Tài liệu bồi dưỡng học sinh giỏi Vật lí Lớp 11 - Tập 2 - Phần 5: Cảm ứng điện từ - Dạng 1: Chiều của dòng điện cảm ứng - Chu Văn Biên

Nội dung text: Tài liệu bồi dưỡng học sinh giỏi Vật lí Lớp 11 - Tập 2 - Phần 5: Cảm ứng điện từ - Dạng 1: Chiều của dòng điện cảm ứng - Chu Văn Biên

1. PHẦN III. CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ I. KIẾN THỨC CƠ BẢN 1. Hiện tượng cảm ứng điện từ. Suất điện động cảm ứng a. Từ thông. Cảm ứng điện từ Khái niệm từ thông Từ thông là đại lượng đặc trưng cho số đường sức từ xuyên qua bề mặt của một khung dây có diện tích S và được xác định theo công thức:  BScos Trong đó: Φ là từ thông, đơn vị là Wb (Vêbe); B là cảm ứng từ, đơn vị là T; S là diện tích của khung dây, đơn vị là m 2 ; α là góc tạo bởi B và pháp tuyến của S. Hiện tượng cảm ứng điện từ Dòng điện xuất hiện khi có sự biến đổi từ thông qua mạch kín gọi là dòng điện cảm ứng. Suất điện động sinh ra dòng điện cảm ứng trong mạch kín gọi là suất điện động cảm ứng Hiện tượng cảm ứng điện từ: là hiện tượng khi từ thông qua khung dây biến thiên thì trong khung dây xuất hiện dòng điện gọi là dòng điện cảm ứng, kí hiệu là Ic.  Lưu ý: Dòng điện cảm ứng chỉ tồn tại khi từ thông qua mạch biến thiên. b. Định luật Len-xơ về chiều dòng điện cảm ứng Dòng điện cảm ứng sinh ra trong mạch kín có chiều sao cho từ trường do nó sinh ra (từ trường cảm ứng) có tác dụng chống lại nguyên nhân đã sinh ra nó (từ trường ban đầu) c. 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. 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"    Biểu thức: e e , khi có N vòng: e c N c t c t t 2. Tự cảm. Suất điện động tự cảm. Năng lượng từ. a. Hiện tượng tự cảm: Là hiện tượng cảm ứng điện từ xảy ra trong một mạch có dòng điện mà sự biến thiên từ thông qua mạch được gây ra bởi sự biến thiên của cường độ dòng điện trong mạch kín. b. Mối liên hệ giữa từ thông và dòng điện 56
2. N.i Cảm ứng từ B trong ống dây: B 4 .10 7  N2 Từ thông tự cảm qua ống dây:  NBS 4 .10 7 S.i ( B vuông  góc với mỗi mặt của vòng dây) N2 Đặt L 4 .10 7. .S  L.i (Với L là độ tự cảm – hệ số tự cảm  của ống dây, đơn vị là henri - H) 2 2 7 N 7 N 7 2 Chú ý: L 4 .10 . .S 4 .10 . .S L 4 .10 .n .V   N Với n là mật độ vòng dây: n  V là thể tích ống dây: V S (  là chiều dài ống dây và S là tiết diện L ngang của ống dây) Trong mạch điện L được kí hiệu như hình vẽ trên. Suất điện động tự cảm:  Li i i e L ®é lín: e L tc t t t tc t . Kết luận: 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. 1 Năng lượng từ trường sinh ra bên trong ống dây: W L.i2 2 Mật độ năng lượng từ trường w bên trong ống dây : 1 1 W 1 W L.i2 .4 .10 7.n2 .V.i2 w .4 .10 7.n2 .i2 2 2 V 2 Chú ý: Nếu ống dây có độ từ thẩm µ thì: 7 NI  Cảm ứng từ B trong ống dây: B 4 .10   2 7 N  Độ tự cảm: L 4 .10 . S   57
3. II. CÁC DẠNG TOÁN Dạng 1. Chiều của dòng điện cảm ứng A. Phương pháp giải Bước 1: Xác định từ trường ban đầu (từ trường của nam châm) theo quy tắc "Vào nam (S) ra Bắc (N)"  Bước 2: Xác định từ trường cảm ứng Bc do khung dây sinh ra theo định luật Len- xơ. ▪ Xét từ thông qua khung dây tăng hay giảm     ▪ Nếu  tăng thì Bc ngược chiều B , nếu  giảm thì Bc cùng chiều B . ▪ Quy tắc chung: gần ngược – xa cùng. Nghĩa là khi nam châm hay   khung dây lại gần nhau thì Bc và B ngược. Còn khi ra xa nhau thì   Bc và B ngược Bước 3: Xác định dòng điện cảm ứng sinh ra trong khung dây theo qui tắc nắm tay phải. B. VÍ DỤ MẪU Ví dụ tổng quát: Dùng định luật Len – xơ xác định chiều dòng điện cảm ứng trong khung dây dẫn trong các trường hợp sau: a) Thanh nam châm rơi đến gần khung dây, sau đó đi qua khung dây và rơi ra khỏi khung dây. b) Con chạy của biến trở R di chuyển sang phải. c) Đưa khung dây ra xa dòng điện d) Đóng khóa K. e) Giảm cường độ dòng điện trong ống dây. f) Khung dây ban đầu trong từ trường hình vuông, sau đó được kéo thành hình chữ nhật ngày càng dẹt đi. a) N b) D C S A B D C A I B c) A B d) D C v A B I 58 K D C
4.  e) f) B D C D C Kéo A B Kéo A B Hướng dẫn giải a) Thanh nam châm rơi đến gần khung dây, sau đó đi qua khung dây và rơi ra khỏi khung dây.    B + Cảm ứng từ B của nam châm có hướng vào S BC N ra N. + Khi nam châm rơi lại gần khung dây ABCD thì D S C  cảm ứng từ cảm ứng Bc của khung dây có chiều  ngược với với cảm ứng từ B . Áp dụng quy tắc nắm bàn tay phải suy ra dòng điện cảm ứng trong A B khung dây ABCD có chiều từ A D C B A như hình. D C + Sau khi nam châm qua khung dây thì nàm châm  B sẽ ra xa dần khung dây nên lúc này cảm ứng từ C  cảm ứng Bc của khung dây có chiều cùng với với  cảm ứng từ B . Áp dụng quy tắc nắm bàn tay phải A  B B suy ra dòng điện cảm ứng trong khung dây ABCD N có chiều từ A B C D A. S b) Con chạy của biến trở R di chuyển sang phải  + Dòng điện tròn sinh ra cảm ứng từ B có chiều từ  I trong ra ngoài. D Bc C Ic + Khi biến trở dịch chuyển sang phải thì điện trở R A  B tăng nên dòng điện I trong mạch giảm cảm ứng B  từ B do vòng dây tròn sinh ra cũng giảm từ  thông giảm từ trường cảm ứng Bc sẽ cùng I 59
5. chiều với từ trường của dòng điện tròn (chiều từ trong ra ngoài) + Áp dụng quy tắc nắm bàn tay phải suy ra chiều của dòng điện cảm ứng trong khung dây ABCD có chiều từ A B C D A. c) Đưa khung dây ra xa dòng điện  + Cảm ứng từ B do dòng điện I gây ra ở khung dây A Ic B ABCD có chiều từ ngoài vào trong. + Vì khung dây ra xa dòng điện I nên từ thông giảm   B v từ trường cảm ứng Bc của khung dây sẽ cùng I  chiều với từ trường B .  Bc + Áp dụng quy tắc nắm bàn tay phải suy ra chiều D C của dòng điện cảm ứng trong khung dây ABCD có chiều từ A B C D A. d) Đóng khóa K. + Khi đóng khóa K trong mạch có dòng điện I  Bc tăng từ 0 đến I D C + Áp dụng quy tắc nắm bàn tay phải xác định Ic  A B được chiều cảm ứng từ B bên trong ống dây có chiều như hình + Vì dòng điện có cường độ tăng từ 0 đến I nên từ thông cũng tăng suy ra cảm ứng từ cảm ứng  Bc sẽ có chiều ngược với chiều của cảm ứng từ   B . B + Áp dụng quy tắc nắm bàn tay phải suy ra chiều của dòng điện cảm ứng trong khung dây ABCD có chiều từ A B C D A. e) Giảm cường độ dòng điện trong ống dây.  + Cảm ứng từ B bên trong ống dây có chiều từ trên xuống như hình. D C + Vì cường độ dòng điện giảm nên từ thông gửi qua khung dây ABCD A I B  c giảm do đó cảm ứng từ cảm ứng Bc I   cùng chiều với cảm ứng từ B của Bc  ống dây B + Áp dụng quy tắc nắm bàn tay phải suy ra chiều của dòng điện cảm ứng trong khung dây ABCD có chiều từ A D C B A. f) Kéo khung dây thành hình chữ nhật ngày càng dẹt đi 60
6. Khi hai hình có cùng chu vi thì hình  vuông có diện tích lớn hơn hình chữ  B nhật. Do đó, trong quá trình kéo thì diện D Bc C tích của khung giảm dần, dẫn đến từ kéo thông qua khung giảm từ trường cảm   kéo ứng B cùng chiều với B dòng điện A B C I cảm ứng IC có chiều A B C D A . C. BÀI TẬP VẬN DỤNG A B Bài 1. Xác định chiều dòng điện cảm ứng  trong khung dây kín ABCD, biết rằng B cảm ứng từ B đang giảm dần. D C Bài 2. Một nam châm đưa lại gần vòng dây như hình vẽ. Hỏi dòng điện cảm ứng trong vòng dây có chiều như thế nào và vòng dây S N sẽ chuyển động về phía nào? Bài 3. Cho hệ thống như hình. Khi nam S châm đi lên thì dòng điện cảm ứng trong vòng dây sẽ có chiều như thế nào? Vòng N dây sẽ chuyển động như thế nào? Bài 4. Hai vòng dây dẫn tròn cùng bán kính đặt đồng  B tâm, vuông góc nhau, cách điện với nhau. Vòng một có dòng điện I đi qua. Khi giảm I, trong vòng hai có dòng điện cảm ứng không ? Nếu có, hãy xác định chiều dòng điện cảm ứng trên hình vẽ. 61
7. M P Bài 5. Thí nghiệm được bố trí như hình A a a a vẽ. Xác định chiều dòng điện cảm ứng R C trong mạch C khi con chạy của biến trở a a G đi xuống? a N Q a a D. HƯỚNG DẪN GIẢI BÀI TẬP VẬN DỤNG Bài 1. + Vì cảm ứng từ B đang giảm nên từ thông  A B giảm, do đó cảm ứng từ Bc phải cùng  chiều với cảm ứng từ B .   Ic + Áp dụng quy tắc nắm bàn tay phải suy ra Bc B chiều của dòng điện cảm ứng có chiều cùng D C với chiều kim đồng hồ. Bài 2. + Cảm ứng từ của nam châm có chiều vào S ra N  + Vì nam châm đang lại gần nên cảm ứng từ cảm ứng Bc ngược chiều với cảm ứng   từ B của nam châm cảm ứng từ Bc có chiều từ phải sang trái + Áp dụng quy tắc nắm bàn tay phải suy ra chiều của dòng điện cảm ứng có chiều như hình vẽ. + Cảm ứng từ cảm ứng của khung dây có chiều vào mặt Nam ra ở mặt bắc mặt đối  Bc diện của khung dây với nam châm là mặt bắc S N I + Vì cực bắc của nam châm lại gần mặt bắc c  của vòng dây nên vòng dây bị đẩy ra xa. B Bài 3. + Từ trường do nam châm sinh ra có chiều vào S ra N (chiều từ trên xuống S dưới) N + Nam châm đang đi ra xa nên từ  trường cảm ứng Bc do khung dây sinh ra có chiều cùng chiều với chiều của từ Ic   62 B Bc
8.  trường B của nam châm từ trên xuống. + Áp dụng quy tắc nắm tay phải suy ra chiều dòng điện cảm ứng như hình. + Cảm ứng từ do khung dây sinh ra (cảm ứng từ cảm ứng) có chiều đi vào mặt nam và ra ở mặt bắc. + Vì mặt nam của khung dây đối diện với cực bắc của nam châm nên chúng sẽ hút nhau do đó khung dây chuyển động lên trên. Bài 4. Từ trường của dòng điện I trong vòng dây tròn 1 có phương vuông góc với mặt phẳng vòng dây 1, nghĩa là song song với mặt phẳng vòng dây 2. Do vậy khi I biến thiên thì từ trường do I gây ra biến thiên nhưng các đường sức điện song song với mặt phẳng vòng dây 2 nên từ thông qua vòng dây 2 bằng không nên không có dòng điện cảm ứng xuất hiện trong vòng dây 2. Bài 5. + Dòng điện trong mạch điện chạy từ M đến N có chiều từ cực dương sang cực M P  A a a âm nên cảm ứng từ B do dòng điện a chạy trong mạch MN gây ra trong mạch R  C a kín C có chiều từ trong ra ngoài. a I B G + Khi con chạy biến trở đi xuống thì điện trở giảm nên  a Bc dòng điện tăng cảm ứng từ B tăng nên từ thông qua  Ic mạch C tăng cảm ứng từ cảm ứng Bc phải ngược N Q  chiều với B . a a + Áp dụng quy tắc nắm bàn tay phải suy ra chiều của dòng điện cảm ứng có chiều cùng với chiều kim đồng hồ. 63