Từ thông. Hiện tượng cảm ứng điện từ
Tính từ thông Φ = BS cos α, nhận ra khi nào có dòng điện cảm ứng, tính suất điện động bằng định luật Faraday và tìm chiều dòng cảm ứng bằng định luật Lenz.
Ứng với SGK Vật lí 12 (bộ thống nhất): Bài 16
⚡ Nhớ nhanh
- 1Từ thông qua một vòng: Φ = BS cos α, đơn vị vêbe (Wb). α là góc giữa và pháp tuyến của mặt khung, không phải góc với mặt khung.
- 2Mặt khung vuông góc đường sức ⇒ α = 0, Φ = BS lớn nhất. Mặt khung chứa đường sức ⇒ α = 90°, Φ = 0.
- 3Cảm ứng điện từ: từ thông qua mạch kín biến thiên ⇒ có dòng điện cảm ứng. Φ lớn mà không đổi ⇒ không có dòng.
- 4Định luật Faraday: |e| = N·|ΔΦ|/Δt — phụ thuộc tốc độ biến thiên của từ thông.
- 5Định luật Lenz: dòng cảm ứng chống lại sự biến thiên của từ thông: Φ tăng ⇒ cảm ứng ngược ; Φ giảm ⇒ cùng chiều .
- 6Ba cách làm Φ biến thiên: đổi B, đổi S, đổi α (quay khung — nguyên lí máy phát điện).
👀 Nhìn là hiểu
Chọn cách làm từ thông thay đổi: kéo nam châm, đổi B hay quay khung. Đường sức tô vàng là đường xuyên qua khung; điện kế và đồ thị e(t) chỉ chạy khi số đường ấy thay đổi. Tab Thí nghiệm làm lại thí nghiệm Faraday, tab Đoán trước có 4 cái bẫy.
Kéo thả tự do, xem số và đồ thị chạy theo.
Từ thông không đổi ⇒ không có dòng cảm ứng. Hãy làm Φ thay đổi: di chuyển nam châm, đổi B hoặc quay khung.
1 🧲 Từ thông
Cần nhớ
- ✦Từ thông đo số đường sức từ xuyên qua một diện tích: Φ = BS cos α. Đơn vị: 1 Wb = 1 T·m².
- ✦α là góc giữa và pháp tuyến của mặt khung. Đề cho góc giữa và mặt khung là β thì α = 90° − β.
- ✦Khung có N vòng thì từ thông qua cả khung là NBS cos α. Đề hỏi "từ thông qua khung" mà không nói gì thêm thì thường hiểu là qua một vòng — đọc kĩ đề.
- ✦Φ có thể âm khi α > 90°: quay khung 180° thì Φ đổi từ BS thành −BS, độ biến thiên là 2BS chứ không phải 0.
Từ thông theo góc α (pháp tuyến với $\vec B$)
| α | Vị trí mặt khung | Φ |
|---|---|---|
| 0° | Vuông góc đường sức | BS (lớn nhất) |
| 60° | Hợp với đường sức góc 30° | BS/2 |
| 90° | Chứa (song song) đường sức | 0 |
| 180° | Vuông góc, lật mặt | −BS |
Dạng bài
Tính từ thông
- 1 Đổi diện tích ra m²: 1 cm² = 10⁻⁴ m².
- 2 Tìm α: góc giữa và pháp tuyến. Đề cho góc với mặt khung thì lấy 90° trừ đi.
- 3 Tính Φ = BS cos α (nhân N nếu hỏi cả khung).
- 4 Thử lại bằng trường hợp đặc biệt: α càng gần 0 thì Φ càng gần BS.
⚠️ Bẫy hay gặp: Lấy luôn α = 30° ⇒ Φ = 0,4 · 5·10⁻³ · cos 30° ≈ 1,7·10⁻³ Wb, sai. Trên sim, chọn 🔄 Quay khung để thấy α đo từ pháp tuyến (mũi tên tím).
Khung dây phẳng diện tích 50 cm² đặt trong từ trường đều B = 0,4 T. Mặt khung hợp với các đường sức một góc 30°. Tính từ thông qua khung.
Hướng dẫn giải
2 ⚡ Hiện tượng cảm ứng điện từ
Cần nhớ
- ✦Từ thông qua một mạch kín biến thiên ⇒ trong mạch xuất hiện dòng điện cảm ứng. Hiện tượng này là cảm ứng điện từ (Faraday, 1831).
- ✦Dòng cảm ứng chỉ tồn tại trong thời gian từ thông biến thiên. Từ thông dừng thay đổi ⇒ dòng tắt ngay.
- ✦Mạch hở vẫn có suất điện động cảm ứng giữa hai đầu, chỉ là không có dòng.
- ✦Ba cách làm Φ = BS cos α biến thiên: đổi B (đưa nam châm lại gần, đổi dòng trong nam châm điện), đổi S (bóp méo khung), đổi α (quay khung).
Đưa nam châm lại gần hoặc ra xa cuộn dây · quay khung trong từ trường · bật, tắt dòng ở cuộn dây bên cạnh · kéo khung ra khỏi vùng từ trường.
Nam châm đứng yên trong lòng cuộn dây · khung tịnh tiến trong từ trường đều mà mặt khung không đổi hướng · mạch hở.
3 📐 Định luật Faraday: độ lớn suất điện động
Cần nhớ
- ✦Suất điện động cảm ứng: e = −N·ΔΦ/Δt. Độ lớn |e| = N·|ΔΦ|/Δt, đơn vị V (1 V = 1 Wb/s).
- ✦e phụ thuộc tốc độ biến thiên ΔΦ/Δt, không phụ thuộc bản thân Φ. Cùng ΔΦ, làm nhanh gấp đôi thì e gấp đôi (sim tab Thí nghiệm).
- ✦Dòng cảm ứng: I = |e|/R với R là điện trở toàn mạch.
- ✦Dấu trừ trong công thức chính là định luật Lenz (phần sau): e "chống lại" sự biến thiên.
Dạng bài
Tính suất điện động và dòng cảm ứng
- 1 Đổi S ra m², xác định α (với pháp tuyến).
- 2 Tính Φ₁, Φ₂ cho một vòng rồi |ΔΦ| = |Φ₂ − Φ₁|.
- 3 |e| = N·|ΔΦ|/Δt, rồi I = |e|/R nếu đề hỏi dòng.
- 4 Thử lại đơn vị: Wb/s = V; và độ lớn hợp lí (khung nhỏ trong phòng thí nghiệm thường cỡ vài vôn trở xuống).
⚠️ Bẫy hay gặp: Quên đổi cm²: 0,4 · 500,2 · 200 = 20 000 V — vô lí với một khung dây nhỏ. Thấy số quá lớn là phải kiểm tra lại đơn vị.
Khung dây 200 vòng, diện tích 50 cm², đặt vuông góc với đường sức của từ trường đều. Từ trường giảm đều từ 0,4 T về 0 trong 0,2 s. Điện trở khung 4 Ω. Tính suất điện động và dòng điện cảm ứng.
Hướng dẫn giải
Dạng bài
Khung quay: từ thông đổi vì α đổi
- 1 Tính Φ ở vị trí đầu và vị trí cuối theo α đầu, α cuối (nhớ dấu của cos).
- 2 |ΔΦ| = |Φ₂ − Φ₁|; quay 180° thì |ΔΦ| = 2BS.
- 3 |e| trung bình = N|ΔΦ|/Δt.
⚠️ Bẫy hay gặp: Quay 180° rồi cho rằng Φ₁ = Φ₂ = BS nên ΔΦ = 0. Thực ra Φ₂ = −BS (mặt khung bị lật), |ΔΦ| = 2BS.
Khung 100 vòng, diện tích 20 cm², ở trong từ trường đều B = 0,5 T. Ban đầu pháp tuyến song song với . Quay khung 90° trong 0,1 s. Tính độ lớn suất điện động cảm ứng trung bình.
Hướng dẫn giải
4 🔁 Định luật Lenz: chiều dòng cảm ứng
"Chống lại" theo nghĩa nào?
| Nguyên nhân | Dòng cảm ứng làm gì | Cảm giác |
|---|---|---|
| Từ thông tăng (nam châm lại gần) | Sinh cảm ứng ngược chiều | Đẩy nam châm ra |
| Từ thông giảm (nam châm ra xa) | Sinh cảm ứng cùng chiều | Níu nam châm lại |
| Kéo khung ra khỏi từ trường | Chịu lực từ cản chuyển động | Kéo thấy nặng tay |
Dạng bài
Tìm chiều dòng điện cảm ứng
- 1 Xác định chiều ngoài xuyên qua khung và từ thông đang tăng hay giảm.
- 2 Tăng ⇒ cảm ứng ngược ; giảm ⇒ cùng chiều .
- 3 Dùng quy tắc nắm tay phải: ngón cái theo cảm ứng, các ngón còn lại khum theo chiều dòng điện.
- 4 Thử lại bằng lực: dòng vừa tìm phải làm khung đẩy vật lại gần ra, níu vật đang ra xa.
⚠️ Bẫy hay gặp: Học thuộc "dòng cảm ứng luôn sinh từ trường ngược chiều B" là sai một nửa: khi từ thông giảm, cảm ứng cùng chiều . Lenz chống lại sự biến thiên, không chống lại bản thân từ trường.
Đưa cực Bắc (N) của nam châm thẳng lại gần một vòng dây kín. Nhìn từ phía nam châm, dòng cảm ứng trong vòng dây chạy theo chiều nào?
Hướng dẫn giải
5 🏭 Hiện tượng quanh ta
- ✦⚡ Máy phát điện ở nhà máy thuỷ điện, nhiệt điện: quay cuộn dây (hoặc nam châm) để từ thông biến thiên liên tục — bài 17.
- ✦🚄 Phanh điện từ trên tàu cao tốc, xe tải: nam châm làm sinh dòng cảm ứng (dòng Foucault) trong đĩa kim loại đang quay, lực từ cản chuyển động. Thả nam châm qua ống nhôm, nó rơi chậm hẳn vì cùng lí do.
- ✦🍳 Bếp từ: từ trường biến thiên nhanh sinh dòng cảm ứng ngay trong đáy nồi, đáy nồi nóng lên — bài 18.
- ✦📱 Sạc không dây: cuộn dây trong đế sạc tạo từ trường biến thiên, cuộn dây trong điện thoại nhận dòng cảm ứng.
6 💡 Mẹo làm nhanh và lỗi hay sai
⚡ Mẹo làm nhanh trắc nghiệm
- ✦Thấy "mặt khung vuông góc đường sức" ⇒ cos α = 1. Thấy "mặt khung song song / chứa đường sức" ⇒ Φ = 0.
- ✦Câu hỏi "có dòng cảm ứng không?" chỉ cần trả lời hai câu: mạch có kín không, Φ có đổi không.
- ✦Lenz nhanh: lại gần thì đẩy, ra xa thì hút (níu). Mặt vòng dây phía nam châm cùng tên với cực đang lại gần, khác tên với cực đang ra xa.
- ✦Bài đồ thị Φ(t): |e| là độ dốc của đoạn Φ(t). Đoạn nằm ngang ⇒ e = 0; đoạn dốc nhất ⇒ e lớn nhất.
⚠️ Lỗi hay sai nhất
- ✦Lấy α là góc với mặt khung: mặt khung hợp B góc 30° mà tính cos 30° thay vì cos 60°.
- ✦Không đổi cm² ra m²: khung 50 cm² cho Φ lớn gấp 10⁴ lần.
- ✦Nghĩ Φ lớn thì dòng cảm ứng lớn: nam châm đứng yên trong cuộn dây ⇒ Φ lớn nhưng I = 0.
- ✦Quay khung 180° mà cho ΔΦ = 0. Đúng là |ΔΦ| = 2BS.
- ✦Nói "B cảm ứng luôn ngược chiều B": khi Φ giảm thì cùng chiều.
- ✦Quên nhân số vòng N trong |e| = N|ΔΦ|/Δt, hoặc nhân N hai lần (đã tính Φ cho cả khung rồi lại nhân N).
📏 Kiểm tra đơn vị và độ lớn
- ✦1 Wb = 1 T·m²; 1 V = 1 Wb/s. 1 cm² = 10⁻⁴ m²; 1 mWb = 10⁻³ Wb.
- ✦Từ trường nam châm thường cỡ 0,01–1 T; khung dây trong lớp cỡ vài chục cm² ⇒ Φ một vòng cỡ 10⁻⁵–10⁻³ Wb.
- ✦Suất điện động cảm ứng trong bài tập phổ thông thường cỡ mV đến vài chục V. Ra hàng nghìn vôn là nên kiểm tra lại đơn vị.
- ✦Hỏi "độ lớn" thì trả lời số dương, bỏ dấu trừ của công thức.
✏️ Luyện tập
Làm xong mỗi nhóm bấm Kiểm tra. Câu sai có lời giải ngắn và nút quay lại phần kiến thức.
Từ thông
- 1Nhận biết
Từ thông qua một khung dây phẳng diện tích S đặt trong từ trường đều B được tính bằng (α là góc giữa vectơ cảm ứng từ và pháp tuyến của khung)
- 2Thông hiểu
Mặt phẳng khung dây chứa các đường sức của từ trường đều. Từ thông qua khung
- 3Thông hiểu Khung dây diện tích 100 cm² đặt trong từ trường đều B = 0,2 T, pháp tuyến của khung hợp với vectơ cảm ứng từ góc 60°. Từ thông qua khung là ·10⁻³ Wb.
- 4Thông hiểu
Tăng cảm ứng từ lên gấp đôi và giảm diện tích khung đi một nửa, giữ nguyên góc α. Từ thông qua khung
- 5Vận dụng
Khung dây diện tích 0,02 m² đặt trong từ trường đều B = 0,5 T, mặt khung hợp với các đường sức một góc 30°. Từ thông qua khung là
Khi nào có dòng cảm ứng
- 1Nhận biết
Dòng điện cảm ứng xuất hiện trong một mạch khi
- 2Thông hiểu
Trường hợp nào không xuất hiện dòng điện cảm ứng trong khung dây kín?
- 3Thông hiểu
Một nam châm thẳng được đặt đứng yên trong lòng một ống dây kín nối với điện kế. Kim điện kế
- 4Thông hiểu
Kéo một khung dây kín ra khỏi vùng có từ trường, người kéo thấy nặng tay hơn so với khi không có từ trường vì
Định luật Faraday
- 1Nhận biết
Theo định luật Faraday, độ lớn suất điện động cảm ứng trong một mạch kín tỉ lệ với
- 2Thông hiểu Từ thông qua một vòng dây kín giảm đều từ 0,6 Wb về 0 trong 0,3 s. Độ lớn suất điện động cảm ứng là V.
- 3Thông hiểu Ống dây 500 vòng, từ thông qua mỗi vòng tăng đều thêm 3·10⁻⁴ Wb trong 0,05 s. Độ lớn suất điện động cảm ứng là V.
- 4Vận dụng
Khung dây 100 vòng, diện tích 20 cm², đặt vuông góc với đường sức. Cảm ứng từ tăng đều từ 0,1 T lên 0,5 T trong 0,04 s. Điện trở khung 2 Ω. Cường độ dòng cảm ứng là
- 5Vận dụng Khung dây 200 vòng, diện tích 50 cm², ở trong từ trường đều B = 0,1 T. Ban đầu pháp tuyến của khung song song cùng chiều với vectơ cảm ứng từ. Quay khung 180° trong 0,5 s. Độ lớn suất điện động cảm ứng trung bình là V.
Chiều dòng cảm ứng
- 1Nhận biết
Định luật Lenz dùng để xác định
- 2Thông hiểu
Rút một nam châm ra xa một vòng dây kín. Từ trường do dòng cảm ứng sinh ra ở tâm vòng dây
- 3Thông hiểu
Đưa cực Bắc của nam châm thẳng lại gần một vòng dây kín. Nhìn từ phía nam châm, dòng cảm ứng trong vòng dây chạy
- 4Vận dụng
Thả một nam châm thẳng rơi trong lòng một ống nhôm dài đặt thẳng đứng. So với rơi tự do, nam châm
- 5Vận dụng
Một vòng dây kín nằm ngang. Thả rơi một nam châm thẳng đứng, cực Bắc ở dưới, xuyên qua vòng dây. Nhìn từ trên xuống, dòng cảm ứng trong vòng dây khi nam châm đang lại gần và khi nam châm đã đi qua và rời xa lần lượt chạy
🏆 Luyện theo dạng đề tốt nghiệp
Đề Vật lí có 3 phần: 18 câu 4 lựa chọn, 4 câu đúng/sai (mỗi câu 4 ý) và 6 câu trả lời ngắn (đáp số tối đa 4 ký tự, kể cả dấu − và dấu phẩy). Dưới đây là đủ 3 dạng, chỉ dùng kiến thức của bài này.
Phần I · Trắc nghiệm 4 lựa chọn
- 1Thông hiểu
Khung dây phẳng 100 vòng, diện tích 40 cm², đặt trong từ trường đều B = 0,25 T, mặt khung vuông góc với các đường sức. Từ thông qua một vòng dây là
- 2Thông hiểu
Từ thông qua một mạch kín tăng đều từ 0 lên 0,2 Wb trong 0,1 s đầu, giữ không đổi tới t = 0,3 s, rồi giảm đều về 0 lúc t = 0,5 s. Suất điện động cảm ứng có độ lớn lớn nhất trong khoảng thời gian
- 3Thông hiểu
Một nam châm thẳng rơi xuyên qua một vòng dây kín nằm ngang. Dòng điện cảm ứng trong vòng dây
Phần II · Đúng / sai
- 1Thông hiểu
Khung dây 200 vòng, diện tích 50 cm², đặt trong từ trường đều, mặt khung vuông góc với các đường sức. Cảm ứng từ giảm đều từ 0,4 T về 0 trong 0,2 s. Điện trở của khung là 4 Ω.
a)Lúc đầu từ thông qua mỗi vòng dây là 2·10⁻³ Wb.
b)Từ thông qua khung đang giảm nên trong khung không có dòng điện cảm ứng.
c)Độ lớn suất điện động cảm ứng là 2 V.
d)Dòng cảm ứng sinh ra từ trường ngược chiều với từ trường ban đầu.
- 2Vận dụng
Một khung dây phẳng quay đều quanh một trục nằm trong mặt khung và vuông góc với các đường sức của một từ trường đều.
a)Từ thông qua khung biến thiên theo thời gian.
b)Khi mặt khung vuông góc với các đường sức, từ thông qua khung bằng 0.
c)Đúng lúc từ thông qua khung lớn nhất thì suất điện động cảm ứng bằng 0.
d)Tăng tốc độ quay lên gấp đôi thì suất điện động cực đại không đổi.
Phần III · Trả lời ngắn
- 1Thông hiểu Khung dây diện tích 0,02 m² đặt trong từ trường đều B = 0,5 T, pháp tuyến của khung hợp với vectơ cảm ứng từ góc 60°. Từ thông qua khung là bao nhiêu mWb? Đáp số:
- 2Vận dụng Khung dây 100 vòng, diện tích 20 cm², đặt vuông góc với đường sức. Cảm ứng từ tăng đều từ 0 lên 0,6 T trong 0,05 s. Độ lớn suất điện động cảm ứng là bao nhiêu vôn? Đáp số:
- 3Vận dụng Ống dây 500 vòng, từ thông qua mỗi vòng giảm đều 3 mWb trong 0,1 s. Ống dây nối kín với mạch có điện trở tổng 10 Ω. Cường độ dòng cảm ứng là bao nhiêu ampe? Đáp số:
🎯 Bài này vào đề tốt nghiệp ở đâu?
- •Phần I hay hỏi công thức Φ = BS cos α và chỗ α là góc với pháp tuyến, điều kiện có dòng cảm ứng, và đọc đồ thị Φ(t) để biết lúc nào e lớn nhất, lúc nào e = 0.
- •Phần II thường cho một khung dây có B biến thiên đều: các ý tính Φ, |e|, I và chiều từ trường cảm ứng (ý dễ sai là Φ giảm thì B cảm ứng cùng chiều).
- •Phần III có thể yêu cầu tính |e| = N|ΔΦ|/Δt hoặc I = e/R. Đổi cm² sang m² trước khi tính.
Máy phát điện xoay chiều