Khởi động: 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?
Lời giải:
- 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.
I. Từ thông
Câu hỏi: Từ biểu thức (16.1) Φ = BScosα 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.
Lời giải:
Từ biểu thức (16.1) hãy cho biết trong trường hợp sau thì từ thông qua vòng dây diện tích S giới hạn bởi dẫn kín ( C) có trị số bằng 0, có trị số dương, có trị số âm:
- Trị số bằng 0:
+ Khi cảm ứng từ bằng 0: lúc này không có từ trường thì từ thông qua vòng dây luôn bằng 0.
+ Khi diện tích S bằng 0: vòng dây không có diện tích thì từ thông qua vòng dây cũng bằng 0.
+ Khi thì : do đó từ thông qua dây bằng 0
- Trị số dương khi cảm ứng từ, diện tích S đều lớn hơn 0 và góc hợp bởi vecto cảm ứng từ với mặt phẳng vòng dây luôn là góc nhọn.
- Trị số âm khi cảm ứng từ, diện tích S luôn dương và góc hợp bởi vecto cảm ứng từ với mặt phẳng vòng dây luôn là góc tù.
Hoạt động: Để làm từ thông biến thiên, có thể biến đổi từng đại lượng B, S, α trong biểu thức (16.1). Hãy đề xuất các cách có thể 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).
Nếu dòng điện đi vào chốt G, và ra chốt (-) thì kim điện kế lệch về phía (+) (lệch sang phải); ngược lại, kim điện kế lệch về phía (-) (lệch sang trái).
Lời giải:
Trường hợp 1: Khung dây dẫn đặt cạnh nam châm vĩnh cửu (Hình 16.4).
- Đưa nam châm lại gần hoặc ra xa khung dây
- Đưa khung dây lại gần hoặc ra xa nam châm
Trường hợp 2: Khung dây dẫn đặt cạnh nam châm điện (Hình 16.5).
- Đưa nam châm điện lại gần hoặc ra xa khung dây
- Đưa khung dây lại gần hoặc ra xa nam châm điện
- Thay đổi cường độ dòng điện qua nam châm điện
II. Hiện tượng cảm ứng điện từ
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 hoạ hiện tượng cảm ứng điện từ.
Lời giải:
- Dụng cụ:
1 nam châm vĩnh cửu
1 cuộn dây dẫn kín
1 điện kế
1 công tắc
- Cách tiến hành:
+ Nối cuộn dây dẫn kín với điện kế.
+ Đưa nam châm lại gần cuộn dây.
+ Quan sát điện kế.
- 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.
Thí nghiệm 1
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.
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.
Lời giải:
1. Kim điện kế dịch chuyển khi đang thực hiện di chuyển nam châm lại gần hoặc ra xa cuộn dây. Kim điện kế lệch khỏi vạch số 0 chứng tỏ đã xuất hiện dòng điện cảm ứng trong cuộn dây.
2. Giải thích sự biến thiên từ thông: khi dịch chuyển nam châm thì số đường sức từ qua cuộn dây thay đổi dẫn đến từ thông qua cuộn dây thay đổi.
3. Khi từ thông qua cuộn dây dẫn kín biến thiên thì trong cuộn dây dẫn đó xuất hiện một dòng điện gọi là dòng điện cảm ứng. Hiện tượng xuất hiện dòng điện cảm ứng trong cuộn dây dẫn gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ.
Hiện tượng này chỉ tồn tại trong khoảng thời gian từ thông qua cuộn dây dẫn kín biến thiên.
Thí nghiệm 2
Chuẩn bị:
Nam châm điện (1), cuộn dây (2), điện kế (3), khoá K (4), nguồn điện (5), biến trở (6) và các dây dẫn.
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 khoá K.
- Đóng khoá 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 khoá 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 khoá K, đại lượng nào trong công thức (16.1) thay đổi làm xuất hiện dòng điện cảm ứng trong cuộn dây dẫn kín?
Lời giải:
1. Khi đóng, ngắt khoá K hoặc di chuyển con chạy trên biến trở thì kim điện kế có lệch khỏi vạch 0. Vì:
- Khi đóng khoá K, thì mạch điện kín, xuất hiện dòng điện cảm ứng, dòng điện đi qua điện kế nên kim điện kế sẽ lệch khỏi vạch 0.
- Khi mở khoá K thì mạch hở và không có dòng điện cảm ứng ở đây nên kim điện kế sẽ về 0.
2. Khi đóng hoặc ngắt khoá K, đại lượng trong công thức (16.1) thay đổi làm xuất hiện dòng điện cảm ứng trong cuộn dây dẫn kín là từ thông.
III. Chiều dòng điện cảm ứng. Định luật Lenz
Hoạt động: Hãy xác định chiều quấn của cuộn dây (2) trong thí nghiệm 2 (Hình 16.7) và vận dụng định luật Lenz để kiểm chứng chiều dòng điện cảm ứng trong cuộn dây này khi đóng hoặc ngắt khoá K (4).
Lời giải:
- 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.
IV. Suất điện động cảm ứng. Định luật Faraday
Hoạt động: 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.
Lời giải:
Dựa vào hình vẽ thấy thanh MN đang trượt từ phải sang trái, sử dụng quy tắc bàn tay trái xác định được chiều dòng điện chạy từ N đến M, Q, P.
Do mặt phẳng khung dây vuông góc với cảm ứng từ nên chọn góc α = 0o, do đó
Em có thể: Nêu được nguyên tắc hoạt động của máy phát điện.
Lời giải:
- Máy phát điện hoạt động dựa trên nguyên tắc cảm ứng điện từ. Nguyên tắc này nói rằng: Khi một cuộn dây dẫn kín di chuyển trong từ trường, trong cuộn dây sẽ xuất hiện dòng điện cảm ứng.
+ Nguyên tắc hoạt động: Khi rôto quay trong từ trường, từ thông qua cuộn dây dẫn điện trong stato sẽ biến thiên. Theo định luật Faraday, sự biến thiên từ thông này sẽ sinh ra dòng điện cảm ứng trong cuộn dây. Chiều dòng điện cảm ứng được xác định theo định luật Lenz. Tần số của dòng điện cảm ứng phụ thuộc vào tốc độ quay của rôto và số vòng dây của cuộn dây trong stato. Biên độ của dòng điện cảm ứng phụ thuộc vào cường độ từ trường và số vòng dây của cuộn dây trong stato.