Phân tích chương Cảm ứng điện từ

-Qua một điểm trong từ trường luôn vẽ được một đường cảm ứng từ-Đường cảm ứng từ là đường cong khép kín hoặc vô hạn ở hai đầu -Các đường cảm ứng từ không cắt nhau -Quy ước vẽ số đường cả

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU

“Phân tích chương trình Vật Lý phổ thông” là một học phần quan trọng của chuyên ngànhPhương pháp dạy học vật Lý nhằm nghiên cứu mục tiêu, nhiệm vụ của từng chương, từng phầnkiến thức, cấu trúc chương trình, nội dung logic kiến thức được trình bày trong SGK Vật Lý phổthông, đồng thời nghiên cứu những đơn vị kiến thức theo chuẩn kiến thức, chuẩn kĩ năng và cách

tổ chức hoạt động dạy học, lưu ý nhấn mạnh một số kiến thức cụ thể

Trước yêu cầu đổi mới phương pháp dạy học theo tinh thần phát huy tính tích cực chủ động củahọc sinh, mỗi giáo viên phải tự bồi dưỡng về phương pháp và hình thức tổ chức dạy học, nắm thậtvững, thật chắc cấu trúc logic, nội dung, cơ sở hình thành những kiến thức trong sách giáo khoa.Hiện nay bộ sách giáo khoa Vật lí mới đã được đưa vào sử dụng với nhiều kiến thức mới và mởrộng, không chỉ học sinh gặp nhiều khó khăn trong khi học mà ngay cả giáo viên cũng gặp nhiều khó

khăn trong việc giảng dạy Do đó việc nghiên cứu và phân tích chương trình Vật lí là một nhiệm vụ

cấp thiết, quan trọng, làm nền tảng cơ sở cho giáo viên có thể tổ chức hoạt động dạy học một cáchhiệu quả

Với lý do trên, tôi tiến hành phân tích kiến thức chương “Cảm ứng điện từ” Vật lí 11 nângcao

NỘI DUNG

1 Nhiệm vụ: Tìm hiểu, nghiên cứu về hiện tượng cảm ứng điện từ, các khái niệm, định luật

và những ứng dụng liên quan đến hiện tượng này

2 Đối tượng nghiên cứu: Hiện tượng cảm ứng điện từ, thí nghiệm cảm ứng điện từ, từ

thông, suất điện động cảm ứng, hiện tượng tự cảm

3 Cấu trúc chương: nằm cuối cùng trong phần Điện học- Điện từ học, các kiến thức của

chương này được giải quyết nhờ vận dụng những kiến thức của chương Từ trường

4 Chuẩn kiến thức, chuẩn kĩ năng cần đạt:

4.1 Chuẩn kiến thức

- Mô tả được thí nghiệm về hiện tượng CƯĐT

- Viết được công thức tính từ thông qua một diện tích, nêu được đơn vị đo từ thông Nêuđược cách làm biến đổi từ thông

- Phát biểu được định luật faraday về CƯĐT và định luật Len-zơ về chiều dòng điện cảmứng

- Nêu được hiện tượng tự cảm

- Nêu được khái niê ̣m độ tự cảm và đơn vị đo độ tự cảm

- Nêu được từ trường trong lòng ống dây có dòng điện chạy qua và mọi từ trường đều mangnăng lượng

- Viết được công thức tính năng lượng của từ trường trong lòng ống dây có dòng điện chạyqua.

4.2 Chuẩn kĩ năng

- Tiến hành được thí nghiệm về hiện tượng cảm ứng điện từ

- Vận dụng được công thức φ =BScos α

- Hiện tượng cảm ứng điện từ.Từ thông Suất điện động cảm ứng

- Hiện tượng tự cảm Suất điện động tự cảm Độ tự cảm

- Năng lượng từ trường trong ống dây

6 Phân tích các nhóm kiến thức cơ bản:

6.1 Hiện tượng cảm ứng điện từ

6.1.1 Từ thông:

Trong không gian của một từ trường bất kì, vectơ cảm ứng từ có thể biến đổi từ điểm nàysang điểm khác cả về hướng và độ lớn Vì vậy, để có một hình ảnh khái quát nhưng cụ thể về sựbiến đổi ấy, người ta đưa ra khái niệm đường cảm ứng từ

“Đường cảm ứng từ là một đường cong vạch ra trong từ trường sao cho tiếp tuyến tại mọi điểm của nó trùng với phương của vectơ cảm ứng từ tại những điểm ấy, chiều của đường cảm ứng từ là chiều của vectơ cảm ứng từ”

Đường cảm ứng từ có các tính chất sau:

-Qua một điểm trong từ trường luôn vẽ được một đường cảm ứng từ

-Đường cảm ứng từ là đường cong khép kín hoặc vô hạn ở hai đầu

-Các đường cảm ứng từ không cắt nhau

-Quy ước vẽ số đường cảm ứng từ qua một đơn vị diện tích nằm vuông góc với phương của từtrường tỉ lệ với độ lớn của vectơ cảm ứng từ tại nơi đặt diện tích đó

Xét một diện tích dS đủ nhỏ trong từ trường sao cho vectơ cảm ứng từ qua diện tích ấy có thể coinhư bằng nhau tại mọi điểm Ta đưa ra khái niệm từ thông gứi qua diện tích dS là đại lượng có giá trị

Số đường cảm ứng từ vẽ qua diện tích dS n vuông góc với từ trường tỉ lệ với tích BdS n Nhưvậy, số đường cảm ứng từ qua dS cũng tỉ lệ với BdS n, tức là tỉ lệ với từ thông.

Nếu muốn tính từ thông qua một diện tích S có kích thước lớn nằm trong một từ trường bất

kì, chia S thành các diện tích khá nhỏ dS sao cho trên mỗi phần tử ấy vectơ cảm ứng từ là khôngđổi Như vậy, từ thông gửi qua diện tích lớn là

S BdS

âm hoặc dương phụ thuộc vào góc α Dựa vào công thức trên, nếu thay đổi α , Br, dSr thì từthông qua dS cũng sẽ thay đổi Trong hệ SI, đơn vị của cảm ứng từ B là Tesla, đơn vị của S là

2

m , lúc đó đơn vị của từ thông là Wb.

+ Định lý Ôxtrôgrađxki – Gauss (O-G) đối với từ trường

Đối với điện trường, định lí O – G được phát biểu “Điện thông gởi qua mặt kín bất kì thìbằng tổng các điện tích chứa trong mặt kín đó chia cho hằng số điện ε0” Bằng cách suy luậntương tự, định lí O – G đối với từ trường có thể phát biểu như sau: Từ thông gởi qua mặt kín bất

kì thì bằng tổng các từ tích chứa trong mặt kín đó chia cho hằng số từ μ0 Tuy nhiên, sự khácnhau căn bản giữa điện trường và từ trường ở chỗ điện trường (tĩnh) được gây bởi các điện tíchđứng yên, cò từ trường được gây ra bởi các điện tích chuyển động Cho tới ngày nay, người tachưa hề tìm thấy các từ tích trong tự nhiên

Vì lí do đó định lí O – G đối với từ trường được phát biểu như sau: “Từ thông gửi qua bất kỳ mặt kín nào cũng bằng không”

Biểu thức:

6.1.2 Hiê ̣n tươ ̣ng cảm ứng điê ̣n từ

a Thí nghiê ̣m về hiê ̣n tượng cảm ứng điê ̣n từ (Thí nghiê ̣m của Faraday)

Lấy một ống dây điện và mắc nối tiếp nó với một điện kế thành một mạch kín như hình vẽ(h4) Phía bên ống dây, ta đặt một thanh nam châm SN Nếu đẩy thanh nam châm lại gân vòngdây, thì một điều kì lạ xảy ra:

Trong lúc nam châm đang chuyển động(và chỉ trong lúc chuyển động) thì kim điện kế bị lệch

đi, chứng tỏ có dòng điện chạy trong ống dây Không những thế, càng dịch chuyển nhanh namchâm, thì độ lệch của kim điện kế càng lớn Khi ta ngừng chuyển động của thanh nam châm, độlệch cũng dừng lại và kim điện kế trở về số không Nếu ta kéo nam châm ra xa, thì trong lúc namchâm chuyển động kim điện kế cũng bị lệch nhưng theo chiều ngược lại, chứng tỏ dòng điệntrong ống dây có chiều ngược lại

Nếu ta tráo cực nam châm sao cho cực nam (mà không phải cực bắc như trước) đối diện vớiống dây thì thí nghiệm cũng vẫn diễn ra như trước, có điều là chiều lệch của kim điện kế ngược

với trước đây Nhiều thử nghiệm khác cho phép khẳng định điều cốt lỏi ở đây là chuyển động tương đối giữa nam châm và ống dây Không có gì khác giữa việc ta đưa nam châm lại gần ống dây hay đưa ống dây lại gần nam châm.

Dòng điện xuất hiện trong ống dây gọi là dòng điện cảm ứng, và công làm chuyển động điện tích để tạo ra dòng điện chạy trên ống dây tính cho một đơn vị diện tích được gọi là suất điện động cảm ứng

Suất điện động cảm ứng này có vai trò quan trọng trong đời sống hàng ngày, của chúng ta Qua thí nghiệm đó, Faraday đã rút ra những kết luận tổng quát sau:

a) Sự biến đổi từ thông qua mạch kín là nguyên nhân sinh ra dòng điện cảm ứng trongmạch đó

b) Dòng điện cảm ứng ấy chỉ tồn tại trong thời gian từ thông gửi qua mach thay đổi.c) Cường độ dòng điện cảm ứng tỉ lệ thuận với tốc độ biến đổi từ thông

d) Chiều của dòng điện cảm ứng phụ thuộc vào từ thông gửi qua mạch tăng hay giảm.Trong sgk trình bày thêm 1 thí nghiê ̣m nữa: Khi con chạy di chuyển trên biến trở thì trong ốngdây xuất hiện dòng điện, nếu con chạy ngừng lại, kim điện kế trở về số 0 Kết luận: khi cường độdòng điện thay đổi, từ trường do dòng điê ̣n sinh ra trong ống dây cũng thay đổi, số đường sức từqua vòng dây thay đổi thì trong ống dây xuất hiện dòng điện

b Hiê ̣n tượng cảm ứng điê ̣n từ là hiê ̣n tượng khi từ thông qua một khung dây dẫn kín biến thiên thì trong khung dây xuất hiê ̣n một dòng điê ̣n Và dòng điê ̣n được sản sinh ra go ̣i là

dòng điê ̣n cảm ứng

c Dòng điê ̣n cảm ứng là dòng điê ̣n xuất hiê ̣n khi có sự biến đổi từ thông qua mạch kín.

6.1.3 Suất điê ̣n đô ̣ng cảm ứng

a Nguồn điê ̣n:

Điều kiện để có dòng điện trong vật dẫn là phải tạo ra ở hai đầu vật dẫn một hiệu điện thế

Giả sử có hai quả cầu kim loại mang điện A và B có cùng độ lớn điện tích nhưng trái dấunhau, có điện thế lần lượt là V và A V với B V A >V B Nối hai quả cầu bằng một dây dẫn kimloại thì các electron tự do trong dây dẫn sẽ chuyển động từ B sang A tạo nên dòng điệ n Do

sự dịch chuyển này mà các điện tích trái dấu nhau trên hai quả cầu dần trung hòa, hai quả cầu

có cùng hiệu điện thế Lúc này, điều kiện để có dòng điện mất đi Như vậy, lực tĩnh điện lông không thể duy trì được dòng điện không đổi Hay nói cách khác, nếu chỉ có trường tĩnhđiện thì dòng điện chỉ tồn tại trong một thời gian rất ngắn

Muốn duy trì dòng điện bên trong vật dẫn cần giữ cho hiệu điện thế V và A V có giá trị B

không đổi Vật đóng vai trò tạo ra và duy trì hiệu điện thế để duy trì dòng điện trong mạch gọi lànguồn điện Nguồn điện luôn có hai cực, cực dương (+) luôn nhiễm điện dương và cực âm (-)luôn nhiễm điện âm, giữa hai cực đó bao giờ cũng duy trì một hiệu điện thế Muốn tạo ra các cựcnhiễm điện như vậy cần thực hiện một công để tách các electron ra khỏi nguyên tử trung hòa vàđưa các electron và ion dương được tạo thành như thế tách ra khỏi mỗi cực Các hạt tải điệndương chuyển động từ phía cực âm sang phía cực dương, các hạt tải điện âm chuyển động từphía cực dương sang phía cực âm để bù lại điện tích đã mất đi, chuyển động này ngược với chiềuđiện trường giữa các cực Vì lực Cu-lông tác dụng lên electron và ion dương là lực hút nên loạilực để tách chúng ra xa nhau và chuyển động ngược chiều điện trường phải có bản chất khác vớilực tĩnh điện, các lực đó người ta gọi là lực lạ

Xét theo quan điểm năng lượng thì ta cũng thấy rằng để duy trì dòng điện cần phải có mộtlực lạ sinh công để di chuyển các điện tích bên trong nguồn Điện trường tĩnh là trường thế, côngcủa lực điện trường khi di chuyển theo một đường cong kín là bằng không Tuy nhiên, dòng điệnchạy qua dây dẫn lại làm đây dẫn nóng lên, nghĩa là đã tỏa năng lượng dưới dạng nhiệt năng Do

đó, cần phải có nguồn điện mà bên trong nó, ngoài lực Cu-lông còn có một lực khác mà côngcủa lực này dọc theo đường cong kín khác không, nghĩa là lực này cung cấp năng lượng cho cáchạt mang điện để chúng tỏa nhiệt cho vật dẫn khi chuyển động bên trong vật dẫn, lực đó đượcgọi là lực lạ Như vậy, nguồn điện không có tác dụng tạo thêm các điện tích mà có vai trò nhưmột “máy bơm điện tích”, hay nói cách khác, nguồn điện là nguồn năng lượng Trong các loạinguồn điện khác nhau thì lực lạ có bản chất khác nhau, trong pin và acquy thì lực lạ là lực liênkết phân tử, trong các máy phát điện dùng hiện tượng cảm ứng điện từ thì lực lạ là lực điện từ…Vậy, quá trình thực hiện công của lực lạ đó gắn liền với quá trình chuyển hóa từ một dạng nănglượng nào đó (hoá năng, cơ năng, nhiệt năng, năng lượng mặt trời…) thành điện năng

b Suất điê ̣n đô ̣ng

Khi nối nguồn điện bằng một vật dẫn tạo thành mạch kín thì trong mạch xuất hiện dòng điện.Nguồn điện có khả năng thực hiện công lên một các hạt tải điện nên mỗi nguồn điện có một suất

điện động đặc trưng cho khả năng sinh công của lực lạ bên trong nguồn điện Định nghĩa “suất điện động của một nguồn điện là công mà nguồn điện thực hiện trên một đơn vị điện tích để dịch chuyển điện tích từ cực có điện thế thấp đến cực có điện thế cao”

Đối với dòng điện một chiều:

ξ=A

q (1)Đơn vị của suất điện động trong hệ SI là Jun trên Cu-lông (J/C), trong chương trình ta địnhnghĩa đơn vị đó là Vôn (V)

Nguồn điện lí tưởng là một dụng cụ không có sự cản trở nội đối với chuyển động bên trongcủa điện tích từ cực này đến cực kia Hiệu điện thế giữa hai cực của nguồn điện lí tưởng bằng

dAξ=

dq

suất điện động của nguồn điện đó Ví dụ, một acquy lí tưởng có suất điện động 12V thì hiệu điệnthế giữa hai cực của acquy cũng bằng 12V.

Tuy nhiên, trong thực tế, bên trong nguồn điện nào cũng có sự cản trở nội đối với chuyểnđộng bên trong của điện tích từ cực này đến cực kia Như vậy nguồn điện cũng có điện trở, gọi làđiện trở trong của nguồn điện Khi mạch ngoài hở, hiệu điện thế giữa hai điện cực bằng suất điệnđộng của nó Khi mạch điện kín, hiệu điện thế giữa hai điện cực khác với suất điện động của nó

Có thể tưởng tượng cơ chế hoạt động của nguồn điện thông qua mô hình người nâng các quảcầu từ sàn lên giá và cho chúng lăn trên các máng nghiêng Trong quá trình này, người đã dùnglực của cơ bắp để thực hiện công thắng công cản của tro ̣ng lực, đưa các quả cầu từ sàn lên trêngiá Như vâ ̣y, người tương tự như nguồn điê ̣n, lực cơ bắp tương tự lực la ̣, tro ̣ng lực tương tự lựcCu-lông trong nguồn điê ̣n Công do người thực hiện nhờ tiêu hao nguồn năng lượng dự trữ sinhhóa nội và thể hiện ra bên ngoài bằng sự tăng nhiệt độ trên bề mă ̣t tiếp xúc Cũng như thế, nguồnđiện thực hiện công lên các hạt tải điện bằng cách sử dụng nguồn hóa năng của nó và thể hiện rabên ngoài bằng sự tăng nhiệt độ của điện trở Thêm nữa, sự chuyển vận của các điện tích cuốicùng sẽ dừng lại nếu acquy không được bổ sung nguồn dự trữ hóa năng bằng cách nạp điện choacquy Sự nâng các quả cầu từ sàn lên giá cũng sẽ dừng lại nếu người không được bổ sung nguồn

dự trữ năng lượng sinh hóa bằng cách ăn để thêm năng lươ ̣ng

c Suất điê ̣n đô ̣ng cảm ứng

Xét ống MN có chiều dài l, chuyển động với vận tốc v trong từ trường đều có cảm ứng từ Bur,khi đó êlectron trong ống MN đang chuyển động trong từ trường sẽ chịu tác dụng của lựcLorenxơ

Giả sử cảm ứng từ B ur

có chiều đi vào như hình vẽ, lực Lorenxơ sẽ làm electron chuyển động

về phía M Do đó, đầu N thừa electron, đầu M thiếu electron Trong đoạn MN xuất hiện điệntrường Eur hướng từ N đến M, Eur gọi là điện trường cảm ứng Lúc này, electron chịu tác dụng củahai lực, lực điện trường F r

Ta thấy, lực lạ ở đây chính là lực Lo-ren-xơ Suất điện động cảm ứng trong mạch xuất hiện

là do lực Lo-ren-xơ gây ra Theo công thức tính suất điện động cảm ứng của nguồn điện trên

Dấu trừ đưa vào để nói về chiều của suất điện động cảm ứng

6.1.4 Các đi ̣nh luâ ̣t về hiê ̣n tượng cảm ứng điê ̣n từ

6.1.4.1 Định luật cảm ứng điện từ Faraday

Sự xuất hiện dòng điện cảm ứng chứng tỏ trong mạch có một suất điện động (s.đ.đ) Suấtđiện động ấy được gọi là s.đ.đ cảm ứng Faraday đã nghiên cứu định lượng các yếu tố ảnh hưởngđến độ lớn của s.đ.đ cảm ứng Ông đã khảo sát được s.đ.đ càng lớn nếu từ trường biến đổi càngnhanh, song s.đ.đ không chỉ tỉ lệ đơn giản vào sự biến thiên của từ trường mà chính xác là nó tỉ lệvới sự biến thiên từ thông gởi qua khung dây Do vậy mà ban đầu, khi phân tích các kết quả thínghiệm, Faraday đã phát biểu như sau :

Một lực điện động sinh ra bởi cảm ứngkhi từ trưòng quanh vật dẫn điện thay đổi Độ lớn của lực điện động cảm ứng tỉ lệ thuận với độ thay đổi của từ thông qua vòng mạch điện.

Từ khái niệm từ thông, có thể phát biểu định luật Faraday một cách định lượng: “Suất điện động cảm ứng luôn bằng về trị số, nhưng trái dấu với tốc độ biến thiên của từ thông gởi qua vòng dây đó”

ε = -dΦ

dt Trong hệ SI, s.đ.đ có đơn vị là V (vôn), còn tốc độ biến thiên của từ thông theo thời gianđược đo bằng Wb/s

Nếu thay đổi từ thông qua cuộn dây có N vòng, mổi vòng xuất hiện một suât điện động cảmứng, và các suất điện động cảm ứng này cộng vào nhau giống như các pin mắc nối tiếp Nếucuộn dây quấn chặt, từ thông qua các vòng đều như nhau thì suất điên động cảm ứng trong cuộndây là

dΦ

ε = -N

dt

Biểu thức định lượng của s.đ.đ cảm ứng đối

với trường hợp riêng của mạch điện kín cũng có

thể tìm được dựa trên cơ sở của định luật bảo

toàn năng lượng.

Xét một mạch điện như hình bên, đoạn dây

dẫn MN chuyển động được và tiếp xúc điện với

hai thanh ray, và được đặt trong một từ trường B

vuông góc với mặt phẳng của mạch Khi từ thông qua mạch kín EFMN biến thiên thì trong mạchxuất hiện dòng điện cảm ứng I và s.đ.đ Thanh MN chịu tác dụng của lực Ampe sau thời gian dt

sẽ dịch chuyển được một đoạn dx, như vậy công do lực Ampe thực hiện được sau thời gian dt là:

dA = Fadx = IBldx = IBdS = IdΦ

Trong đó:

Fa : là lực Ampe

I : dòng điện cảm ứng trong mạch

l : chiều dài của thanh từ M đến N

ldx : độ biến thiên diện tích dS của mạch

dΦ : độ biến thiên từ thông qua mạch

Nếu điện trở của mạch là R, theo định luật Jun-Lenx, nhiệt lượng tỏa ra trong mạch sauthời gian dt sẽ là I2Rdt

Theo định luật bảo toàn năng lượng, công toàn phần do nguồn có suất điện động dùng đểtỏa nhiệt Jun-Lenx và để dịch chuyển đoạn MN trong từ trường:

εIdt = I 2Rdt + I dΦ (1)

hay

I =

dΦ

ε +

-dtR

  (2)

Công thức (1) là định luật Ôhm cho đoạn

mạch Trong công thức (2), ngoài biểu thức s.đ.đ còn

có thêm biểu thức của s.đ.đ cảm ứng

εcu = −d dtΦ

6.1.4.2 Quy tắc bàn tay phải

Quy tắc bàn tay phải được áp dụng để xác định

chiều dòng điện cảm ứng trong trường hợp có sự

chuyển động của mạch điện Thực ra, quy tắc bàn tay phải có thể được thay thế bằng quy tắc bàntay trái bởi vì nếu xác định được chiều của lực lorenxơ tác dụng lên các hạt mang điện tự do ởtrong mach thì sẽ suy ra được chiều của dòng cảm ứng Tuy nhiên, quy tắc bàn tay phải hiện nayvẩn được sử dụng do tính thuân tiện của nó và do thói quen

Quy tắc bàn tay phải: “Đặt bàn tay phải hứng các đường cảm ứng từ, ngón cái choải ra 90 o

hướng theo chiều chuyển động của đoạn dây, khi đó đoạn dây dẫn đóng vai trò như một nguồn điện, chiều từ cổ tay đến bốn ngón tay chỉ chiều từ cực âm sang cực dương của nguồn điện đó”.

6.1.4.3 Định luật Len-xơ về chiều dòng điện cảm ứng

Như vậy, khi từ thông qua một mạch kín biến thiên thì trong mạch xuất hiện dòng điện cảmứng Vậy chiều của dòng điện cảm ứng tuân theo qui luật nào?

Nghiên cứu hiện tượng CƯĐT, Len-xơ đã tìm ra định luật tổng quát về chiều dòng điện cảmứng, gọi là định luật Len-xơ:

Dòng điện cảm ứng xuất hiện trong một mạch điện kín có chiều sao cho nó chống lại sự biến đổi đã sinh ra nó

Giải thích: