Buzz
1. Suất điện động cảm ứng trong mạch kín
1.1. Khái niệm về Suất điện động cảm ứng
Dòng điện cảm ứng trong Lý 11 là một kiến thức thiết yếu mà các em cần nắm vững. Đây là hiện tượng xảy ra khi một dòng điện được sinh ra trong mạch kín đặt trong từ trường, thuộc vào lĩnh vực cảm ứng điện từ.
Dòng điện cảm ứng trong Lý 11 là một kiến thức quan trọng, các em cần hiểu rõ về nó. Dòng điện cảm ứng là hiện tượng xảy ra khi có dòng điện xuất hiện trong một mạch dẫn kín đặt trong từ trường.
Khi dòng cảm ứng xuất hiện trong một mạch kín (ký hiệu là C), điều này chứng tỏ sự tồn tại của một nguồn điện trong mạch. Suất điện động của nguồn này chính là suất điện động cảm ứng. Ta có thể định nghĩa suất điện động cảm ứng như sau:
Suất điện động cảm ứng là mức điện động cần thiết để tạo ra dòng điện cảm ứng trong mạch kín (C).
1.2. Định luật Faraday về cảm ứng điện từ
Định luật Faraday về cảm ứng điện từ được mô tả như sau:
Giả sử có một mạch kín (C) đặt trong từ trường, với từ thông qua mạch biến đổi với đại lượng ΔΦ trong thời gian Δt. Khi từ thông này thay đổi qua mạch, một công ΔA được sinh ra. Các nhà khoa học đã chứng minh rằng ΔA = iΔΦ.
Trong đó, I là cường độ dòng điện cảm ứng. Theo định luật Lenz – Faraday, lực từ tác động lên mạch (C) cản trở sự thay đổi từ thông. Vì vậy, ΔA được coi là công cản. Để dịch chuyển (C) và tạo ra biến thiên từ thông Φ, cần có ngoại lực tác động, và ngoại lực này phải thực hiện công lớn hơn công cản của lực từ.
ΔA’ = -ΔA = -iΔΦ
Độ lớn của công ΔA’ tương đương với tổng năng lượng từ bên ngoài cung cấp cho mạch (C) và chuyển hóa thành điện năng trong suất điện động cảm ứng ec, tương tự như điện năng sinh ra từ một nguồn điện trong khoảng thời gian Δt.
Chúng ta có công thức như sau:
ΔA' = ec iΔt
So sánh giữa các công thức của ΔA′ cho phép chúng ta xác định công thức của suất điện động cảm ứng như sau:
.png)
Nếu chỉ xem xét độ lớn của ec (bỏ qua dấu), thì:
.png)
.png)
Suất điện động cảm ứng trong mạch kín tỉ lệ thuận với tốc độ thay đổi của từ thông qua mạch đó.
Phát biểu này chính là định luật cơ bản của hiện tượng cảm ứng điện từ, hay còn gọi là định luật Faraday.
.jpg)
2. Mối liên hệ giữa suất điện động cảm ứng và định luật Lenz - Faraday
- Định luật Lenz-Faraday được xây dựng để xác định chiều của dòng điện cảm ứng. Định luật này được phát biểu như sau:
- Chiều của dòng điện cảm ứng là chiều mà từ trường do nó tạo ra sẽ tác động ngược lại với nguyên nhân gây ra dòng điện.
- Theo định luật này, nếu từ thông qua mạch kín gia tăng, từ trường cảm ứng sẽ tạo ra để chống lại sự gia tăng đó, nghĩa là từ trường cảm ứng sẽ ngược chiều với từ trường ngoài. Ngược lại, nếu từ thông giảm, từ trường cảm ứng sẽ chống lại sự giảm đó và cùng chiều với từ trường ngoài.
- Định luật Lenz đảm bảo sự nhất quán với định luật bảo toàn năng lượng cơ bản trong vật lý. Khi chúng ta thực hiện công để thay đổi từ thông (chẳng hạn như di chuyển thanh nam châm so với mạch kín), công này được chuyển hóa thành điện năng trong dòng điện cảm ứng.
* Mối liên hệ:
- Dấu “-” trong công thức ec được đưa vào để phù hợp với định luật Lenz.
- Đầu tiên, cần định hướng mạch kín (C). Sau đó, dựa trên chiều đã chọn trên (C), ta xác định chiều pháp tuyến dương để tính từ thông Φ qua mạch kín (C) (trong đó Φ là đại lượng đại số).
+ Nếu Φ tăng lên thì ec < 0: điều này cho thấy chiều của suất điện động cảm ứng (hay chiều dòng điện cảm ứng) ngược với chiều của mạch kín (C).
+ Nếu Φ giảm, thì ec > 0: điều này chứng tỏ chiều của suất điện động cảm ứng (hoặc chiều của dòng điện cảm ứng) trùng với chiều của mạch kín (C).
3. Chuyển hóa năng lượng trong hiện tượng cảm ứng điện từ
Khi có một mạch kín trong từ trường ổn định, để tạo ra sự thay đổi từ thông, cần tác động một ngoại lực vào mạch để gây ra dịch chuyển. Ngoại lực này sẽ thực hiện công cơ học, và công này sẽ chuyển hóa thành suất điện động cảm ứng trong mạch, tức là tạo ra điện năng.
Trong thí nghiệm này, quá trình chuyển hóa năng lượng diễn ra từ cơ năng thành điện năng.
4. Các ứng dụng của hiện tượng cảm ứng điện từ
Hiện tượng cảm ứng điện từ đã gây ra một cuộc cách mạng lớn trong lĩnh vực kỹ thuật ứng dụng.
Hiện tượng cảm ứng điện từ hiện nay được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như y tế, không gian, công nghiệp, và nhiều lĩnh vực khác, nhằm phục vụ nhu cầu của con người. Dưới đây là một số ứng dụng tiêu biểu của cảm ứng điện từ trong đời sống:
- Quạt điện: Hầu hết các hệ thống làm mát, bao gồm quạt điện, đều sử dụng động cơ điện hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ. Tất cả các thiết bị điện đều hoạt động nhờ từ trường sinh ra bởi dòng điện, theo nguyên lý của lực Lenz.
- Bếp từ: Khác với bếp gas sử dụng nhiệt từ lửa hoặc bếp điện sử dụng bộ phận làm nóng, bếp từ làm nóng nồi nấu bằng cách sử dụng cảm ứng từ. Dòng điện cảm ứng trực tiếp làm nóng dụng cụ nấu, giúp tăng nhiệt độ trong bếp rất nhanh. Bếp từ sử dụng một cuộn dây đồng đặt dưới một lớp vật liệu cách nhiệt.
Dòng điện xoay chiều được truyền qua cuộn dây đồng tạo ra từ trường biến đổi, gây ra từ thông liên tục và từ hóa nồi nấu. Nồi nấu trở thành lõi từ của máy biến áp, tạo ra dòng điện Fuco mạnh mẽ trong nồi. Dòng điện Fuco này tạo ra lực hãm điện từ, gây hiệu ứng tỏa nhiệt Jun-Lenz, làm nóng đáy nồi và thức ăn bên trong.
- Đèn huỳnh quang: Hệ thống chiếu sáng phổ biến hiện nay sử dụng đèn huỳnh quang với chấn lưu hoạt động theo nguyên lý điện từ. Khi bật đèn, điện áp cao được tạo ra ở hai đầu đèn, phóng điện qua đèn và hình thành các ion. Các ion này tác động lên bột huỳnh quang, làm đèn phát sáng.
- Máy phát điện: Máy phát điện chủ yếu sử dụng năng lượng cơ học để tạo ra điện. Nó bao gồm một cuộn dây quay trong từ trường, và nguyên lý hoạt động của nó là tạo ra dòng điện xoay chiều khi cuộn dây quay đều trong từ trường.
- Ứng dụng trong y học
Trường điện từ đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong các thiết bị y tế tiên tiến và hiện đại.
Một ví dụ tiêu biểu trong y học là các phương pháp như điều trị tăng thân nhiệt cho bệnh nhân ung thư, cấy ghép, hoặc chụp cộng hưởng từ (MRI).
5. Cách giải bài tập về suất điện động cảm ứng
Các bài tập về suất điện động cảm ứng thường yêu cầu xác định giá trị của suất điện động cảm ứng và cường độ dòng điện cảm ứng.
+ Khi từ thông qua mạch thay đổi, suất điện động cảm ứng được sinh ra. Giá trị của suất điện động cảm ứng tỉ lệ thuận với tốc độ thay đổi từ thông qua mạch.
+ Công thức tính suất điện động cảm ứng là:
.png)
VD1: Một mạch kín có hình dạng hình vuông với cạnh dài 10 cm, đặt vuông góc với một từ trường đều thay đổi theo thời gian. Tốc độ thay đổi của từ trường là bao nhiêu nếu cường độ dòng điện cảm ứng là 2A và điện trở của mạch là 15 Ω?
Giải thích:
Chúng ta có:
.png)
VD2: Một khung dây có diện tích S = 10cm2 và bao gồm 10 vòng, được đặt trong một từ trường đều. Véc tơ cảm ứng từ tạo với mặt phẳng của khung dây một góc 30° và có độ lớn 2.10^-3 T. Khi từ trường giảm dần đều đến 0 trong 0,01 giây, tính suất điện động cảm ứng xuất hiện trong khung dây trong khoảng thời gian từ trường thay đổi.
Giải:
Ta có:
