Tổng kết chương/chủ đề
Lực từ phụ thuộc hướng dòng điện/vận tốc so với B. Từ thông dùng góc với pháp tuyến; suất điện động cảm ứng phụ thuộc tốc độ biến thiên từ thông, chiều theo Lenz. Máy phát và máy biến áp dựa từ thông biến thiên; công suất xoay chiều cần giá trị hiệu dụng và hệ số công suất phù hợp. Tách độ lớn khỏi quy tắc xác định chiều.
Mục lục bài học
- Từ trường – Lực từ và cảm ứng từ
- Cảm ứng điện từ – Từ thông, định luật Faraday và Lenz
- Dòng điện xoay chiều, máy phát và máy biến áp
Từ trường – Lực từ và cảm ứng từ
Mục tiêu và kiến thức nền
Nhận biết tác dụng từ lên dòng điện và điện tích chuyển động. Đường sức mô tả hướng từ trường; tại mỗi điểm tiếp tuyến cho hướng của vectơ B, cảm ứng từ tính bằng tesla (T).
Lực từ và phương chiều
Đoạn dây thẳng dài l có dòng I nằm trong từ trường đều chịu lực độ lớn F=BIl sinα, α là góc giữa chiều dòng điện và B. Lực vuông góc với cả dây và B; xác định chiều bằng quy tắc bàn tay trái hoặc tích có hướng. Dây song song B thì F=0, vuông góc thì F cực đại. Với điện tích q chuyển động tốc độ v: F=|q|vB sinα; chiều đối với q âm ngược q dương. Lực từ lên điện tích vuông góc vận tốc nên không sinh công, không trực tiếp làm đổi độ lớn tốc độ.
Từ trường do dòng điện và chuyển động
Trong không khí gần chân không, dây thẳng dài có B=μ₀I/(2πr), ống dây dài có B≈μ₀n_vòngI, μ₀≈4π×10⁻⁷ H/m. Chỉ dùng các công thức trong mô hình hình học tương ứng; r tính m và n_vòng là số vòng trên một mét. Hạt chuyển động vuông góc B đều có quỹ đạo tròn bán kính r=mv/(|q|B) trong mô hình phi tương đối tính và khi chỉ có lực từ.
Phương pháp và lỗi thường gặp
Vẽ dây, chiều dòng và B trước khi tính; chọn đúng góc, không lấy góc giữa B và pháp tuyến diện tích cho công thức lực dây. Với cân bằng cơ học, đặt lực từ vào sơ đồ lực cùng trọng lực, lực căng, phản lực. Phân biệt dòng điện quy ước với chiều dịch chuyển electron.
Ghi nhớ
Tách hai nhiệm vụ: tính độ lớn bằng công thức, xác định phương chiều bằng quy tắc. Chỉ cộng đại số các cảm ứng từ khi chúng cùng phương; trường hợp chung phải cộng vectơ.
Luyện tập bài này
Cảm ứng điện từ – Từ thông, định luật Faraday và Lenz
Mục tiêu và nền tảng
Nhận diện nguyên nhân phát sinh suất điện động cảm ứng qua sự biến thiên từ thông. Với từ trường đều qua mặt phẳng diện tích S, Φ=BS cosα, α là góc giữa B và pháp tuyến mặt, đơn vị weber (Wb).
Định luật và chiều dòng
Cuộn N vòng giống nhau có suất điện động cảm ứng e=−N dΦ/dt; độ lớn trung bình |e_tb|=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.
Luyện tập bài này
Dòng điện xoay chiều, máy phát và máy biến áp
Mục tiêu và kiến thức nền
Đọc biểu thức hình sin, phân biệt cực đại và hiệu dụng, giải thích tạo và truyền tải điện. Với u=U₀cos(ωt+φ), ω=2πf, chu kì T=1/f, pha tính rad.
Hiệu dụng và công suất
Dòng hình sin có I=I₀/√2, U=U₀/√2. Với điện trở thuần, u và i cùng pha, U=IR và P=UI=I²R=U²/R. Trong mạch xoay chiều tổng quát P=UIcosφ với φ là độ lệch pha giữa u và i; không mặc định cosφ=1. Nếu xét RLC nối tiếp lí tưởng: Z=√[R²+(ωL−1/(ωC))²], I=U/Z; cộng hưởng khi ωL=1/(ωC). Chỉ dùng phần mở rộng này khi học liệu nêu rõ mô hình RLC.
Phát điện và biến áp
Cuộn N vòng diện tích S quay đều trong B có từ thông hình sin và biên độ suất điện động E₀=NBSω trong cấu hình chuẩn. Máy biến áp lí tưởng có U₂/U₁=N₂/N₁ và U₁I₁=U₂I₂. Tăng điện áp truyền tải với cùng công suất làm giảm dòng, giảm tổn hao dây P_hp=I²R_dây. Máy biến áp thông thường cần từ thông biến thiên, không làm việc theo cùng cơ chế với nguồn một chiều ổn định.
Phương pháp và lỗi thường gặp
Ghi rõ đại lượng cực đại hay hiệu dụng ở mỗi bước. Dùng đơn vị SI cho L,C,ω. Khi biến đổi pha, giữ đúng dấu theo thứ tự u so với i. Không áp tỉ số dòng điện nghịch số vòng cho máy thực nếu chưa xét hiệu suất và tải. Học an toàn điện từ nguyên tắc cách điện, nối đất bảo vệ và thiết bị ngắt phù hợp; không thực hành trực tiếp với điện lưới.
Ghi nhớ
Tạo suất điện động bằng từ thông biến thiên; dùng giá trị hiệu dụng cho các công thức công suất nhiệt tương đương dòng một chiều.