Hệ thống kiến thức Vật lý 11 nâng cao - Chương 5: Cảm ứng điện từ

Trường THPT Nguyễn Đáng Lớp 11 Họ và Tên: HỆ THỐNG KIẾN THỨC VẬT LÝ 11 NÂNG CAO Chương 5 CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ –Y— I/. Hiện tượng cảm ứng điện từ. Suất điện động cảm ứng Thí nghiệm (Hình 38.1 và 38.2) Thí nghiệm chứng tỏ: Khi số đường sức từ xuyên qua vòng dây dẫn kín biến đổi thì trong vòng dây xuất hiện dòng điện. Khái niệm từ thông a) Định nghĩa từ thông: Giả sử có một mặt phẳng diện tích S được đặt trong từ trường đều . Đại lượng được gọi là cảm ứng từ thông qua diện tích S, gọi tắt là từ thông qua diện tích S. Trong đó là góc hợp bởi và vectơ pháp tuyến của S. + Từ thông là đại lượng đại số, dấu của từ thông phụ thuộc vào việc chọn chiều của vectơ . Để đơn giản, người ta thường chọn chiều của vectơ sao cho là góc nhọn, khi đó có giá trị dương. b) Ý nghĩa của từ thông: Khái niệm từ thông được dùng để diễn tả số đường sức từ xuyên qua một diện tích nào đó. c) Đơn vị từ thông: Trong hệ SI, đơn vị từ thông là vêbe, kí hiệu Wb. 1 Wb = 1 T.1. Hiện tượng cảm ứng điện từ a) Dòng điện cảm ứng: Dòng điện xuất hiện khi có sự biến đổi từ thông qua mạch điện kín gọi là dòng điện cảm ứng. b) Suất điện động cảm ứng: Suất điện động sinh ra dòng điện cảm ứng gọi là suất điện động cảm ứng. c) Hiện tượng cảm ứng điện từ Khi có sự biến đổi từ thông qua 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 được gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ. Chiều dòng điện cảm ứng. Định luật Len-xơ Dòng điện cảm ứng có chiều sao cho từ trường do nó sinh ra có tác dụng chống lại nguyên nhân sinh ra nó. Định luật Fa-ra-đây về cảm ứng điện từ Độ lớn của suất điện động cảm ứng trong mạch kín tỉ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông qua mạch. . Trong đó là độ biến thiên của từ thông qua mạch trong khoảng thời gian và k là hệ số tỉ lệ. + Trong hệ SI, công thức xác định suất điện động cảm ứng có dạng . + Trường hợp mạch điện là một khung dây có N vòng dây thì trong đó là từ thông qua diện tích giới hạn bởi một vòng dây. II/. Suất điện động cảm ứng trong một đoạn dây dẫn chuyển động Suất điện động cảm ứng trong một đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường Khi đoạn dây dẫn chuyển động cắt các đường sức từ thì trong đoạn dây đó xuất hiện suất điện động cảm ứng. Quy tắc bàn tay phải Đặt bàn tay phải hứng các đường sức từ, ngón cái choãi ra hướng theo chiều chuyển động của đoạn dây, khi đó đoạn dây dẫn đóng vai trò như một nguồn điện, chiều từ cổ tay đến bốn ngón tay chỉ chiều từ cực âm sang cực dương của nguồn điện đó. Biểu thức suất điện động cảm ứng trong đoạn dây + trong đó là từ thông được quét bởi đoạn dây trong thời gian . + Trong trường hợp vuông góc với và cùng vuông góc với đoạn dây MN thì trong đó là độ dài và v là tốc độ của thanh MN. + Trong trường hợp và cùng vuông góc với đoạn dây, đồng thời hợp với một góc thì Máy phát điện Máy phát điện là thiết bị tạo ra suất điện động cảm ứng, hoạt động dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ. + Nguyên tắc cấu tạo của máy phát điện xoay chiều như hình 39.5. Hai đầu khung dây nối với hai vòng đồng, hai vòng đồng tiếp xúc với hai chổi quét Q. Mỗi chổi quét là một cực của máy phát điện. Dòng điện đưa ra mạch ngoài là dòng điện có chiều thay đổi theo thời gian gọi là dòng điện xoay chiều. + Nguyên tắc cấu tạo của máy phát điện một chiều như hình 39.6. Khi khung quay, trong khung xuất hiện suất điện động cảm ứng. Hai bán khuyên bằng đồng tiếp xúc với hai chổi quét Q. Mỗi chổi quét là một cực của máy. Dòng điện được đưa ra mạch ngoài có chiều không đổi. III/. Dòng điện Fu-cô Dòng điện Fu-cô a) Thí nghiệm: Bố trí thí nghiệm như hình 40.1. Cho tấm kim loại (đồng hay nhôm) dao động trong từ trường của nam châm. Ta thấy tấm kim loại chỉ dao động trong khoảng thời gian ngắn rồi dừng lại. b) Giải thích: Khi tấm kim loại dao động, nó cắt các đường sức từ của nam châm. Trong tấm kim loại sinh ra dòng điện cảm ứng có tác dụng ngăn cản sự chuyển động của chính tấm kim loại đó. Vì vậy tấm kim loại dừng lại nhanh chóng. c) Dòng điện Fu-cô Dòng điện cảm ứng được sinh ra ở trong khối vật dẫn khi vật dẫn chuyển động trong từ trường hay được đặt trong từ trường biến đổi theo thời gian là dòng điện Fu-cô. + Đặc tính chung của dòng điện Fu-cô là tính chất xoáy. Vì thế, khi thay tấm kim loại liền khối bằng tấm kim loại có rãnh xẻ thì cường độ dòng Fu-cô giảm. Tác dụng của dòng điện Fu-cô a) Một vài ví dụ ứng dụng dòng Fu-cô + Tác dụng gây lực hãm của dòng Fu-cô được ứng dụng để hãm chuyển động của một số thiết bị máy móc hay dụng cụ. Như hãm dao động của kim ở cân nhạy; hãm chuyển động của các loại xe có trọng tải lớn bằng phanh điện từ. Hãm chuyển động quay của đĩa trong công tơ điện. b) Một vài ví dụ về trường hợp dòng Fu-cô có hại + Nhiều thiết bị điện có cấu tạo dưới dạng một lõi sắt đặt trong một ống dây có dòng điện xoay chiều chạy qua như ở máy biến thế, động cơ điện, Trong lõi sắt xuất hiện dòng điện Fu-cô sẽ làm nóng lõi sắt làm hỏng máy, hay chống lại sự quay của động cơ. + Để giảm tác hại của dòng điện Fu-cô, người ta không dùng lõi sắt có dạng khối liền, mà dùng những lá thép silic mỏng có phủ lớp sơn cách điện ghép sát với nhau và đặt song song với đường sức từ. Tuy không khử hết dòng Fu-cô, nhưng cũng làm giảm cường độ của nó một cách đáng kể. IV/. Hiện tượng tự cảm Hiện tượng tự cảm a) Thí nghiệm 1 (Hình 41.1) + Khi đóng công tắc K, đèn sáng lên ngay, còn đèn sáng lên từ từ. + Giải thích: Khi đóng công tắc K, dòng điện trong cả hai nhánh đều tăng, từ thông qua ống dây biến đổi làm xuất hiện dòng điện cảm ứng trong ống dây, có tác dụng chống lại nguyên nhân đã gây ra nó, nên dòng điện trong nhánh 2 không tăng lên nhanh. Vì vậy đèn sáng lên từ từ. b) Thí nghiệm 2 (Hình 41.2) + Khi ngắt công tắc K, bóng đèn không tắt ngay mà lóe sáng lên rồi sau đó mới tắt. + Giải thích: Khi ngắt công tắc, dòng điện trong mạch giảm, từ thông qua ống dây giảm, trong ống dây xuất hiện dòng điện cảm ứng và dòng điện này đi qua bóng đèn, làm đèn lóe sáng lên rồi sau đó mới tắt. c) Hiện tượng tự cảm: Hiện tượng cảm ứng điện từ trong một mạch điện do chính sự biến đổi của dòng điện trong mạch đó gây ra gọi là hiện tượng tự cảm. Suất điện động tự cảm a) Hệ số tự cảm + Xét một mạch điện có dòng điện i chạy qua. Từ thông qua diện tích giới hạn bởi mạch điện tỉ lệ với cường độ dòng điện trong mạch . Suy ra . Hệ số tỉ lệ L được gọi là hệ số tự cảm (hay độ tự cảm) của mạch điện. Trong hệ SI, đơn vị của hệ số tự cảm là henri, kí hiệu là H. + Hệ số tự cảm của ống dây dài đặt trong không khí: trong đó n là số vòng dây trên một đơn vị chiều dài của ống, V là thể tích của ống. b) Suất điện động tự cảm Suất điện động được sinh ra do hiện tượng tự cảm gọi là suất điện động tự cảm. + Công thức xác định suất điện động tự cảm: trong đó là độ biến thiên của cường độ dòng điện trong khoảng thời gian . V/. Năng lượng từ trường Năng lượng của ống dây có dòng điện + Ống dây khi có dòng điện cường độ i chạy qua sẽ có mang năng lượng. + Năng lượng của ống dây có dòng điện được tính bởi công thức Năng lượng từ trường + Năng lượng của ống dây có dòng điện là năng lượng của từ trường trong ống dây đó. + Năng lượng từ trường của ống dây dài được tính bởi công thức . + Mật độ năng lượng từ trường được tính bởi Đơn vị năng lượng là jun (J).