Bài 23: Từ thông và cảm ứng điện từ

Tóm tắt lý thuyết

2.1. Từ thông

2.1.1. Định nghĩa

  • Từ thông qua một diện tích S đặt trong từ trường đều:

\(\phi  = BScos\alpha \)

  • Với \(\alpha \) là góc giữa pháp tuyến  \(\mathop n\limits^ \to  \) và \(\mathop B\limits^ \to  \).

2.1.2. Đơn vị từ thông

  • Trong hệ SI đơn vị từ thông là vêbe (Wb).

\(1Wb{\rm{ }} = {\rm{ }}1T.1{m^2}.\)

2.2. Hiện tượng cảm ứng điện từ

2.2.1. Thí nghiệm

a) Thí nghiệm 1

  • Cho nam châm dịch chuyển lại gần vòng dây kín (C) ta thấy trong mạch kín (C)  xuất hiện dòng điện.

b) Thí nghiệm 2

  • Cho nam châm dịch chuyển ra xa mạch kín (C) ta thấy trong mạch kín (C) xuất hiện dòng điện ngược chiều với thí nghiệm 1.

c) Thí nghiệm 3

  • Giữ cho nam châm đứng yên và dịch chuyển mạch kín (C) ta cũng thu được kết quả tương tự.

d) Thí nghiệm 4

  • Thay nam châm vĩnh cửu bằng nam châm điện. Khi thay đổi cường độ dòng điện trong nam châm điện thì trong mạch kín (C) cũng xuất hiện dòng điện.

2.2.2. Kết luận

a) Tất cả các thí nghiệm trên đều có một đạc điểm chung là từ thông qua mạch kín (C) biến thiên. Dựa vào công thức định nghĩa từ thông, ta nhận thấy, khi một trong các đại lượng B, S hoặc \(\alpha \) thay đổi thì từ thông \(\phi \) biến thiên.

b) Kết quả của thí nghiệm chứng tỏ rằng:

  • Mỗi khi từ thông qua mạch kín (C) biến thiên thì trong mạch kín (C) xuất hiện một dòng điện gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ.
  • Hiện tượng cảm ứng điện từ chỉ tồn tại trong khoảng thời gian từ thông qua mạch kín biến thiên

2.3. Định luật Len-xơ về chiều dòng điện cảm ứng

  • Định luật Len-xơ: Dòng điện cảm ứng xuất hiện trong mạch kín có chiều sao cho từ trường cảm ứng có tác dụng chống lại sự biến thiên của từ thông ban đầu qua mạch kín.
  • Phát biểu khác của định luật Len-xơ: Khi từ thông qua mạch kín (C) biến thiên do kết quả của một chuyển động nào đó thì từ trường cảm ứng có tác dụng chống lại chuyển động nói trên

2.4. Dòng điện Fu-cô

2.4.1. Thí nghiệm 1

  • Một bánh xe kim loại có dạng một đĩa tròn quay xung quanh trục O của nó trước một nam châm điện. Khi chưa cho dòng điện chạy vào nam châm, bánh xe quay bình thường. Khi cho dòng điện chạy vào nam châm bánh xe quay chậm và bị hãm dừng lại.

2.4.2. Thí nghiệm 2

  • Một khối kim loại hình lập phương được đặt giữa hai cực của một nam châm điện. Khối ấy được treo bằng một sợi dây một đầu cố định; trước khi đưa khối vào trong nam châm điện, sợi dây treo được xoắn nhiều vòng. Nếu chưa có dòng điện vào nam châm điện, khi thả ra khối kim loại quay nhanh xung quanh mình nó.
  • Nếu có dòng điện đi vào nam châm điện, khi thả ra khối kim loại quay chậm và bị hãm dừng lại.

2.4.3. Giải thích

  • Ở các thí nghiệm trên, khi bánh xe và khối kim loại chuyển động trong từ trường thì trong thể tích của chúng xuất hiện dòng điện cảm ứng – những dòng điện Fu-cô.
  • Theo định luật Len-xơ, những dòng điện cảm ứng này luôn có tác dụng chống lại sự chuyển dời, vì vậy khi chuyển động trong từ trường, trên bánh xe và trên khối kim loại xuất hiện những lực từ có tác dụng cản trở chuyển động của chúng, những lực ấy gọi là lực hãm điện từ.

2.4.4. Tính chất và công dụng của dòng Fu-cô

  • Mọi khối kim loại chuyển động trong từ trường đều chịu tác dụng của những lực hãm điện từ. Tính chất này được ứng dụng trong các bộ phanh điện từ của những ôtô hạng nặng.
  • Dòng điện Fu-cô gây ra hiệu ứng tỏa nhiệt Jun – Len-xơ trong khối kim loại đặt trong từ trường biến thiên. Tính chất này được ứng dụng trong các lò cảm ứng để nung nóng kim loại.
  • Trong nhiều trường hợp dòng điện Fu-cô gây nên những tổn hao năng lượng vô ích. Để giảm tác dụng của dòng Fu-cô, người ta có thể tăng điện trở của khối kim loại.
  • Dòng Fu-cô cũng được ứng dụng trong một số lò tôi kim loại

Bài tập minh họa



Bài 1:

Hãy mô tả và giải thích thí nghiệm Fa-ra-đây

Hướng dẫn giải

  • Trong hình 23.2a: Khi đóng mạch điện thì kim điện kế bị “lắc nhẹ” một chút sau đó lại chỉ số 0.
    • Lí do là trong thời gian đóng mạch điện, dòng điện qua nam châm điện tăng đột ngột từ 0 đến một giá trị xác định nào đó, từ trường do nam châm điện tạo ra tăng nhanh, làm cho từ thông xuyên qua ống dây cũng tăng nhanh, xuất hiện xuất điện động cảm ứng tức thời và tạo ra dòng điện cảm ứng tức thời làm kim điện kết bị lệch.
    • Khi dòng điện đã ổn định (không đổi) thì từ trường không biến thiên nên dòng điện cảm ứng mất ngay lập tức.
  • Trong hình 23.2b: Khi thay đổi cường độ dòng điện của nam châm điện bằng cách thay đổi trị số của biôn trở, từ trường của nam châm điện biến thiên làm từ thông xuyên qua ống dây ở phía trên cũng biến thiên, khi đó trong ông dây xuất hiện dòng điện cảm ứng và kim điện kế G bị lệch.
  • Chú ý: Kim điện kế G chỉ bị lệch trong thời gian điều chỉnh biến trở làm cường độ dòng điện qua nam châm điện biến đổi. Khi không điều chỉnh nữa, từ trường không biến thiên thì dòng điện cảm ứng trong ông dây phía trên cũng mất ngay.

Bài 2

Cho nam châm SN rơi thẳng đứng chui ra mạch kí (C) cố định như hình vẽ. Hãy xác định chiều dòng đện cảm ứng trong (C).

Hướng dẫn giải

  • Giai đoạn 1: Nam châm từ trên cao rơi đen sát vòng dây: Vận dụng định luật Len-xơ ta xác định được dòng điện cảm ứng có chiều ngược chiều kim đồng hồ (nếu nhìn vòng dây từ phía trên xuống).
  • Giai đoạn 2: Nam châm từ mặt phăng vòng dây rơi xuống (ra xa vòng dây): Vận dụng định luật Len-xơ xác định được dòng điện cảm ứng có chiều theo chiều kim đồng hồ (nếu nhìn vòng dây từ phía trên xuống).