1. Từ thông là gì?
- Định nghĩa:
Giả sử có một đường cong kín (C) bao quanh một mặt có diện tích S, đặt trong từ trường đều. Vectơ từ thông trên mặt S có độ dài bằng đơn vị theo hướng xác định (tùy ý chọn) và được gọi là vectơ pháp tuyến dương. Gọi α là góc giữa vectơ từ thông và mặt S, từ thông qua mặt S ký hiệu là Φ, được tính bằng: Φ = B.S.cosα. Từ thông thể hiện số đường sức từ xuyên qua một diện tích nhất định.
- Công thức và đơn vị đo lường
Từ thông qua một diện tích S trong từ trường đều được tính như sau:
Φ = B.S.cosα
Trong đó:
+ Φ là giá trị của từ thông;
+ B là cảm ứng từ, đo bằng đơn vị tesla (T);
+ S là diện tích của mặt kín C, đo bằng m2;
+ α là góc giữa vectơ pháp tuyến và mặt S
Khi đặt một khung dây có N vòng, từ thông qua khung dây được tính như sau:
Φ = N.B.S.cosα
+ Trong hệ đo lường quốc tế (SI), đơn vị của từ thông là weber, ký hiệu là Wb.
1 Wb = 1 T.1 m2.
- Mở rộng
Từ thông là một đại lượng đại số. Dấu của từ thông phụ thuộc vào hướng của vectơ pháp tuyến được chọn.
Nếu α là góc nhọn (0 < α < 90°), thì từ thông Φ sẽ dương.
Nếu α là góc tù (90° < α < 180°), thì từ thông Φ sẽ âm.
Khi α = 90°, thì từ thông Φ bằng 0.
Khi α = 0°, thì từ thông Φ bằng B.S
Từ công thức tính từ thông, ta có thể xác định giá trị của B, S, hoặc α.
2. Ý nghĩa của từ thông
Thực tế, nhiều thiết bị sử dụng hiện tượng cảm ứng điện từ để hoạt động.
Một số ứng dụng của hiện tượng này trong cuộc sống hàng ngày bao gồm:
- Bếp từ: Ví dụ điển hình của cảm ứng từ là bếp từ (hay bếp điện từ).
Khác với các loại bếp sử dụng lửa hoặc điện, bếp từ hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ.
Bếp từ có cấu tạo gồm một cuộn dây đặt dưới mặt bếp bằng gốm thủy tinh hoặc vật liệu cách nhiệt khác. Cuộn dây này tạo ra từ trường biến thiên với tần số cao. Khi bật bếp, dòng điện xoay chiều đi qua cuộn dây, tạo ra từ trường biến thiên trên cuộn dây.
Khi đặt nồi lên bếp từ, đáy nồi bị nhiễm từ, sinh ra dòng điện Fu-cô. Dòng điện này gây ra lực hãm điện từ, làm cho đáy nồi và thức ăn bên trong nóng lên nhờ hiệu ứng tỏa nhiệt Jun-Lenxơ.
- Quạt điện: Tất cả các loại quạt điện và thiết bị làm mát đều hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ. Dòng điện được chuyển đổi thành từ trường, làm quay động cơ và cánh quạt.
- Ý nghĩa của từ thông và ứng dụng của cảm ứng điện từ trong công nghiệp:
+ Sản xuất dòng điện xoay chiều và chế tạo máy phát điện:
Máy phát điện chủ yếu bao gồm các dây dẫn điện quấn quanh lõi sắt (gọi là Stato) và một nam châm vĩnh cửu.
Dòng điện Fu-cô chạy trong kim loại chuyển đổi cơ năng thành năng lượng điện. Các nguồn cơ năng sơ cấp có thể bao gồm động cơ tua bin hơi, tua bin nước, tua bin gió, động cơ đốt trong và các nguồn cơ năng khác.
+ Máy biến dòng:
Còn được gọi là máy biến dòng điện hoặc C.T (Current Transformer).
Thiết bị này dùng để chuyển đổi dòng điện cao thành dòng điện chuẩn 5A hoặc 10A.
Tất cả các thiết bị điện trong nhà máy đều phải sử dụng máy biến dòng để tránh tình trạng chập cháy hoặc sự thay đổi đột ngột của dòng điện gây hư hỏng thiết bị.
- Biến đổi dòng điện xoay chiều:
Một ứng dụng quan trọng khác của cảm ứng điện từ là máy biến áp. Máy biến áp là thiết bị chuyển đổi điện năng xoay chiều từ một cấp điện áp này sang cấp khác nhờ vào từ trường. Máy biến áp giảm áp có điện áp sơ cấp cao hơn điện áp thứ cấp, trong khi máy biến áp tăng áp làm ngược lại. Các công ty điện lực sử dụng máy biến áp tăng áp để nâng điện áp lên 100 kV, giảm dòng điện và tổn thất điện năng trong truyền tải. Ngược lại, các mạch điện gia dụng dùng máy biến áp giảm áp để giảm điện áp xuống 220V phục vụ cho các thiết bị điện trong nhà.
- Các loại cảm biến đo lưu lượng:
Cảm biến đo lưu lượng điện từ được dùng để đo vận tốc của chất lỏng.
Cấu tạo của cảm biến đo lưu lượng bao gồm một đường ống cách điện, nơi chất lỏng đang chảy qua.
Theo định luật Faraday, suất điện động được tạo ra trong cuộn dây tỷ lệ thuận với tốc độ dòng chất lỏng chảy qua.
Khi xác định được suất điện động này, ta có thể tính được tốc độ dòng chất lỏng trong đường ống.
3. Một số bài tập cơ bản về từ thông
Bài 1: Một cuộn dây có hệ số tự cảm L = 0,1 (H), với cường độ dòng điện qua cuộn dây là 2 (A). Tính từ thông của cuộn dây.
Bài giải:
Áp dụng công thức tính từ thông, ta có: Φ = L.i = 0,1.2 = 0,2 (Wb)
Kết quả: 0,2 Wb.
Bài 2: Một cuộn dây có hệ số tự cảm L = 0,1 (H), với từ thông qua cuộn dây là 0,5 Wb. Tính cường độ dòng điện qua cuộn dây.
Bài giải:
Áp dụng công thức từ thông: Φ = L.i => i = Φ / L = 0,5 / 0,1 = 5 (A)
Kết quả: 5 A.
Bài 3: Một khung dây phẳng có diện tích S = 5 cm2 và gồm 20 vòng dây, đặt trong từ trường đều với cảm ứng từ B = 0,1 T, sao cho mặt phẳng của khung dây tạo góc 60° với vectơ cảm ứng từ. Tính từ thông qua diện tích khung dây.
Hướng dẫn
α = ( → n , → B ) = 30°
Φ = N.B.S.cos α = 8,7.10^-4 Wb.
Bài 4: Một khung dây hình vuông với cạnh dài 5 cm nằm trong từ trường đều với cảm ứng từ B = 8.10-4 T. Từ thông qua khung dây là 10-6 Wb. Xác định góc giữa véc tơ cảm ứng từ và véc tơ pháp tuyến của khung dây.
Hướng dẫn: Φ = N.BS.cos α => cosα = 0,5 => α = 60°
Bài tập 5: Một khung dây có tiết diện hình tròn với bán kính 20 cm, đặt vuông góc với các đường sức từ trong từ trường đều với B = 2/10-5T. Tính giá trị từ thông xuyên qua khung dây.
Hướng dẫn
Bài 6: Một khung dây hình tam giác vuông với cạnh huyền dài 10 cm và một cạnh góc vuông dài 8 cm được đặt trong từ trường đều sao cho các đường sức từ vuông góc với khung dây. Từ thông xuyên qua khung dây là 1,2.10-7 Wb. Tính cảm ứng từ B.
Hướng dẫn
Bài 7: Một khung dây hình tròn với đường kính d = 10 cm và dòng điện I = 20A chạy qua dây dẫn. a/ Tính cảm ứng từ B tại tâm khung dây do dòng điện tạo ra. b/ Tính từ thông xuyên qua khung dây.
Hướng dẫn
Bài 8: Một cuộn dây có chiều dài l = 40 cm và gồm 4000 vòng, với dòng điện I = 10A chảy qua. a/ Tính cảm ứng từ B bên trong cuộn dây. b/ Đặt một khung dây hình vuông có cạnh a = 5 cm đối diện với cuộn dây, tính từ thông xuyên qua khung dây.
Hướng dẫn
Bài 9: Một khung dây đặt trong từ trường đều với cảm ứng từ B = 0,06 T sao cho mặt phẳng của khung dây vuông góc với các đường sức từ. Từ thông qua khung dây là 1,2.10−5 Wb. Xác định bán kính của vòng dây.
Hướng dẫn sử dụng:
α = ( → n , → B ) = 0o Φ = N.BS.cos α = BπR2cosα => R = 8.10-3 m
Dưới đây là các kiến thức liên quan đến công thức tính từ thông. Để tìm hiểu thêm về chủ đề này, vui lòng tham khảo: Vật lý 11: Công thức Thấu kính. Xin trân trọng cảm ơn.