b) Tính cường độ dòng điện chạy trong vòng dây dẫn đó biết rằng điện trở của ray rất bé có thể bỏ qua. c) Tính tốc độ tỏa nhiệt trong thanh kim loại. Vectơ vận tốc v của thanh vuông [r]
Trang 1- 1 -
CHƯƠNG V CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ
(SGK Vật Lý 11 trang 141-158 / SGK Vật Lý 11 NC trang 184-210)
TỪ THÔNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ
A Tóm tắt
1 Từ thông:
Xét một vòng dây kín, phẳng đặt trong một từ trường đều có cảm ứng từ B Vòng dây này giới hạn một phần mặt phẳng có diện tích S
Gọi n là vectơ pháp tuyến của mặt S, gọi = (n,B) là góc hợp bởi n và B
Từ thông qua diện tích S là đại lượng xác định bởi: = B.S.cos
Đơn vị: Nếu B = 1 T; S = 1 m2
(cosα=1) thì = 1 Wb
Trường hợp khung dây có N vòng dây, từ thông qua khung dây là = N.B.S.cos
2 Hiện tượng cảm ứng điện từ
Dòng điện cảm ứng là dòng điện xuất hiện khi có sự biến thiên từ thông qua một mạch điện kín
Hiện tượng xuất hiện dòng điện cảm ứng trong mạch điện gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ
3 Định luật Lentz về chiều dòng điện cảm ứng: Dòng điện cảm ứng có chiều sao cho từ trường do nó
sinh ra có tác dụng chống lại sự biến thiên của từ thông ban đầu qua mạch kín
4 Dòng điện Foucault: Dòng điện cảm ứng được sinh ra ở trong khối vật dẫn chuyển động trong từ trường hay được đặt trong từ trường biến đổi theo thời gian là dòng điện Foucault
B Đọc thêm
1 Ý nghĩa của từ thông: Từ thông tỉ lệ với số đường cảm ứng từ qua một diện tích nào đó
2 Tác dụng của dòng điện Foucault:
Trong nhiều trường hợp dòng điện Foucault gây nên những tổn hao năng lượng vô ích Để giảm tác dụng của dòng Foucault, người ta có thể tăng điện trở của khối kim loại
VD: rotor và stator của máy phát điện hay động cơ điện, lõi máy biến thế không phải là một khối sắt hay thép đúc liền mà người ta dùng các lá thép silic trên mặt có phủ một lớp chất cách điện, ghép sát với nhau
Hãm dao động của kim trong các cân nhạy; phanh điện từ ở các xe có tải trọng lớn; hãm chuyển động quay một cách nhanh chóng của đĩa quay trong công tơ điện
Dòng điện Foucault gây ra hiệu ứng tỏa nhiệt Joule – Lenz trong khối kim loại đặt trong từ trường biến thiên Tính chất này được ứng dụng trong các lò cảm ứng để nung chảy kim loại
C Trắc nghiệm
Chọn hình vẽ đúng
D Bài tập
1 Khung dây phẳng có diện tích 24 cm2 đặt trong từ trường đều có cảm ứng từ B = 2.10-5 T Véctơ cảm ứng
từ hợp với khung một góc 300 Tính từ thông qua khung dây dẫn đó
2 Một khung dây dẫn hình vuông cạnh 5 cm, đặt trong từ trường đều có cảm ứng từ B = 4.10-4 T Từ thông qua khung dây đó bằng 10-6
Wb Tính góc hợp bởi vectơ cảm ứng từ và vectơ pháp tuyến của khung dây
Ic
Ic
ư
v
Ic
ư
v
N S
Ic
ư
v
B
v 1
Ic
ư
v v
v 1
Icư = 0
00
v v
v
Ic
ư
I1
Ic
ư
R tăng
Trang 23 Cho một sợi dây đồng mỏng dài 5 m Ta uốn nó thành một vòng tròn và đặt vuông góc với một từ trường
đều có từ cảm 0,01 T Tính độ lớn từ thông gửi qua diện tích giới hạn bởi vòng dây
4 Một khung dây hình chữ nhật MN có 200 vòng, MN = 10 cm, M = 5 cm Khung được đặt trong từ
trường đều B = 5.10-2 T, đường sức từ qua đỉnh M vuông góc với cạnh MN và hợp với cạnh M của khung một góc 60o
Quay khung 180o quanh cạnh MN Tính giá trị độ biến thiên của từ thông qua khung
SUẤT ĐIỆN ĐỘNG CẢM ỨNG
A Tóm tắt
1 Suất điện động cảm ứng trong mạch kín là suất điện động sinh ra dòng điện cảm ứng trong mạch kín
2 Định luật Faraday: Độ lớn của suất điện động cảm ứng xuất hiện trong mạch kín tỉ lệ với tốc độ biến thiên
từ thông qua mạch kín đó
E=-Δt
* Trong hệ SI: [E ] = V; [] = Wb; [t] = s
B Đọc thêm
1 Bản chất của hiện tượng cảm ứng điện từ là quá trình chuyển hóa cơ năng thành điện năng
2 Hiện tượng cảm ứng điện từ là hiện tượng xuất hiện suất điện động cảm ứng trong mạch
C Trắc nghiệm Chọn phát biểu đúng
1 Suất điện động cảm ứng là suất điện động sinh ra dòng điện trong mạch kín
2 Độ lớn của suất điện động cảm ứng trong mạch kín tỉ lệ với độ lớn từ thông qua mạch
3 Chiều của suất điện động cảm ứng tuân theo định luật Lentz
4 Khi cho nam châm chuyển động qua một mạch kín, trong mạch xuất hiện dòng điện cảm ứng Điện năng
của dòng điện được chuyển hóa từ cơ năng
D Bài tập
1 Trong khoảng thời gian 0,2 s từ thông qua một khung dây giảm từ 1,2 Wb xuống còn 0,4 Wb Suất điện
động cảm ứng xuất hiện trong khung có độ lớn bằng bao nhiêu?
2 Một khung dây phẳng, diện tích 20 cm2, gồm 10 vòng dây đặt trong từ trường đều Vectơ cảm ứng từ làm thành với mặt phẳng khung dây một góc 300
và có độ lớn B = 2.10-4 T Người ta làm cho từ trường giảm đều đến không trong khoảng thời gian 0,01 s Suất điện động cảm ứng xuất hiện trong khung dây trong khoảng thời gian từ trường biến đổi là bao nhiêu?
3 Một khung dây phẳng, diện tích 25 cm2 gồm 10 vòng dây, khung dây được đặt trong từ trường có cảm ứng
từ vuông góc với mặt phẳng khung và có độ lớn tăng dần từ 0 đến 2,4.10-3
T trong khoảng thời gian 0,4 s Tìm độ lớn suất điện động cảm ứng xuất hiện trong khung trong khoảng thời gian có từ trường biến thiên
4 Một ống dây có hệ số tự cảm L = 0,1 H, cường độ dòng điện qua ống dây giảm đều đặn từ 2 A về 0 trong
khoảng thời gian là 4 s Tính suất điện động tự cảm xuất hiện trong ống trong khoảng thời gian đó
5 Một từ trường đều có độ lớn 0,08 T hướng vuông góc vào trong so với mặt phẳng giấy
như hình vẽ Một khung dây đặt trong mặt phẳng giấy có diện tích là 0,01 m2 Độ biến
thiên (tăng) của từ trường là 3.10-4 T/s Xác định chiều của dòng điện và độ lớn suất điện
động cảm ứng xuất hiện trong khung
6 *Cuộn dây dẫn dẹt hình tròn gồm N = 500 vòng, mỗi vòng có đường kính 20 cm Cuộn dây được đặt trong
một từ trường đều, vectơ B vuông góc với các mặt phẳng chứa vòng dây và có độ lớn B = 10-3 T giảm đều
Trang 3- 3 -
9 *Đặt một khung dây dẫn trong một từ trường không đổi, cảm ứng từ B = 0,2T Diện tích khung S =
900cm2, R = 2,4 Khung dây lúc đầu được đặt sao cho mặt khung vuông góc với đường sức từ trường Khi quay đều mặt phẳng khung xung quanh một trục vuông góc với đường sức từ 1 góc ( < ) thì trong thời gian đó, điện lượng dịch chuyển qua khung là q = 7,5.10-5C Xác định góc quay
10 *Cho một sợi dây đồng dài 50 cm đường kính 1 mm Ta uốn nó thành một vòng tròn và đặt vuông góc với
một từ trường đều, tăng theo thời gian với tốc độ 10,0 mT/s Tính tốc độ sinh năng lượng nhiệt trên vòng dây đó Cho điện trở suất của đồng = 1,75.10 –8 m
SUẤT ĐIỆN ĐỘNG CẢM ỨNG TRONG ĐOẠN DÂY DẪN CHUYỂN ĐỘNG
A Tóm tắt
1 Suất điện động cảm ứng E ở một đoạn dây dẫn chiều dài l chuyển động trong từ trường có cảm ứng từ
Bvới tốc độ v và (v B, ) MN; (v B, ) = là:E = Bvl|sin|
2 uy tắc bàn tay phải: Đặt bàn tay phải hứng các đường cảm ứng từ, ngón cái choãi ra 900 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 các ngón tay còn lại chỉ chiều từ cực âm sang cực dương của nguồn điện đó
B Bài tập
1 Một thanh dẫn điện chiều dài l = 25 cm bị kéo dọc theo hai thanh ray dẫn điện nằm ngang, không ma sát,
với vận tốc không đổi v = 3 m/s theo phương vuông góc với thanh Một từ trường đều
B = 1,2 T thẳng đứng hướng xuống, choán đầy không gian mà thanh kim loại chuyển
động
a) Tính suất điện động cảm ứng trong thanh kim loại và các cực của nguồn điện này?
b) Tính cường độ dòng điện chạy trong vòng dây dẫn đó biết rằng điện trở của ray rất bé có thể bỏ qua Điện trở thanh kim loại 6
c) Tính tốc độ tỏa nhiệt trong thanh kim loại
d) Nếu không có hệ ray thì giữa hai đầu thanh kim loại có suất điện động cảm ứng
không? Vì sao?
2 Trong thanh dẫn điện MN dài 80 cm chuyển động tịnh tiến đều trong từ trường đều
Vectơ vận tốc v của thanh vuông góc với thanh Vectơ cảm ứng từ Bvuông góc với
thanh và hợp thành với v góc = 300 Cho biết B = 0,06 T và v = 50 cm/s
a) Tính suất điện động cảm ứng trong thanh
b) Giả sử thanh MN và vectơ v đều nằm trong mặt phẳng trang giấy, vectơ cảm ứng từ B hướng từ phía
trước ra phía sau mặt phẳng trang giấy như trên hình bên Nếu nối hai đầu M và N
của thanh với một điện trở R = 0,02 thì dòng điện cảm ứng trong thanh có chiều
và cường độ như thế nào?
3 Cho mạch điện dựng thẳng đứng như hình vẽ Biết R = 1 đặt trong từ trường đều có
B = 0,5 T,vuông góc với mặt phẳng của mạch Thanh kim loại MN khối lượng 3 g dài
20 cm trượt không ma sát dọc theo hai thanh ray và luôn giữ phương nằm ngang.Vận
tốc của thanh có giá trị lớn nhất là bao nhiêu?
v
L
N
M
B
v
B
R
Trang 4TỰ CẢM
A Tóm tắt
1 Từ thông riêng qua một mạch kín có dòng điện chạy qua: = Li
Độ tự cảm của một ống dây: L = 410-7
l
N2
S
Đơn vị của độ tự cảm là henri (H): 1H = 1Wb/1A
2 Hiện tượng tự cảm là hiện tượng cảm ứng điện từ xảy ra trong một mạch mà sự biến thiên của từ thông
qua mạch được gây ra bởi sự biến thiên của cường độ dòng điện trong mạch
3 Suất điện động tự cảm là suất điện động cảm ứng trong mạch xuất hiện do hiện tượng tự cảm
Biểu thức: etc = L
t
i
Suất điện động tự cảm có độ lớn tỉ lệ với tốc độ biến thiên của cường độ dòng điện trong mạch
Suất điện động tự cảm có chiều chống lại sự biến thiên của dòng điện trong mạch
4 Năng lượng từ trường của ống dây tự cảm: W =
2
1
Li2
B Đọc thêm
1 Hệ số tự cảm của ống dây dài đặt trong không khí: 7 2
L 4 10 n V Với V là thể tích ống dây; n là số vòng dây trên một mét chiều dài
2 Hiện tượng tự cảm có nhiều ứng dụng trong các mạch điện xoay chiều Cuộn cảm là một phần tử quan
trọng trong các mạch điện xoay chiều có mạch dao động và các máy biến áp
C Trắc nghiệm Chọn phát biểu đúng
1 Từ thông riêng của một mạch kín phụ thuộc vàocường độ dòng điện qua mạch
2 Hệ số tự cảm của ống dây không phụ thuộc vào môi trường xung quanh
3 Hiện tượng tự cảm là hiện tượng cảm ứng điện từ do sự biến thiên từ thông qua mạch gây ra bởi sự chuyển
động của mạch đối với nam châm
4 Cường độ dòng điện trong mạch càng lớn thì suất điện động tự cảm càng lớn
5 Năng lượng của ống dây tự cảm tỉ lệ với bình phương cường độ dòng điện trong ống dây
D Bài tập
1 Một ống dây có hệ số tự cảm L = 0,1 H, cường độ dòng điện qua ống dây tăng đều đặn từ 0 đến 10 A trong
khoảng thời gian là 0,1 s Tính suất điện động tự cảm xuất hiện trong ống trong khoảng thời gian đó
2 Một ống dây dài 50 cm, diện tích tiết diện ngang của ống là 10 cm2 gồm 1000 vòng dây Tính hệ số tự cảm của ống dây
3 Ống dây điện hình trụ có lõi chân không chiều dài l = 40 cm, có N = 1000 vòng, diện tích mỗi vòng S =
200 cm2
a) Tính hệ số tự cảm của ống dây
b) Biết rằng dòng điện qua ống dây ấy tăng từ 0 đến 10 A trong 0,1 s Tính suất điện động tự cảm xuất hiện trong ống dây Giả sử dòng điện tăng lên một cách đều đặn
4 Một ống dây có hệ số tự cảm L = 0,01 H, có dòng điện I = 5 A chạy ống dây Tính năng lượng từ trường
trong ống dây
5 Một ống dây có hệ số tự cảm L = 0,01 H Khi có dòng điện chạy qua ống, ống dây có năng lượng 0,08 J
Trang 5- 5 -
NĂNG LƯỢNG CỦA TỪ TRƯỜNG
A Tóm tắt:
1 Năng lượng của ống dây có dòng điện i, có độ tự cảm L: 1 2
2
W Li
2 *Năng lượng từ trường: Xét từ trường đều B trong thể tích V Năng lượng từ trường trong vùng không
gian đó: W = 1
8 107B2V
3 *Mật độ năng lượng từ trường có cảm ứng từ B: w = 1
8 .10
7
.B2
B Bài tập
1 Ống dây điện hình trụ có lõi chân không được quấn với mật độ 5000vòng/m, ống có thể tích V = 200cm3 Biết rằng dòng điện qua ống dây ấy tăng từ 0 đến 5A trong 0,1s
a) Tính suất điện động tự cảm xuất hiện trong ống dây Giả sử dòng điện tăng lên một cách đều đặn b) Khi cường độ dòng điện qua ống dây đạt tới I = 5A thì ống dây tích lũy được một năng lượng bằng bao nhiêu?
2 Một ống dây dài 40 cm, đường kính 5 cm có 800 vòng dây quấn sát nhau Ống dây mang dòng điện cường
độ I = 8 A
a) Tính cảm ứng từ và năng lượng từ trường trong ống dây
b) Tính từ thông qua ống dây
c) Bây giờ ngắt ống dây khỏi nguồn điện Hãy tính suất điện động cảm ứng trong ống dây Coi rằng từ
thông qua ống dây giảm đều từ giá trị ban đầu đến 0 trong khoảng thời gian 0,02 s
3 Một cuộn dây có độ tự cảm 1,2 H và điện trở 8 , đột ngột được nối vào nguồn điện không đổi có suất điện động E = 100 V và điện trở trong r = 2
a) Hỏi dòng điện cân bằng bằng bao nhiêu ?
b) Khi có dòng điện này ở trong cuộn dây, năng lượng tồn trữ trong từ trường bằng bao nhiêu?
4 *Một ống dây thẳng dài 90,0 cm, có tiết diện 15,0 cm2, gồm 900 vòng Dây dẫn mang dòng điện cường độ 6,50 A
a) Tính mật độ năng lượng từ trường trong ống dây thẳng
b) Tìm năng lượng tồn trữ trong đó (bỏ qua các hiệu ứng ở đầu ống dây)
5 *Một điện trường đều phải có độ lớn bằng bao nhiêu để nó có cùng mật độ năng lượng với từ trường 0,50
T ?
6 *Một dây dẫn uốn thành vòng tròng bán kính 50 mm, có dòng điện 100 A chạy qua
a) Tìm cường độ từ trường tại tâm vòng tròn
b) Tính mật độ năng lượng tại tâm vòng tròn
