Bài 16. Từ thông. Hiện tượng cảm ứng điện từ trang 66, 67, 68 Vật lý 12 Kết nối tri thức: Khi số đường sức từ xuyên qua tiết diện của cuộn dây dẫn kín biến thiên thì trong...

Câu hỏi:

Khi số đường sức từ xuyên qua tiết diện của cuộn dây dẫn kín biến thiên thì trong cuộn dây dẫn đó xuất hiện dòng điện cảm ứng. Hãy cho biết có những cách nào làm cho số đường sức từ qua tiết diện của cuộn dây dẫn kín biến thiên?

Hướng dẫn giải :

- Chiều của dòng điện cảm ứng được xác định theo quy tắc bàn tay phải.

- Cường độ của dòng điện cảm ứng phụ thuộc vào tốc độ biến thiên của số đường sức từ qua tiết diện cuộn dây.

Lời giải chi tiết :

Có nhiều cách để làm cho số đường sức từ qua tiết diện của cuộn dây dẫn kín biến thiên, bao gồm: thay đổi số lượng đường sức từ, thay đổi diện tích tiết diện của cuộn dây, thay đổi hướng của đường sức từ, sử dụng mạch điện xoay chiều, sử dụng sóng điện từ

Câu hỏi:

Từ biểu thức (16.1) hãy cho biết trong trường hợp nào thì từ thông qua vòng dây diện tích S giới hạn bởi dẫn kín (C) có trị số bằng 0, có trị số dương, trị số âm.

Hướng dẫn giải :

Từ biểu thức (16.1)

Lời giải chi tiết :

Từ biểu thức 16.1, ta có thể xác định trường hợp từ thông qua vòng dây có trị số bằng 0, dương, âm như sau:

- Trị số bằng 0:

+ Khi B = 0: Không có từ trường, do đó từ thông qua vòng dây luôn bằng 0.

+ Khi S = 0: Vòng dây không có diện tích, do đó từ thông qua vòng dây cũng bằng 0.

+ Khi α = 90°: Vectơ cảm ứng từ vuông góc với mặt phẳng vòng dây, do đó từ thông qua vòng dây bằng 0.

- Trị số dương:

+ Khi B > 0, S > 0, 0° < α < 90°: Vectơ cảm ứng từ hợp với mặt phẳng vòng dây một góc nhọn, từ thông qua vòng dây có trị số dương.

- Trị số âm:

+ Khi B > 0, S > 0, 90° < α < 180°: Vectơ cảm ứng từ hợp với mặt phẳng vòng dây một góc tù, từ thông qua vòng dây có trị số âm.

+ Khi B < 0, S > 0, 0° < α < 180°: Vectơ cảm ứng từ hướng ngược với vectơ pháp tuyến N, từ thông qua vòng dây có trị số âm.

Câu hỏi:

Để làm từ thông biến thiên, có thể biến đối từng đại lượng B, S, a trong biểu thức (16.1). Hãy đề xuất các cách có thế làm biến thiên từ thông qua tiết diện khung dây dẫn mềm nối với điện kế thành mạch kín trong các trường hợp sau:

Trường hợp 1: Khung dây dẫn đặt cạnh nam châm vĩnh cửu (Hình 16.4).

Trường hợp 2: Khung dây dẫn đặt cạnh nam châm điện (Hình 16.5).

Hướng dẫn giải :

Vận dụng biểu thức 16.1

Lời giải chi tiết :

- Trường hợp 1: Khung dây dẫn đặt cạnh nam châm vĩnh cửu:

+ Biến đổi cảm ứng từ B:

• Di chuyển nam châm:
• Đưa nam châm lại gần hoặc ra xa khung dây.
• Di chuyển nam châm song song với mặt phẳng khung dây.
• Di chuyển nam châm theo hướng vuông góc với mặt phẳng khung dây.
• Thay đổi vị trí của khung dây:
• Di chuyển khung dây lại gần hoặc ra xa nam châm.
• Xoay khung dây sao cho góc hợp giữa vectơ cảm ứng từ B và vectơ pháp tuyến N của mặt phẳng khung dây thay đổi.

+ Biến đổi diện tích S của khung dây:

• Làm biến dạng khung dây:
• Thay đổi hình dạng của khung dây từ hình vuông sang hình chữ nhật, hình tròn, v.v.
• Gập khung dây lại.
• Di chuyển một phần khung dây ra khỏi vùng từ trường:
• Di chuyển một phần khung dây ra khỏi vùng có từ trường của nam châm.
• Cho khung dây quay quanh trục song song với vectơ cảm ứng từ B.

+ Biến đổi góc α:

• Xoay khung dây:
• Xoay khung dây quanh trục vuông góc với mặt phẳng khung dây.
• Xoay khung dây quanh trục song song với vectơ cảm ứng từ B.

- Trường hợp 2: Khung dây dẫn đặt cạnh nam châm điện:

+ Biến đổi cảm ứng từ B:

• Thay đổi cường độ dòng điện chạy qua nam châm điện:
• Tăng hoặc giảm cường độ dòng điện.
• Sử dụng nguồn điện xoay chiều để tạo ra dòng điện có cường độ và chiều thay đổi liên tục.
• Thay đổi số vòng dây của nam châm điện:
• Tăng hoặc giảm số vòng dây của nam châm điện.
• Sử dụng lõi sắt có độ từ thẩm cao hơn.

+ Biến đổi diện tích S của khung dây:

• Thực hiện các cách tương tự như trường hợp 1.

+ Biến đổi góc α:

• Thực hiện các cách tương tự như trường hợp 1.

Câu hỏi:

Từ các cách làm biến thiên từ thông qua cuộn dây dẫn kín, hãy đề xuất một số phương án thí nghiệm minh họa hiện tượng cảm ứng điện từ.

Hướng dẫn giải :

Vận dụng các cách làm biến thiên từ thông qua cuộn dây dẫn kín

Lời giải chi tiết :

Dụng cụ:

• 1 nam châm vĩnh cửu
• 1 cuộn dây dẫn kín
• 1 điện kế
• 1 công tắc

Cách tiến hành:

Kết quả:

• Kim điện kế sẽ quay, chứng tỏ có dòng điện cảm ứng xuất hiện trong cuộn dây.

Giải thích:

• Khi đưa nam châm lại gần cuộn dây, số đường sức từ qua tiết diện cuộn dây tăng lên, dẫn đến xuất hiện dòng điện cảm ứng.

Câu hỏi:

Thí nghiệm 1

Chuẩn bị: Nam châm (1), cuộn dây (2), điện kế (3) và các dây dẫn.

- Bố trí thí nghiệm như Hình 16.6 và điều chỉnh kim điện kế chỉ đúng vạch số 0.

- Quan sát chiều lệch của kim điện kế trong các trường hợp sau:

+ Dịch chuyển cực Bắc của nam châm lại gần cuộn dây

+ Dịch chuyến cực Bắc của nam châm ra xa cuộn dây

Từ kết quả thí nghiệm quan sát được, thực hiện các yêu cầu sau:

1. Khi nào kim điện kế dịch chuyển? Kim điện kế lệch khỏi vạch 0 chứng tỏ điều gì?

2. Giải thích sự biến thiên từ thông qua cuộn dây trong các trường hợp trên.

3. Nhận xét về mối liên hệ giữa sự biến thiên của từ thông qua cuộn dây với sự xuất hiện của dòng điện cảm ứng trong cuộn dây đó.

Hướng dẫn giải :

Từ kết quả thí nghiệm quan sát được

Lời giải chi tiết :

1. Dịch chuyển cực Bắc của nam châm lại gần cuộn dây hoặc dịch chuyến cực Bắc của nam châm ra xa cuộn dây thì kim điện kế dịch chuyển. Kim điện kế lệch khỏi vạch 0 chứng tỏ trong mạch xuất hiện dòng điện

2. Khi đưa nam châm lại gần cuộn dây, số đường sức từ qua tiết diện cuộn dây tăng, dẫn đến từ thông qua cuộn dây tăng

Khi đưa nam châm ra xa cuộn dây, số đường sức từ qua tiết diện cuộn dây giảm, dẫn đến từ thông qua cuộn dây giảm.

3. Dòng điện cảm ứng chỉ xuất hiện trong cuộn dây khi từ thông qua cuộn dây biến thiên.

Câu hỏi:

Thí nghiệm 2

Chuẩn bị:

Nam châm điện (1), cuộn dây (2), điện kế (3), khóa K (4), nguồn điện (5), biến trở (6) và các dây dân.

Tiến hành:

- Lắp mạch điện như Hình 16.7 và điều chỉnh kim điện kế chỉ đúng vạch số 0.

- Quan sát kim điện kế khi đóng hoặc ngắt khóa K.

- Đóng khóa K rồi di chuyển con chạy trên biến trở sang trái hoặc sang phải. Quan sát kim điện kế.

Từ kết quả thí nghiệm quan sát được, thực hiện các yêu cầu sau:

1. Khi đóng, ngắt khóa K hoặc di chuyển con chạy trên biến trở thì kim điện kế có lệch khỏi vạch 0 không? Giải thích.

2. Khi đóng hoặc ngắt khóa K, đại lượng nào trong công thức (16.1) thay đổi làm xuất hiện dòng điện cảm ứng trong cuộn dây dẫn kín?

Hướng dẫn giải :

Từ kết quả thí nghiệm quan sát được

Lời giải chi tiết :

1.Khi đóng hoặc ngắt khóa K, kim điện kế sẽ lệch khỏi vạch 0.

Giải thích:

- Khi đóng khóa K, mạch điện kín được tạo thành. Từ trường do nam châm điện tạo ra sẽ gây ra hiện tượng cảm ứng điện từ trong cuộn dây dẫn kín, làm xuất hiện dòng điện cảm ứng. Dòng điện này đi qua điện kế, làm kim điện kế lệch khỏi vạch 0.

- Khi ngắt khóa K, mạch điện bị hở, dòng điện cảm ứng không còn xuất hiện. Kim điện kế sẽ quay về vạch 0.

2. Khi đóng hoặc ngắt khóa K, đại lượng thay đổi trong công thức (16.1) làm xuất hiện dòng điện cảm ứng trong cuộn dây dẫn kín là từ thông Φ.

Câu hỏi:

Hãy xác định chiều quấn của cuộn dây (2) trong thí nghiệm 2 (Hình 16.7) và vận dụng định luật Lenz để kiếm chứng chiều dòng điện cảm ứng trong cuộn dây này khi đóng hoặc ngắt khóa K (4).

Hướng dẫn giải :

Dựa vào quy tắc nắm bàn tay phải.

Lời giải chi tiết :

- Khi đóng khóa K, dòng điện chạy qua cuộn dây (1) theo chiều kim đồng hồ. Theo quy tắc bàn tay phải, ta xác định được chiều của dòng điện cảm ứng trong cuộn dây (2) ngược chiều kim đồng hồ.

- Dựa vào định luật Lenz, ta có thể kiểm chứng chiều dòng điện cảm ứng như sau:

+ Khi đóng khóa K:

Từ trường do dòng điện trong cuộn dây (1) tạo ra ngược chiều với từ trường của nam châm.

Theo định luật Lenz, dòng điện cảm ứng trong cuộn dây (2) sẽ có chiều làm giảm từ thông qua cuộn dây (2).

Do đó, dòng điện cảm ứng trong cuộn dây (2) sẽ có chiều ngược chiều kim đồng hồ.

+ Khi ngắt khóa K:

Từ trường do dòng điện trong cuộn dây (1) mất đi.

Theo định luật Lenz, dòng điện cảm ứng trong cuộn dây (2) sẽ có chiều làm tăng từ thông qua cuộn dây (2).

Do đó, dòng điện cảm ứng trong cuộn dây (2) cũng sẽ có chiều ngược chiều kim đồng hồ.

Câu hỏi:

Thí nghiệm với thanh kim loại MN trượt trên hai đoạn dây dẫn điện MQ và NP được nối với ampe kế thành mạch điện kín như Hình 16.9. Mạch điện được đặt trong từ trường đều có cảm ứng từ B vuông góc với mặt phẳng MNPQ. Xác định chiều dòng điện cảm ứng và biểu thức suất điện động cảm ứng trong mạch khi thanh kim loại trượt đều với tốc độ v trên hai đoạn dây dẫn.

Hướng dẫn giải :

Vận dụng quy tắc bàn tay phải

Lời giải chi tiết :

Chiều dòng điện cảm ứng trong mạch là chiều từ N → M → Q → P

Biểu thức suất điện động cảm ứng: ε = Blv