm ứng

Dòng điện cảm ứng qua khung dây dẫn kín có chiều sao cho từ trường do nó sinh ra (từ trường cảm ứng) có tác dụng chống lại sự biến thiên từ thông qua chính khung dây đó.

Định luật Faraday về suất điện động cảm ứng

Độ lớn của suất điện động cảm ứng trong mạch kín tỉ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông qua mạch.

$\left|e\right|=\left|\frac{\Delta \Phi }{\Delta t}\right|$

trong đó, $\Delta \Phi$ là độ biến thiên từ thông qua diện tích giới hạn bởi mạch điện kín.

Kết hợp với định luật Lenz, suất điện động cảm ứng trong mạch điện kín là: $e_{\text{C}}=-\frac{\Delta \Phi }{\Delta t}$

Trường hợp cuộn dây có N vòng thì $e_{\text{C}}=-N\frac{\Delta \Phi }{\Delta t}$

Ứng dụng của hiện tượng cảm ứng điện từ

Guitar điện

Khi gảy đàn, đoạn dây gần nam châm bị nhiễm từ dao động và tạo ra sự biến thiên từ thông qua cuộn dây của bộ cảm ứng, từ đó tạo ra một suất điện động cảm ứng. Tín hiệu điện được đưa đến một bộ khuếch đại và loa, tạo ra sóng âm thanh mà chúng ta nghe được.

Dynamo xe đạp

Khi bánh xe quay, núm dẫn động và nam châm cũng quay theo, do đó từ thông qua cuộn dây biến thiên. Lúc này, trong cuộn dây xuất hiện dòng điện cảm ứng và thắp sáng bóng đèn.

3. Sóng điện từ

Điện từ trường

Trong vùng không gian có từ trường biến thiên theo thời gian thì trong vùng đó xuất hiện một điện trường xoáy; ngược lại, trong vùng không gian có điện trường biến thiên theo thời gian thì trong vùng đó xuất hiện một từ trường biến thiên theo thời gian. Do đó, điện trường biến thiên và từ trường biến thiên theo thời gian chuyển hoá lẫn nhau và cùng tồn tại trong không gian, được gọi là điện từ trường.

Mô hình sóng điện từ

Quá trình lan truyền của điện từ trường trong không gian gọi là sóng điện từ. Trong quá trình lan truyền, tại một điểm, vectơ cường độ điện trường $\overrightarrow{E}$ và vectơ cảm ứng từ $\overrightarrow{B}$ luôn dao động cùng pha, vuông góc với nhau và vuông góc với phương truyền sóng điện từ như Hình 12.8.

Quy tắc vặn đinh ốc: Quay đinh ốc theo chiều từ vectơ cường độ điện trường đến vectơ cảm ứng từ thì chiều tiến của đinh ốc là chiều lan truyền của sóng điện từ (Hình 12.9).

Trắc nghiệm: Hiện tượng cảm ứng điện từ

PHẦN I. Câu trắc nghiệm nhiều phương án lựa chọn. Thí sinh trả lời từ câu 1 đến câu 7. Mỗi câu hỏi thí sinh chỉ lựa chọn một phương án.

Câu 1: Sóng điện từ và sóng cơ học không có chung tính chất nào dưới đây?

A. Phản xạ.

B. Truyền được trong chân không.

C. Khúc xạ.

D. Mang năng lượng.

Câu 2: Trong quá trình lan truyền của sóng điện từ thì dao động của điện trường và của từ trường tại một điểm luôn

A. ngược pha.

B. cùng pha.

C. lệch pha π/2.

D. lệch pha π/3.

Câu 3: Một học sinh đo cường độ dòng điện chạy trong ống dây khi di chuyển cực bắc của thanh nam châm lại gần ống dây. Cường độ dòng điện sẽ tăng khi

A. sử dụng thanh nam châm mạnh hơn.

B. di chuyển nam châm theo hướng ngược lại.

C. di chuyển cuộn dây, giữ yên nam châm.

D. di chuyển cực nam của thanh nam châm.

Câu 4: Câu nào dưới đây nói về từ thông là không đúng?

A. Từ thông qua mặt S là đại lượng xác định theo công thức $\Phi =B\cdot S\cdot \cos \alpha$, với α là góc tạo bởi cảm ứng từ $\overrightarrow{\text{B}}$ và pháp tuyến dương $\overrightarrow{\text{n}}$ của mặt S.

B. Từ thông là một đại lượng vô hướng, có thể dương, âm hoặc bằng không.

C. Từ thông qua mặt S chỉ phụ thuộc diện tích của mặt S, không phụ thuộc góc nghiêng của mặt đó so với hướng của các đường sức từ.

D. Từ thông qua mặt S được đo bằng đơn vị vêbe (1 Wb = 1 T.m²), và có giá trị lớn nhất khi mặt này vuông góc với các đường sức từ.

Câu 5: Cho vectơ pháp tuyến của khung dây vuông góc với các đường sức từ thì khi độ lớn cảm ứng từ tăng 2 lần, từ thông

A. bằng 0.

B. tăng 2 lần.

C. tăng 4 lần.

D. giảm 2 lần.

Câu 6: Một khung dây dẫn phẳng có diện tích S đặt trong từ trường đều có cảm ứng từ B, góc giữa vectơ cảm ứng từ và vectơ pháp tuyến là α. Từ thông qua diện tích S được tính theo công thức

A. $\Phi =\text{BS}.\sin \alpha$.

B. $\Phi =\text{BS}.\cos \alpha$.

C. $\Phi =\text{BS}.\tan \alpha$.

D. $\Phi =\text{BS}.\mathrm{cotan}\alpha$.

Câu 7: Weber là đơn vị đo từ thông, kí hiệu là Wb; 1 Wb bằng

A. 1 T.m².

B. 1 T/m.

C. 1 T.m.

D. 1 T/m².

PHẦN II. Câu trắc nghiệm đúng sai. Trong mỗi ý a), b), c), d) ở mỗi câu, thí sinh chọn đúng hoặc sai

Câu hỏi: Một nhóm học sinh làm thí nghiệm về hiện tượng cảm ứng điện từ như trình bày ở Hình 3.2. Trong các phát biểu sau đây của học sinh, phát biểu nào là đúng, phát biểu nào là sai?

a) Mỗi khi từ thông qua mặt giới hạn bởi mạch điện kín biến thiên theo thời gian thì trong mạch xuất hiện dòng điện cảm ứng.

b) Độ lớn của suất điện động cảm ứng trong mạch kín tỉ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông qua mạch kín đó.

c) Độ lớn của từ thông qua một mạch kín càng lớn thì suất điện động cảm ứng trong mạch kín đó càng lớn.

d) Dịch chuyển thanh nam châm lại gần một đầu ống dây thì đầu đó sẽ hút thanh nam châm vì khi đó, ống dây là một nam châm điện.

PHẦN III. Câu trả lời ngắn

Câu hỏi: Một vòng dây dẫn phẳng hình tròn có diện tích S = 30 cm² ở trong một từ trường đều có B = 0,2 T. Trong 0,5 s vòng dây quay đều được một góc 60° (Hình 3.11). Tìm:

a) Độ lớn suất điện động cảm ứng trong vòng dây.

b) Chiều của dòng điện cảm ứng trong vòng dây.