Bài 16: Từ thông và hiện tượng cảm ứng điện từ
Vì sao đưa nam châm lại gần cuộn dây có thể làm bóng đèn sáng?
Lý thuyết · Ví dụ · Sơ đồ tư duy
Học xong bài này, em sẽ
- Tính từ thông với đúng góc pháp tuyến
- Nhận biết điều kiện phát sinh dòng cảm ứng
- Vận dụng định luật Faraday và Lenz
Kiến thức và cách hiểu
Công thức trọng tâm và điều kiện áp dụng
Từ thông qua một vòng dây
Mặt phẳng trong từ trường đều; α đo với pháp tuyến có hướng của mặt.
Faraday – Lenz
Suất điện động trung bình theo thời gian; N vòng dây giống nhau.
Từ thông qua một mặt
Trong từ trường đều, từ thông qua mặt phẳng diện tích S là Φ = B S cosα, trong đó α là góc giữa B và pháp tuyến có hướng của mặt. Đơn vị từ thông là weber (Wb). Nếu B nằm trong mặt phẳng, từ thông qua mặt bằng 0.
Khi nào xuất hiện điện cảm ứng?
Suất điện động cảm ứng xuất hiện khi từ thông liên kết với mạch biến thiên theo thời gian. Với mạch kín, suất điện động có thể gây dòng cảm ứng. Chỉ di chuyển nam châm nhưng không làm biến thiên từ thông chưa đủ để kết luận có dòng.
Định luật Faraday
Độ lớn suất điện động cảm ứng trung bình trong một cuộn N vòng là |e|=N|ΔΦ/Δt| nếu Φ tính qua một vòng. Dấu trừ trong e=−N dΦ/dt biểu thị tính chống lại biến thiên từ thông theo định luật Lenz.
Chiều theo định luật Lenz
Dòng cảm ứng tạo từ trường có tác dụng chống lại sự thay đổi từ thông, không phải lúc nào cũng chống từ trường ban đầu. Ví dụ từ thông tăng hướng lên thì từ trường cảm ứng hướng xuống; khi từ thông giảm hướng lên, từ trường cảm ứng hướng lên.
Ví dụ có lời giải
Cuộn 200 vòng có từ thông qua mỗi vòng giảm đều từ 0,006 Wb xuống 0,002 Wb trong 0,10 s. Độ lớn e = 200×0,004/0,10 = 8,0 V. Chỉ áp dụng khi đề đã nói biến thiên đều trong khoảng xét.
Bài 16: Kiến thức nâng cao và hướng dẫn giải
Nội dung được viết lại theo tiến trình: khái niệm → điều kiện áp dụng → lập hệ thức → kiểm tra kết quả. Những mục sau mở rộng phần tổng kết hiện có, giúp em ôn đủ dạng trong Chương 3.
Nắm vững lý thuyết và điều kiện áp dụng
Từ thông có dấu và góc quy ước
Với mặt phẳng diện tích S trong từ trường đều, từ thông Φ=B S cosα, α là góc giữa B và pháp tuyến có hướng của mặt. Nếu B vuông góc mặt, |Φ| cực đại bằng BS; nếu B nằm trong mặt, Φ=0. Đơn vị weber (Wb)=T·m². Từ thông có thể âm khi đổi chiều pháp tuyến; độ lớn được giữ khi đồng thời đổi cả B và pháp tuyến theo cùng quan hệ góc.
Với cuộn N vòng giống nhau, từ thông liên kết tổng Ψ=NΦ. Khi áp dụng Faraday phải nói rõ đang dùng Φ qua một vòng hay Ψ toàn cuộn, tránh nhân N hai lần.
Suất điện động cảm ứng và điều kiện
Định luật Faraday: e=−dΨ/dt, suất điện động cảm ứng trung bình có độ lớn |e|=|ΔΨ|/Δt. Nếu N vòng và từ thông mỗi vòng thay đổi như nhau, |e|=N|ΔΦ|/Δt. Từ thông biến thiên có thể do B thay đổi, khung quay làm góc đổi, diện tích đổi hoặc khung chuyển động qua vùng từ trường không đều.
Mạch kín mới có dòng điện cảm ứng liên tục khi suất điện động và đường dẫn cho phép; trong mạch hở vẫn có thể xuất hiện suất điện động hai đầu nhưng không có dòng chạy khép kín.
Định luật Lenz theo chiều chống biến thiên
Dấu “−” của Faraday thể hiện Lenz: chiều dòng cảm ứng làm từ trường của nó chống lại sự biến thiên từ thông, không nhất thiết ngược B ban đầu. Nếu từ thông hướng ra giấy đang tăng, từ trường cảm ứng hướng vào giấy; nếu từ thông hướng ra giấy đang giảm, từ trường cảm ứng hướng ra giấy.
Phương pháp xác định chiều: chọn pháp tuyến; xác định B qua vòng; nhận xét Φ tăng hay giảm; chọn B cảm ứng để chống thay đổi; cuối cùng dùng nắm tay phải suy chiều dòng điện.
Thanh dẫn chuyển động trong từ trường
Một thanh dẫn dài ℓ chuyển động vuông góc B và vuông góc thanh với tốc độ v có suất điện động cảm ứng độ lớn |e|=Bℓv trong cấu hình chuẩn. Nếu tạo mạch điện trở R kín, I=e/R theo mô hình bỏ điện trở nội; lực từ cản chuyển động có độ lớn F=B I ℓ.
Công ngoại lực kéo thanh bù phần nhiệt tỏa trong mạch. Nếu vận tốc tạo góc khác cấu hình chuẩn, cần xét thành phần v thích hợp, không dùng mù Bℓv.
Đọc đồ thị Φ–t
Trên đồ thị từ thông theo thời gian, độ dốc ΔΦ/Δt quyết định suất điện động trung bình. Đoạn đường thẳng nằm ngang cho e=0; đoạn dốc đi lên và dốc đi xuống có suất điện động ngược dấu theo cùng quy ước. Một đường cong có độ dốc thay đổi cho suất điện động biến thiên.
Ví dụ cuộn 200 vòng có từ thông mỗi vòng đổi 3 mWb trong 0,15 s, độ lớn suất điện động trung bình bằng 200×0,003/0,15=4 V. Phải đổi mWb thành Wb trước khi chia giây.
Tám dạng bài tính có lời giải từng bước
Em nên tự xác định công thức và làm trên giấy trước khi bấm mở lời giải.
Φ=BS, cm²→m² và Wb→mWb
Khung diện tích S=500 cm² đặt vuông góc B=0.6 T. Từ thông |Φ| tính theo mWb bằng bao nhiêu?
Xem phương pháp và đáp án
- Đọc yêu cầu: tìm đại lượng theo đơn vị mWb, kiểm tra điều kiện bài.
- Áp dụng: Φ=BS, cm²→m² và Wb→mWb.
- Dữ kiện để thế số: s = 500; b = 0.6.
- Kết luận: 30 mWb. Soát lại đơn vị.
Φ=BS cos60°=BS/2
Khung diện tích S=500 cm², B=0.6 T và góc B–pháp tuyến 60°. Từ thông theo mWb bằng bao nhiêu?
Xem phương pháp và đáp án
- Đọc yêu cầu: tìm đại lượng theo đơn vị mWb, kiểm tra điều kiện bài.
- Áp dụng: Φ=BS cos60°=BS/2.
- Dữ kiện để thế số: s = 500; b = 0.6.
- Kết luận: 15 mWb. Soát lại đơn vị.
|e|=N|ΔΦ|/Δt
Cuộn N=300 vòng, ΔΦ mỗi vòng 6 mWb trong Δt=0.3 s. Suất điện động cảm ứng trung bình là bao nhiêu V?
Xem phương pháp và đáp án
- Đọc yêu cầu: tìm đại lượng theo đơn vị V, kiểm tra điều kiện bài.
- Áp dụng: |e|=N|ΔΦ|/Δt.
- Dữ kiện để thế số: n = 300; phi = 6; t = 0.3.
- Kết luận: 6 V. Soát lại đơn vị.
Δt=N|ΔΦ|/|e|
Cuộn N=300 vòng có suất điện động trung bình 5 V khi từ thông mỗi vòng đổi 6 mWb. Thời gian biến thiên Δt bằng bao nhiêu s?
Xem phương pháp và đáp án
- Đọc yêu cầu: tìm đại lượng theo đơn vị s, kiểm tra điều kiện bài.
- Áp dụng: Δt=N|ΔΦ|/|e|.
- Dữ kiện để thế số: n = 300; e = 5; phi = 6.
- Kết luận: 0.36 s. Soát lại đơn vị.
e=Bℓv trong cấu hình vuông góc
Một thanh dài ℓ=60 cm chuyển động vuông góc B=0.6 T và thanh với v=6 m/s. Suất điện động Bℓv là bao nhiêu V?
Xem phương pháp và đáp án
- Đọc yêu cầu: tìm đại lượng theo đơn vị V, kiểm tra điều kiện bài.
- Áp dụng: e=Bℓv trong cấu hình vuông góc.
- Dữ kiện để thế số: l = 60; b = 0.6; v = 6.
- Kết luận: 2.16 V. Soát lại đơn vị.
I=e/R trong mô hình bỏ điện trở nội
Thanh trượt có suất điện động 6 V mắc kín với điện trở R=6 Ω. Cường độ dòng điện I là bao nhiêu?
Xem phương pháp và đáp án
- Đọc yêu cầu: tìm đại lượng theo đơn vị A, kiểm tra điều kiện bài.
- Áp dụng: I=e/R trong mô hình bỏ điện trở nội.
- Dữ kiện để thế số: e = 6; r = 6.
- Kết luận: 1 A. Soát lại đơn vị.
|ΔΦ|=(Φ₂−Φ₁), e=N|ΔΦ|/t
Cuộn dây có từ thông mỗi vòng tăng từ 5 mWb đến 11 mWb, N=300 vòng trong t=0.3 s. Độ lớn e trung bình bằng bao nhiêu?
Xem phương pháp và đáp án
- Đọc yêu cầu: tìm đại lượng theo đơn vị V, kiểm tra điều kiện bài.
- Áp dụng: |ΔΦ|=(Φ₂−Φ₁), e=N|ΔΦ|/t.
- Dữ kiện để thế số: p1 = 5; p2 = 11; n = 300; t = 0.3.
- Kết luận: 6 V. Soát lại đơn vị.
B=Φ/S, nhớ cm²→m² và mWb→Wb
Khung S=500 cm² vuông góc từ trường có Φ=5 mWb. Cảm ứng từ B là bao nhiêu T?
Xem phương pháp và đáp án
- Đọc yêu cầu: tìm đại lượng theo đơn vị T, kiểm tra điều kiện bài.
- Áp dụng: B=Φ/S, nhớ cm²→m² và mWb→Wb.
- Dữ kiện để thế số: s = 500; phi = 5.
- Kết luận: 0.1 T. Soát lại đơn vị.
Cách xử lí hiện tượng và lỗi sai thường gặp
Đèn pin lắc
Nam châm chuyển động tương đối so với cuộn dây làm từ thông biến thiên, sinh suất điện động cảm ứng.
Phanh từ
Dòng điện xoáy cảm ứng tạo lực chống chuyển động theo Lenz, chuyển động năng thành nhiệt.
Ba câu hỏi tự soát trước khi nộp
- Em có mắc lỗi: Dùng góc với mặt vòng mà quên đổi sang góc với pháp tuyến.? Nếu có, xem lại định nghĩa và điều kiện vừa học.
- Em có mắc lỗi: Nhân số vòng hai lần trong Faraday.? Nếu có, xem lại định nghĩa và điều kiện vừa học.
- Em có mắc lỗi: Cho rằng B cảm ứng luôn ngược B ban đầu thay vì ngược biến thiên.? Nếu có, xem lại định nghĩa và điều kiện vừa học.
Tám câu mẫu tự kiểm trước khi vào Học & Thi
Các câu dưới đây chỉ để kiểm tra nhanh sau khi đọc; bộ Học & Thi đầy đủ có thêm các câu vận dụng và tự luận.
Góc α trong Φ = BS cosα là góc giữa B với gì?
Đáp án và lời giải
B. Góc phải đo với pháp tuyến của mặt.
Đơn vị của từ thông là gì?
Đáp án và lời giải
B. Từ thông có đơn vị weber.
Khi B song song mặt phẳng khung, độ lớn từ thông qua khung bằng gì?
Đáp án và lời giải
C. B vuông góc pháp tuyến nên cos90°=0.
Khung S=200 cm² vuông góc từ trường có Φ=2 mWb. Cảm ứng từ B là bao nhiêu T? (Làm tròn đến 3 chữ số thập phân nếu cần.)
Đáp án và lời giải
A. Bước 1 – Xác định điều kiện và công thức: B=Φ/S, nhớ cm²→m² và mWb→Wb. Bước 2 – Đổi đơn vị theo yêu cầu, dữ kiện: s = 200; phi = 2. Bước 3 – Thế số: ((10 × 2) ÷ 200) = 0.1 T. Bước 4 – Đối chiếu xu hướng của đại lượng, thứ nguyên và phạm vi áp dụng trước khi kết luận.
Xét nhóm nhận định 5 về Từ thông và hiện tượng cảm ứng điện từ, chú ý điều kiện mô hình và đơn vị. Chọn Đúng/Sai cho từng ý.
Đáp án và lời giải
a: Đúng; b: Sai; c: Đúng; d: Sai. a) Đúng — Từ thông liên kết Ψ=NΦ nếu Φ là từ thông mỗi vòng. Đây là quy tắc phù hợp với các điều kiện trong bài.
b) Sai — Phát biểu không đúng. Kiến thức cần thay vào là: Thanh trượt vuông góc chuẩn có |e|=Bℓv.
c) Đúng — Thanh trượt vuông góc chuẩn có |e|=Bℓv. Đây là quy tắc phù hợp với các điều kiện trong bài.
d) Sai — Phát biểu không đúng. Kiến thức cần thay vào là: Từ thông liên kết Ψ=NΦ nếu Φ là từ thông mỗi vòng.
Một thanh dài ℓ=40 cm chuyển động vuông góc B=0.4 T và thanh với v=4 m/s. Suất điện động Bℓv là bao nhiêu V? (Làm tròn đến 3 chữ số thập phân nếu cần.) Chỉ nhập số, không nhập đơn vị.
Đáp án và lời giải
0.64. Bước 1 – Xác định điều kiện và công thức: e=Bℓv trong cấu hình vuông góc. Bước 2 – Đổi đơn vị theo yêu cầu, dữ kiện: l = 40; b = 0.4; v = 4. Bước 3 – Thế số: (((0.4 × 40) ÷ 100) × 4) = 0.64 V. Bước 4 – Đối chiếu xu hướng của đại lượng, thứ nguyên và phạm vi áp dụng trước khi kết luận.
Một thanh dài ℓ=50 cm chuyển động vuông góc B=0.5 T và thanh với v=5 m/s. Suất điện động Bℓv là bao nhiêu V? (Làm tròn đến 3 chữ số thập phân nếu cần.) Chỉ nhập số, không nhập đơn vị.
Đáp án và lời giải
1.25. Bước 1 – Xác định điều kiện và công thức: e=Bℓv trong cấu hình vuông góc. Bước 2 – Đổi đơn vị theo yêu cầu, dữ kiện: l = 50; b = 0.5; v = 5. Bước 3 – Thế số: (((0.5 × 50) ÷ 100) × 5) = 1.25 V. Bước 4 – Đối chiếu xu hướng của đại lượng, thứ nguyên và phạm vi áp dụng trước khi kết luận.
Một thanh dài ℓ=60 cm chuyển động vuông góc B=0.6 T và thanh với v=6 m/s. Suất điện động Bℓv là bao nhiêu V? (Làm tròn đến 3 chữ số thập phân nếu cần.) Trình bày rõ các bước, công thức, đổi đơn vị và kết luận.
Đáp án và lời giải
Tự luận – chấm theo các bước trình bày. Bước 1 – Xác định điều kiện và công thức: e=Bℓv trong cấu hình vuông góc. Bước 2 – Đổi đơn vị theo yêu cầu, dữ kiện: l = 60; b = 0.6; v = 6. Bước 3 – Thế số: (((0.6 × 60) ÷ 100) × 6) = 2.16 V. Bước 4 – Đối chiếu xu hướng của đại lượng, thứ nguyên và phạm vi áp dụng trước khi kết luận.
Sơ đồ tư duy đầy đủ 6 nhánh
Sơ đồ SVG được biên soạn theo các ý trọng tâm của bài, phóng to vẫn sắc nét, có thể mở xem riêng.
Điểm dễ nhầm và cách tránh
- Dùng góc giữa B và mặt thay vì pháp tuyến
- Quên nhân số vòng N
- Cho rằng Lenz luôn chống từ trường ngoài
Đọc thêm phần lý thuyết và ví dụ đã có
Một từ trường lớn nhưng không làm thay đổi từ thông vẫn có thể không tạo suất điện động cảm ứng trong khung đứng yên. Cần theo dõi B, diện tích S và góc với pháp tuyến; sau đó dùng Lenz để xét chiều.
Định luật và chiều dòng
Cuộn N vòng giống nhau có suất điện động cảm ứng e=−N dΦ/dt; độ lớn trung bình |etb|=N|ΔΦ|/Δt. Dấu trừ biểu diễn Lenz: tác dụng của dòng cảm ứng chống lại sự biến thiên từ thông đã sinh ra nó. Dòng cảm ứng chỉ có khi mạch dẫn kín; mạch hở vẫn có thể có suất điện động. B, S hoặc góc đổi đều có thể làm đổi Φ; vật chuyển động trong từ trường không tự động đồng nghĩa có dòng điện.
Thanh chuyển động và công suất
Thanh dài l chuyển động vuông góc với B và chính thanh có |e|=Blv trong mô hình thường dùng. Nếu mạch thuần trở tổng R, I=|e|/R. Lực từ cản chuyển động khi hệ phát điện phù hợp bảo toàn năng lượng; công cơ học chuyển thành điện năng và nhiệt. Không áp Blv nếu các phương không vuông góc như giả thiết.
Phương pháp
Chọn chiều dương pháp tuyến; xác định Φ đang tăng hay giảm; suy hướng từ trường cảm ứng cần có; dùng quy tắc nắm tay để suy chiều dòng. Đọc đồ thị Φ–t: độ dốc quyết định e, đoạn Φ hằng cho e=0. Khi có N vòng, xác định dữ kiện là từ thông mỗi vòng hay tổng từ thông móc vòng để tránh nhân N hai lần.
Lỗi thường gặp và ghi nhớ
Lenz chống biến thiên, không phải lúc nào cũng chống từ trường ban đầu. Đừng dùng góc giữa B và mặt phẳng trực tiếp trong cos. Khi tính suất điện động tức thời phải dùng đạo hàm, không thay bằng biến thiên trên khoảng dài nếu đồ thị không tuyến tính.
Bảng kiến thức cần nhớ
| Nội dung | Ghi nhớ | Điều kiện |
|---|---|---|
| Từ thông một vòng | Φ = BS cos α | α giữa B và pháp tuyến |
| Cuộn N vòng | e = −N dΦdt | Φ tính cho một vòng |
| Giá trị trung bình | ∣e∣ = N ∣ΔΦ∣Δt | Độ lớn trên khoảng thời gian |
Ví dụ có lời giải
Ví dụ 1. Tính từ thông đúng góc
B = 0,20 T, S = 50 cm² = 0,0050 m². Pháp tuyến hợp với B góc 60°. Φ = 0,20 × 0,0050 × cos60° = 5,0 × 10⁻⁴ Wb. Nếu đề cho góc với mặt phẳng, phải đổi sang góc phụ.
Ví dụ 2. Đọc đồ thị và dùng Lenz
Cuộn 100 vòng, từ thông mỗi vòng tăng đều từ 0 lên 4 mWb trong 2 s. Với chiều pháp tuyến đã chọn, e = −100 × 0,004/2 = −0,20 V. Dấu âm gắn với chiều quy ước; độ lớn là 0,20 V. Nếu mạch kín, từ trường cảm ứng chống lại sự tăng từ thông.
Luyện tập và đề ôn liên quan
Tự kiểm tra
Từ thông khác 0 nhưng không đổi thì e bằng bao nhiêu?
Xem đáp án và cách kiểm
e = 0, vì đạo hàm hoặc độ biến thiên của từ thông bằng 0.
Sơ đồ tư duy cuối bài
Đọc sơ đồ bằng chữ
- Từ thông: Φ = BS cos α; Góc với pháp tuyến.
- Biến thiên: B, S hoặc α thay đổi; e phụ thuộc tốc độ biến thiên.
- Faraday: e = −N dΦ/dt; Không nhân N hai lần.
- Lenz: Chống lại sự biến thiên; Mạch kín mới có dòng cảm ứng.
Sơ đồ tư duy Bài 16
Nhìn từ trung tâm ra bốn nhánh, phân biệt định nghĩa – công thức – điều kiện – ứng dụng. Sơ đồ vector sắc nét trên PC và điện thoại.
Ôn tập sau khi học
Ghi nhớ công thức trong điều kiện áp dụng, thử tự giải ví dụ và kiểm tra câu chưa chắc trước khi mở lời giải.