Vật lý 11 bài 23: Từ thông công thức tính, hiện tượng cảm ứng điện từ, dòng điện FU-CÔ và ứng dụng

Vật lý 11 bài 23: Từ thông công thức tính, hiện tượng cảm ứng điện từ, dòng điện FU-CÔ và ứng dụng. Như các em đã biết, dòng điện gây ra từ trường, câu hỏi ngược lại do Fa-ra-đây đặt ra: Trong điều kiện nào từ trường gây ra dòng điện? Bài viết này chúng ta cùng tìm hiểu Từ thông là gì? Công thức tính từ thông như thế nào? Hiện tường cảm ứng điện từ xảy ra khi nào? Dòng điện Fu-cô (FOUCAULT) có tính chất và công dụng gì? qua đó giải đáp câu hỏi trên. I. Từ thông 1. Từ thông là gì? – Định nghĩa: Từ thông là thông lượng đường sức từ qua một diện tích và được xác định bởi công thức: – Trong đó:  Φ: Từ thông (Wb)  B: Từ trường (T).  S: Diện tích mặt (m2)  α: Góc tạo bởi  và  ( là vectơ pháp tuyến của mặt phẳng S). – Từ thông là một đại lượng đại số, khi α nhọn thì Φ>0 khi α tù thì Φ<0 và khi α=900 thì Φ=0. 2. Đơn vị đo từ thông – Trong hệ SI, đơn vị đo từ thông là vêbe (Wb).  1Wb = 1T.1m2 II. Hiện tượng cảm ứng điện từ 1. Thí nghiệm hiện tượng cảm ứng điện từ 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. Kết luận • Tất cả các thí nghiệm trên đều có một đặc 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 thay đổi thì từ thông biến thiên. • 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. III. Định luật Len-xơ về chiều của 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. ♦ Một 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. ♦ Quy ước: Chiều dương trên mạch (C) là chiều của đường sức từ của nam châm qua (C) theo quy tắc nắm tay phải. ♦ Chú ý:  – Từ trường xuất hiện trong hiện tượng này là từ trường cảm ứng. – Từ trường của nam châm là từ trường ban đầu. – Chiều của từ trường cảm ứng và chiều của dòng điện cảm ứng liên quan chặt chẽ với nhau IV. Dòng điện Fu-cô (FOUCAULT) 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. 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. 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. 4. Tính chất và ứng dụng của dòng điện Fu-cô • Định nghĩa: Dòng điện Fu-cô là dòng điện xuất hiện trong các khối kim loại khi những khối này chuyển động trong một từ trường biến thiên theo thời gian. • Tính chất của dòng điện Fu-cô – Mọi khối kim loại chuyển động trong từ trường đều chịu tác dụng của lực hãm điện từ. – Dòng điện Fu-cô cũng gây ra hiệu ứng tỏa nhiệt Jun – Len-xơ: Khối kim loại chuyển động trong từ trường hoặc đặt trong từ trường biến thiên sẽ bị nóng lên. – Trong nhiều trường hợp, dòng Fu-cô gây nên những hao tổn năng lượng vô ích. Để giảm tác dụng của dòng Fu-cô người ta có thể tăng điện trở của khối kim loại. • Ứng dụng của dòng điện Fu-cô – Dòng Fu-cô được ứng dụng trong bộ phanh điện từ của ô tô hạng nặng, lò cảm ứng để nung kim loại, lò tôi kim loại. V. Bài tập Từ thông, cảm ứng điện từ * Bài 1 trang 147 SGK Vật Lý 11: Phát biểu các định nghĩa: – Dòng điện cảm ứng. – Hiện tượng cảm ứng điện từ. – Từ trường cảm ứng. ° Lời giải bài 1 trang 147 SGK Vật Lý 11: ◊ Dòng điện cảm ứng: – Mỗi khi từ thông qua mạch kín (C) biến thiên thì trong mạch kín (C) xuất hiện một dòng điện gọi là dòng điện cảm ứng. ◊ Hiện tượng cảm ứng điện từ: – Hiện tượng xuất hiện dòng điện cảm ứng trong mạch kín (C) gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ. ◊ Từ trường cảm ứng: – Khi dòng điện cảm ứng xuất hiện thì cũng sinh ra từ trường xung quanh dây dẫn, gọi là từ trường cảm ứng. * Bài 2 trang 147 SGK Vật Lý 11: Dòng điện Fu-cô là gì? ° Lời giải bài 2 trang 147 SGK Vật Lý 11: – Mọi khối kim loại chuyển động trong từ trường, lực từ Lo-ren-xơ tác dụng nên các êlectron tự do trong khối kim loại làm các êlectron này chuyển động tạo thành dòng điện cảm ứng. Dòng điện cảm ứng gọi là dòng điện Fu-cô. * Bài 3 trang 147 SGK Vật Lý 11: Mạch kín (C) không biến dạng trong từ trường đều B. Hỏi trường hợp nào dưới đây, từ thông qua mạch biến thiên? A. (C) chuyển động tịnh tiến. B. (C) chuyển động quay xung quanh một trục cố định vuông góc với mặt phẳng chứa mạch. C. (C) chuyển động trong một mặt phẳng vuông góc với  D. (C) quay xung quanh trục cố định nằm trong mặt phẳng chứa mạch và trục này không song song với đường sức từ. ° Lời giải bài 3 trang 147 SGK Vật Lý 11: ◊ Chọn đáp án: D. (C) quay xung quanh trục cố định nằm trong mặt phẳng chứa mạch và trục này không song song với đường sức từ. – Vì khi (C) quay xung quanh trục nằm trong mặt phẳng chứa mạch thì khi đó góc giữa  và  thay đổi và làm từ thông qua mạch biến thiên. * Bài 4 trang 148 SGK Vật Lý 11: Mạch kín tròn (C) nằm trong cùng mặt phẳng P với dòng điện thẳng I (hình dưới – hình 23.8 SGK). Hỏi trường hợp nào dưới đây, từ thông qua (C) biến thiên? A. (C) dịch chuyển trong P lại gần I hoặc ra xa I. B. (C) dịch chuyển trong P với vận tốc song song với dòng I. C. (C) cố định, dây dẫn thẳng mang dòng I chuyển động tịnh tiến dọc theo chính nó. D. (C) quay xung quanh dòng điện thẳng I. ° Lời giải bài 4 trang 148 SGK Vật Lý 11: ◊ Chọn đáp án: A. (C) dịch chuyển trong P lại gần I hoặc ra xa I. – Vì từ trường của dòng điện thẳng I mạnh ở những điểm gần dòng điện và càng giảm ở những điểm càng xa dòng điện, nên trường hợp (C) dịch chuyển trong P lại gần I hoặc ra xa I thì từ thông qua (C) biến thiên. * Bài 5 trang 148 SGK Vật Lý 11: Xác định chiều của dòng điện cảm ứng trong các thí nghiệm dưới đây (hình 23.9). a) Nam châm chuyển động (hình 23.9a) b) Mạch (C) chuyển động tịnh tiến (hình 25.9b) c)  Mạch (C) quay (hình 23.9c) d) Nam châm quay liên tục (hình 23.9d) ° Lời giải bài 5 trang 148 SGK Vật Lý 11: a) Nam châm tịnh tiến ra xa vòng dây, từ thông qua vòng dây giảm nên trong vòng dây xuất hiện dòng điện cảm ứng gây ra một từ trường cảm ứng cùng chiều với từ trường của nam châm (theo định luật Len-xơ). – Do đó dòng điện cảm ứng trong (C) ngược chiều kim đồng hồ như hình 23.9a. b) Vòng dây tịnh tiến lại gần nam châm, từ thông qua (C) tăng. Trong vòng dây xuất hiện dòng điện cảm ứng sao cho từ trương mà nó sinh ra ngược chiều với từ trường của nam châm (theo định luật Len-xơ). Do đó dòng điện cảm ứng trong (C) chạy theo chiều kim đồng hồ như hình 23.9b. c) (C) quay quanh trục vuông góc với (C) nên từ thông vòng dây không thay đổi. Trong mạch (C) không xuất hiện dòng điện cảm ứng. d) Nam châm quay liên tục: – Khi nam châm quay 90o đầu tiên, từ thông từ phải sang trái giảm, dòng điện cảm ứng trong mạch (C) có chiều như hình sau.- Khi nam châm quay 90o tiếp theo, từ thông từ trái sang phải tăng lên, dòng điện vẫn có chiều như trên ⇒ Vậy trong nửa vòng quay đầu của nam châm, dòng điện cảm ứng trong (C) chạy theo một chiều. – Khi nam châm quay 90o tiếp theo, từ thông từ trái sang phải giảm, dòng điện cảm ứng trong mạch (C) đổi chiều như hình sau. – Khi nam châm quay 90o tiếp theo (nam châm trở về vị trí ban đầu), từ thông từ trái sang phải tăng lên, dòng điện giữ nguyên chiều như hình trên. ⇒ Vậy trong nửa vòng quay cuối của nam châm, dòng điện cảm ứng trong (C) chạy theo chiều ngược lại. * Kết luận: khi nam châm quay liên tục trong mạch kín (C) sẽ xuất hiện dòng điện xoay chiều. Hy vọng với bài viết về Từ thông công thức tính, hiện tượng cảm ứng điện từ, dòng điện FU-CÔ và ứng dụng ở trên giúp ích cho các em. Mọi góp ý và thắc mắc các em vui lòng để lại dưới phần bình luận để THPT Ngô Thì Nhậm ghi nhận và hỗ trợ, chúc các em học tập tốt. Đăng bởi: THPT Ngô Thì Nhậm Chuyên mục: Giáo Dục