Mở đầu: Dòng điện tạo ra từ trường ở không gian xung quanh nó. Từ trường có gây ra dòng điện được không?
Lời giải:
Mỗi khi từ thông qua mặt giới hạn bởi mạch điện kín biến thiên theo thời gian thì trong mạch xuất hiện dòng điện.
Dòng điện xuất hiện khi có sự biến thiên từ thông qua mạch điện kín được gọi là dòng điện cảm ứng. Suất điện động sinh ra dòng điện cảm ứng trong mạch kín được gọi là suất điện động cảm ứng.
Như vậy, ta cũng có thể nói khi có sự biến thiên của từ thông qua một mặt giới hạn bởi một mạch kín thì trong mạch xuất hiện suất điện động cảm ứng.
Hiện tượng xuất hiện suất điện động cảm ứng là hiện tượng cảm ứng điện từ và hiện tượng này chỉ tồn tại trong khoảng thời gian từ thông qua mạch kín biến thiên.
Hiện tượng cảm ứng điện từ được Michael Faraday (Mai-con Fa-ra-đây), người Anh tìm ra năm 1831.
I. Từ thông
Câu hỏi 1: Một vòng dây dẫn phẳng có diện tích 0,10 m2 được đặt vuông góc với từ trường có độ lớn cảm ứng từ là 2,0.10-3 T. Tính từ thông qua vòng dây này.
Lời giải:
Từ thông
Tìm hiểu thêm 1: Xét một mạch kín (C), trong đó có dòng điện với cường độ i. Dòng điện này gây ra một từ trường và từ trường đó gây ra một từ thông qua (C) được gọi là từ thông riêng của mạch. Từ thông này tỉ lệ với cảm ứng từ của từ trường do dòng điện sinh ra và cảm ứng từ đó lại tỉ lệ với cường độ dòng điện. Vậy từ thông riêng của mạch tỉ lệ với cảm ứng từ của cường độ dòng điện trong mạch đó: Φ = Li
L được gọi là độ tự cảm của (C) và có đơn vị trong hệ SI là henry (H).
Hãy tìm hiểu thông tin về độ tự cảm của một cuộn dây dẫn điện.
Lời giải:
- Độ tự cảm (hay từ dung) của một cuộn dây dẫn điện là hệ số tỷ lệ giữa từ thông riêng của mạch và cường độ dòng điện chạy qua cuộn dây. Ký hiệu là L, đơn vị là Henry (H).
- Các yếu tố ảnh hưởng đến độ tự cảm:
+ Số vòng dây: Độ tự cảm tỉ lệ với bình phương số vòng dây.
+ Diện tích tiết diện: Độ tự cảm tỉ lệ với diện tích tiết diện của cuộn dây.
+ Chiều dài: Độ tự cảm tỉ lệ nghịch với chiều dài của cuộn dây.
+ Vật liệu lõi: Độ tự cảm phụ thuộc vào vật liệu lõi, ví dụ như sắt, thép, hay không khí.
- Ứng dụng:
+ Mạch lọc: Cuộn dây có độ tự cảm cao được sử dụng để lọc nhiễu trong mạch điện.
+ Mạch cộng hưởng: Cuộn dây có độ tự cảm được sử dụng trong mạch cộng hưởng để tạo ra dao động điện từ.
+ Biến áp: Cuộn dây có độ tự cảm được sử dụng trong biến áp để truyền năng lượng điện từ mạch này sang mạch khác.
II. Hiện tượng cảm ứng điện từ
Câu hỏi 2: Lập phương án và thực hiện phương án thí nghiệm minh hoạ được hiện tượng cảm ứng điện từ với các dụng cụ thực hành ở trường.
Lời giải:
Thí nghiệm minh hoạ đơn giản:
Chuẩn bị: Nam châm (1), cuộn dây (2), điện kế (3) và các dây dẫn.
Tiến hành:
- 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 chuyển cực Bắc của nam châm ra xa cuộn dây.
Kết quả: kim điện kế bị lệch.
Câu hỏi 3: Ở thí nghiệm (Hình 3.3), từ thông qua ống dây biến thiên như thế nào trong hai trường hợp sau đây?
- Khi đưa cực bắc của nam châm lại gần ống dây.
- Khi đưa cực bắc của nam châm ra xa ống dây.
Lời giải:
Khi đưa cực bắc của nam châm lại gần ống dây, do càng gần về đầu của nam châm thì mật độ đường sức càng lớn nên khi đó mật độ đường sức qua diện tích các vòng dây sẽ tăng dẫn tới từ thông qua ống dây cũng sẽ tăng.
Khi đưa cực Bắc của nam châm ra xa ống dây thì tương tự, mật độ đường sức qua diện tích các vòng dây sẽ giảm do ra xa đầu cực Bắc của nam châm, do đó từ thông qua ống dây sẽ giảm.
Vì khi lại gần hoặc ra xa, từ thông qua ống dây đều có sự biến thiên tăng hoặc giảm, do đó trong dây dẫn sẽ xuất hiện dòng điện cảm ứng tương ứng trong mạch.
Câu hỏi 4: Nêu điểm giống và khác nhau giữa thí nghiệm ở Hình 3.3 và thí nghiệm ở Hình 3.4
Lời giải:
Câu hỏi 5: Ở thí nghiệm Hình 3.6, nếu đưa cực nam của nam châm lại gần đầu 1 của ống dây thì đầu 1 là cực nào của ống dây?
Lời giải:
- Khi đưa nam châm lại gần ống dây, độ lớn của từ thông qua ống dây tăng và từ trường của dòng điện cảm ứng trong ống dây ngược chiều với từ trường của nam châm. Khi đó, từ trường của dòng điện cảm ứng ngăn cản nam châm lại gần nó. Vì vậy, muốn đưa được nam châm lại gần ống dây ta phải tốn một công để thắng sức cản này, hay nói cách khác, ống dây đang đẩy thanh nam châm ra xa, do đó đầu 1 của ống dây sẽ là cực bắc.
Luyện tập 1: Khung dây MNPQ quay trong từ trường đều. Tìm chiều của dòng điện cảm ứng trong khung dây tại thời điểm mặt phẳng khung dây song song với phương của đường sức từ (Hình 3.7).
Lời giải:
Dựa vào chiều quay của khung dây (mũi tên màu đỏ) và hướng của cảm ứng từ (đường màu xanh) sử dụng quy tắc bàn tay trái xác định được chiều của dòng điện chạy theo chiều NMQP. Tuy nhiên đây là dòng điện cảm ứng sinh ra do hiện tượng cảm ứng điện từ nên chiều dòng điện sẽ ngược lại có chiều MNPQ.
Kiểm chứng lại bằng quy tắc bàn tay phải xác định chiều dòng điện cảm ứng.
Tìm hiểu thêm 2: Ở hình 3.8, ta phải tác dụng lực làm cho đoạn dây MN di chuyển cắt các đường sức của từ trường tạo ra dòng điện chạy qua nó. Đối với những trường hợp như vậy, có thể xác định chiều của dòng điện cảm ứng bằng quy tắc bàn tay phải (hình 3.9)
Đặt bàn tay phải sao cho các đường sức từ đâm xuyên vào lòng bàn tay, ngón tay cái choãi ra 90 o chỉ chiều chuyển động của dây dẫn thì chiều từ cổ tay đến các ngón tay chỉ chiều dòng điện cảm ứng
Hãy nêu một ví dụ áp dụng quy tăc bàn tay phải
Lời giải:
- Quy tắc bàn tay phải (hình 3.9) giúp xác định chiều dòng điện cảm ứng khi một đoạn dây dẫn chuyển động cắt các đường sức từ. Đặt bàn tay phải sao cho các đường sức từ đâm vào lòng bàn tay, ngón cái chỉ chiều chuyển động của dây dẫn, khi đó chiều từ cổ tay đến các ngón tay sẽ chỉ chiều dòng điện cảm ứng. Ví dụ, nếu bạn có một dây dẫn đang di chuyển vuông góc với một từ trường, và bạn biết chiều của từ trường và chiều chuyển động của dây, bạn có thể dùng quy tắc này để xác định chiều của dòng điện cảm ứng chạy trong dây.
IV. Giải thích một số ứng dụng hiện tượng cảm ứng điện từ
Câu hỏi 6: Nếu thay đĩa kim loại đặc trong Hình 3.11 bằng đĩa có xẻ rãnh (Hình 3.12) thì dao động sẽ diễn ra lâu hơn. Giải thích tại sao.
Lời giải:
Tấm kim loại xẻ rãnh dao động lâu hơn, vì khi đó điện trở của tấm kim loại đối với dòng Fu-cô tăng, làm cho cường độ dòng Fu-cô giảm.
Luyện tập 2: Hình 3.13 mô tả sơ lược sơ đồ nguyên lí hoạt động của một loại đàn ghita điện.
Phía dưới mỗi dây đàn có một nam châm được đặt bên trong một cuộn dây dẫn. Cuộn dây dẫn được nối với máy tăng âm. Đoạn dây đàn ở sát bên trên nam châm bị từ hoá. Khi gảy đàn thì trong cuộn dây có dòng điện cảm ứng. Dòng điện cảm ứng này được biến đổi qua máy tăng âm và loa làm ta nghe được âm do dây đàn phát ra. Giải thích vì sao khi gảy đàn thì trong cuộn dây có dòng điện cảm ứng.
Lời giải:
Phía dưới mỗi dây đàn có một nam châm được đặt bên trong một cuộn dây dẫn. Khi một dây đàn điện cung cấp bởi một nguồn năng lượng bên ngoài (ví dụ: bằng cách gảy dây đàn), các dây đàn này tạo ra từ trường xung quanh chúng.
Nam châm bên dưới phản ứng với từ trường tạo ra từ dây đàn, tạo ra một dòng điện trong cuộn dây dẫn.
Sự thay đổi của từ trường từ nam châm (do độ gần của dây đàn khi được gảy thay đổi) tạo ra một dòng điện trong cuộn dây dẫn.
Theo nguyên lý cảm ứng điện từ của Faraday, khi một dòng từ trường thay đổi qua một cuộn dây dẫn, nó tạo ra một điện áp (hoặc điện thế) trong cuộn dây đó.
Câu hỏi 7: Tại sao lõi biến áp như Hình 3.14 lại làm giảm được cường độ dòng điện xoáy trong nó.
Lời giải:
- Vì các lá thép mỏng được ghép lại với nhau làm cho điện trở lõi biến áp tăng lên, giảm cường độ dòng điện xoáy trong nó.
V. Mô hình sóng điện từ
Câu hỏi 8: Từ lớp 11, bạn đã biết, trong vùng không gian bao quanh một điện tích có điện trường. Liệu quanh điện tích đó có cả điện trường và từ trường không?
Lời giải:
Khi một từ trường biến thiên theo thời gian sẽ sinh ra một điện trường xoáy trong không gian xung quanh và ngược lại, khi một điện trường biến thiên theo thời gian sẽ sinh ra một từ trường biến thiên theo thời gian trong không gian xung quanh.
Như đã biết, bao quanh một điện tích đứng yên sẽ xuất hiện điện trường và tác dụng lên các điện tích đặt trong điện trường đó, nếu điện tích đó di chuyển, có nghĩa là sẽ có sự biên thiên của điện trường xung quanh điện tích, khi đó sẽ xuất hiện một từ trường xoáy bao quanh điện tích.
Câu hỏi 9: Sóng điện từ là gì? Hãy lấy ví dụ về dụng cụ có thể thu và phát sóng điện từ thường được dùng trong cuộc sống.
Lời giải:
Sóng điện từ là sự lan truyền điện từ trường trong không gian.
Dụng cụ thu phát sóng điện từ như: điện thoại, bộ đàm, …
Câu hỏi 10: Sử dụng mô hình sóng điện từ, chứng tỏ rằng sóng điện từ truyền được trong chân không.
Lời giải:
Trong chân không (không có vật chất), phương trình sóng điện từ cho thấy rằng sóng điện từ có thể lan truyền thông qua không gian mà không cần một phương tiện truyền truyền thống như chất lỏng hoặc chất rắn. Trường điện và từ trường biến đổi theo thời gian và không gian, tạo ra sóng điện từ. Do tốc độ của sóng điện từ trong chân không là một giá trị cố định, nên không cần một vật chất truyền, như không khí hoặc nước, để sóng điện từ lan truyền, vậy nên sóng điện từ có thể lan truyền được trong chân không.
Luyện tập 3: Ở hai vị trí A và B cách nhau 1 km có hai nguồn phát sóng điện từ giống hệt nhau. Tín hiệu mà máy thu sóng nhận được có như nhau tại các vị trí khác nhau không? Tại sao?
Lời giải:
Tín hiệu mà máy thu sóng nhận được có thể khác nhau tại các vị trí khác nhau (vị trí A và vị trí B) trong trường hợp các nguồn phát sóng điện từ giống hệt nhau. Nguyên nhân chính đằng sau điều này là sự phản xạ và giao thoa sóng điện từ.
Phản xạ sóng:
+ Khi sóng điện từ gặp phải một bề mặt phản xạ, như mặt đất hoặc các cấu trúc như tòa nhà, một phần của năng lượng sóng sẽ bị phản xạ và điều này có thể tạo ra các hiện tượng giao thoa và tạo ra một điểm pha mới.
+ Ở vị trí A và vị trí B, sự phản xạ từ các vật thể xung quanh có thể khác nhau, dẫn đến sự khác biệt trong tín hiệu thu nhận được.
Giao thoa sóng:
+ Khi hai sóng điện từ từ hai nguồn phát cùng pha gặp nhau, chúng có thể tạo ra hiện tượng giao thoa. Tại một số điểm, sự giao thoa có thể làm tăng cường tín hiệu, trong khi ở các điểm khác, nó có thể dẫn đến sự suy giảm hoặc hủy bỏ tín hiệu.
+ Tại các vị trí khác nhau như A và B, sự kết hợp của các sóng từ hai nguồn phát có thể dẫn đến sự thay đổi trong tín hiệu thu nhận được.
Do các yếu tố phức tạp như phản xạ và giao thoa sóng, tín hiệu thu nhận được có thể khác nhau tại các vị trí khác nhau (vị trí A và vị trí B) trong trường hợp hai nguồn phát sóng điện từ giống hệt nhau.
Vận dụng: Giá trị cực đại của suất điện động cảm ứng trong một khung dây quay trong từ trường có mối liên hệ với độ lớn của cảm ứng từ B, diện tích tiết diện thẳng của cuộn dây S, số vòng dây N và tần số quay f của khung dây. Sử dụng định luật Faraday hãy giải thích tại sao suất điện động cảm ứng tỉ lệ thuận với các đại lượng này.
Lời giải:
Suất điện động cảm ứng:
Suất điện động cảm ứng tỉ lệ thuận với độ lớn của cảm ứng từ B, diện tích tiết diện thẳng của cuộn dây S, số vòng dây N và tần số quay f của khung dây