A)TÓM TẮT LÝ THUYẾT
1,Từ thông. Cảm ứng điện từ:
+Từ thông qua điện tích S đặt trong từ trường đều: $\phi =BS\cos \left( \overrightarrow{n},\overrightarrow{B} \right)$.
Với $\alpha $là góc giữa vectơ $\overrightarrow{B}$ và pháp tuyến $\overrightarrow{n}$ (dương) của mặt S.
Đơn vị từ thông là vêbe (Wb): 1Wb=1T.l m$^{2}$.
+Mỗi khi từ thông qua mạch kín (C) biến thiên thì trong mạch kín (C) xuất hiện một dòng điện gọi là dòng điện cảm ứng. Hiện tượng xuất hiện dòng điện cảm ứng trong (C) gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ.
+Các định luật:
$\bullet $ Định luật cơ bản về cảm ứng điện từ: Khi có sự biến đổi từ thông qua mặt giới hạn bởi một mạch điện kín thì trong mạch xuất hiện suất điện động cảm ứng.
Dòng điện cảm ứng chỉ tồn tại trong thời gian từ thông F biến thiên: nếu F ngừng biến đổi thì dòng điện cảm ứng tắt.
$\bullet $ Định luật Lenz: Dòng điện cảm ứng có chiều cao cho từ trường có tác dụng chống lại nguyên nhân đã sinh ra nó.
Khi từ thông $\phi $ qua C biến thiên do một chuyển động nào đó thì dòng điện cảm ứng xuất hiện trong C có chiều sao cho từ trường do dòng điện ấy sinh ra có tác dụng chống lại sự chuyển dời nói trên.
$\bullet $ Định luật Faraday: Suất điện động cảm ứng là suất điện động sinh ra dòng điện cảm ứng trong mạch kín, nó tỉ lệ với độ biến thiên từ thông qua mạch và tỉ lệ nghịch với khoảng thời gian của sự biến thiên ấy (tức là tỉ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông).
$\bullet $ Dòng điện Foucault : là dòng điện cảm ứng sinh ra ở trong khối vật dẫn (như khối kim loại chẳng hạn) khi những khối này chuyển động trong một từ trường hoặc đặt trong một từ trường biến thiên theo thời gian. Do tác dụng của dòng Foucault, mọi khối kim loại chuyển động trong từ trường đều chịu tác dụng của lực hãm điện từ. Dòng điện Foucault gây ra hiệu ứng tỏa nhiết Joule trong các lõi động cơ, máy biến áp…
+Dòng điện cảm ứng xuất hiện trong mạch kín có chiều sao cho từ trường cảm ứng có tác dụng chống lại sự biến thiên của từ thông ban đầu qua mạch kín.
+Khi từ thông qua (C) biến thiên do kết quả của một chuyển động nào đó thì từ trường cảm ứng có tác dụng chống lại chuyển động nói trên.
+Khi một khối kim loại chuyển động trong một từ trường hoặc được đặt trong từ trường biến thiên thì trong khối kim loại xuất hiện dòng điện cảm ứng gọi là dòng điện Fu-cô.
Mọi khối kim loại chuyển động trong từ trường đều chịu tác dụng của lực hãm điện từ. Tính chất này được ứng dụng trong các bộ phanh điện từ của những ô tô hạng nặng.
Khối kim loại chuyển động trong từ trường hoặc đặt trong từ trường biến thiên sẽ nóng lên. Tính chất này được ứng dụng trong các lò cảm ứng để nung nóng kim loại.
Trong nhiều trường hợp sự xuất hiện dòng Fu-cô gây nên những tổn hao năng lượng vô ích. Để giảm tác dụng nhiệt của dòng Fu-cô người ta tăng điện trở của khối kim loại bằng cách khoét lỗ trên khối kim loại hoặc thay khối kim loại nguyên vẹn bằng một khối gồm nhiều lá kim loại xếp liền nhau, cách điện đối với nhau.
2, Suất điện động cảm ứng:
+Khi từ thông qua mạch kín (C) biến thiên thì trong mạch kín đó xuất hiện suất điện động cảm ứng và do đó tạo ra dòng điện cảm ứng.
+Định luật Fa-ra-đay về suất điện động cảm ứng: ${{e}_{C}}=-N\frac{\Delta \phi }{\Delta t}$.
+Suất điện động cảm ứng xuất hiện trong một đoạn dây dẫn chiều chuyển động với vận tốc $\overrightarrow{v}$ trong từ trường có cảm ứng từ $\overrightarrow{B}$ bằng: ${{e}_{C}}=Blv\sin \alpha $
Trong đó $\overrightarrow{v}$ và $\overrightarrow{B}$ cùng vuông góc với đoạn dây và $\alpha $ là góc giữa $\overrightarrow{B}$ và $\overrightarrow{v}$.
+Sự xuất hiện của suất điện động cảm ứng trong đoạn dây đó tương đương với sự tồn tại của một nguồn điện trên đoạn dây đó; nguồn điện động bằng ${{\xi }_{C}}$ và có hai cực dương và âm được xác định bằng quy tắc bàn tay phải: đặt bàn tay phải duỗi thẳng để cho các đường cảm ứng từ (vectơ $\overrightarrow{B}$) hướng vào lòng bàn tay, ngón tay cái choãi ra chỉ chiều chuyển động của dây dẫn, khi đó chiều từ cổ tay đến ngón tay giữa là chiều đi qua nguồn tương đương từ cực âm sang cực dương.
+Chiều của dòng điện cảm ứng chạy trên đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường (khi đoạn dây là một phần của mạch kín) cũng được xác định bằng quy tắc bàn tay phải. Đặt bàn tay phải duỗi thẳng để cho các đường cảm ứng từ (vectơ $\overrightarrow{B}$) hướng vào lòng bàn tay, ngón tay cái choãi ra chỉ chiều chuyển động của dây dẫn, khi đó chiều từ cổ tay đến ngón tay giữa là chiều của dòng điện cảm ứng chạy qua đoạn dây đó.
3, Tự cảm:
+Trong mạch kín (C) có dòng điện có cường độ i chạy qua thì dòng điện i gây ra một từ trường, từ trường này gây ra một từ thông $\phi $ qua (C) được gọi là từ thông riêng của mạch: $\phi $=Li.
+Hệ số tự cảm của một ống dây dài : $L=4\pi {{10}^{-7}}\mu \frac{{{N}^{2}}}{l}S$.
Đơn vị độ tự cảm là henry (H).
+Hiện tượng tự cảm là hiện tượng cảm ứng điện từ xảy ra trong một mạch có dòng điện mà sự biến thiên từ thông qua mạch được gây ra bởi sự biến thiên của cường độ dòng điện trong mạch.
+Suất điện động tự cảm: ${{e}_{tc}}=-L\frac{\Delta i}{\Delta t}$.
+Năng lượng từ trường của ống dây có dòng điện: \[{{\text{W}}_{L}}=\frac{1}{2}L{{i}^{2}}\].
4, Các công thức:
+Từ thông qua điện tích S đặt trong từ trường: $\phi =NBS\cos \left( \overrightarrow{n},\overrightarrow{B} \right)$.
+Suất điện động cảm ứng: ${{e}_{C}}=-N\frac{\Delta \phi }{\Delta t}$.
+Hệ số tự cảm của ống dây: $L=4\pi {{.10}^{-7}}\mu \frac{{{N}^{2}}}{l}S$.
Nếu ống dây có lõi là vật liệu sắt từ có độ từ thẩm $\mu $ thì
$L=\mu {{10}^{-7}}4\pi \frac{{{N}^{2}}S}{l}$
+Từ thông tự cảm qua ống dây có dòng điện i chạy qua: $\phi =Li$.
+Suất điện động tự cảm: ${{e}_{tc}}=-L\frac{\Delta i}{\Delta t}$.
+Năng lượng từ trường của ống dây : \[{{\text{W}}_{L}}=\frac{1}{2}L{{i}^{2}}\]=$\frac{1}{8\pi }{{.10}^{7}}{{B}^{2}}V$.
+Mật độ năng lượng từ trường: w=$\frac{1}{8\pi }{{.10}^{7}}{{B}^{2}}$.
B)Ví dụ minh họa:
Ví dụ 1: Một vòng dây phẳng giới hạn diện tích S=5cm$^{2}$ đặt trong từ trường đều cảm ứng B=0,1T. Mặt phẳng vòng dây làm thành với $\overrightarrow{B}$ một góc $\alpha ={{30}^{0}}$. Tính từ thông qua S?
A.25.10$^{-5}$Wb B.25.10$^{-6}$Wb C.5.10$^{-5}$Wb D.5.10$^{-6}$Wb
Hướng dẫn:
Mặt phẳng vòng dây làm thành với $\overrightarrow{B}$ góc 30$^{0}$ nên góc giữa $\overrightarrow{B}$ và pháp tuyến $\overrightarrow{n}$ là 60$^{0}$. Do đó: $\phi =BS\cos \left( \overrightarrow{n},\overrightarrow{B} \right)={{25.10}^{-6}}$ Wb.
Chọn đáp án B.
Ví dụ 2: Một khung dây đặt trong từ trường đều có cảm ứng từ B=0,06 T sao cho mặt phẳng khung dây vuông góc với các đường sức từ. Từ thông qua khung dây là 1,2.10$^{-5}$ Wb. Tính bán kính vòng dây?
A.4mm B.6mm C.8mm D.10mm
Hướng dẫn:
Ta có: $\phi =BS\cos \left( \overrightarrow{n},\overrightarrow{B} \right)=B\pi {{R}^{2}}\cos \left( \overrightarrow{n},\overrightarrow{B} \right)$
$\Rightarrow R=\sqrt{\frac{\phi }{B\pi \cos \left( \overrightarrow{n},\overrightarrow{B} \right)}}={{8.10}^{-3}}$m = 8mm.
Chọn đáp án C.
Ví dụ 3: Một khung dây phẳng giới hạn diện tích S= 5cm$^{2}$ gồm 20 vòng dây đặt trong từ trường đều có cảm ứng từ B=0,1 T sao cho mặt phẳng khung dây hợp với vectơ cảm ứng từ một góc 60$^{0}$. Tính từ thông qua diện tích giới hạn bởi khung dây.
A.5.10$^{-4}$Wb B.5.10$^{-3}$Wb C.8,7.10$^{-3}$Wb D.8,7.10$^{-4}$Wb
Hướng dẫn:
Ta có: $\phi =NBS\cos \left( \overrightarrow{n},\overrightarrow{B} \right)=8,{{7.10}^{-4}}$ Wb.
Chọn đáp án D.
Ví dụ 4: Một khung dây phẳng điện tích 20cm$^{2}$, gồm 10 vòng được đặt trong từ trường đều. Vectơ cảm ứng từ làm thành với mặt phẳng khung dây góc ${{30}^{0}}$ và có độ lớn bằng 2.10$^{-4}$T. Người ta làm cho từ trường giảm đều đến 0 trong thời gian 0,01s. Tính suất điện động cảm ứng xuất hiện trong khung dây trong thời gian từ trường biến đổi.
A.2.10$^{-4}$ B.2.10$^{-3}$ C.${{10}^{-3}}$ D.1.10$^{-2}$
Hướng dẫn:
Ta có: ${{e}_{C}}=-\frac{\Delta \phi }{\Delta t}=-\frac{0-NBS\cos \left( \overrightarrow{n},\overrightarrow{B} \right)}{\Delta t}={{2.10}^{-4}}$V.
Chọn đáp án A.
Ví dụ 5: Một khung dây dẫn hình chữ nhật có diện tích 200cm$^{2}$, ban đầu ở vị trí song song với các đường sức từ của một từ trường đều có độ lớn B=0,01 T. Khung quay đều trong thời gian $\Delta $t=0,04s đến vị trí vuông góc với các đường sức từ. Xác định suất điện động cảm ứng xuất hiện trong khung.
A.${{5.10}^{-3}}$ B.${{10}^{-3}}$ C.$-{{5.10}^{-3}}$ D.$-{{10}^{-3}}$
Hướng dẫn:
Ta có: ${{\phi }_{1}}=0$ vì lúc đầu $\overrightarrow{n}\bot \overrightarrow{B}$
${{\phi }_{2}}=BS={{2.10}^{-4}}$Wb vì lúc sau $\overrightarrow{n}//\overrightarrow{B}$
Do đó: ${{e}_{C}}=-\frac{{{\phi }_{2}}-{{\phi }_{1}}}{\Delta t}=-{{5.10}^{-3}}$V.
Chọn đáp án C.
Ví dụ 6: Một khung dây hình chữ nhật kín gồm N=10 vòng dây, diện tích mỗi vòng S=20cm$^{2}$ đặt trong một từ trường đều có vectơ cảm ứng từ $\overrightarrow{B}$ hợp với pháp tuyến $\overrightarrow{n}$ của mặt phẳng khung dây góc $\alpha ={{60}^{0}}$, độ lớn cảm ứng từ B=0,04 T, điện trở khung dây R=0,2$\Omega $. Tính suất điện động cảm ứng xuất hiện trong khung dây nếu trong thời gian $\Delta $t=0,01s, cảm ứng từ tăng đều từ 0 đến 0,5B.
A.0,04V B.0,02V C.0,01V D.0,05V
Hướng dẫn:
Ta có: $\left| {{e}_{C}} \right|=\left| \frac{{{\phi }_{2}}-{{\phi }_{1}}}{\Delta t} \right|=\frac{NB\cos \left( \overrightarrow{n},\overrightarrow{B} \right)}{\Delta t}.\left| {{B}_{2}}-{{B}_{1}} \right|$
$\Leftrightarrow \left| {{e}_{C}} \right|=\frac{{{10.2.10}^{-3}}.\cos {{60}^{0}}}{0,01}.\left| 0,02-0 \right|=0,02$V.
Chọn đáp án B.
Ví dụ 7: Một khung dây dẫn đặt vuông góc với một từ trường đều, cảm ứng từ B có độ biến thiên theo thời gian. Tính suất điện động cảm ứng, biết rằng cường độ dòng điện cảm ứng là ${{I}_{C}}$=0,5A, điện trở của khung là R=2$\Omega $ và diện tích của khung là S=100cm$^{2}$.
A.50V B.200V C.100V D.10V
Hướng dẫn:
Ta có: $\left| {{e}_{C}} \right|=\frac{\left| \Delta B \right|S}{\Delta t}\Rightarrow \frac{\left| \Delta B \right|}{\Delta t}=\frac{\left| {{e}_{C}} \right|}{S}$ =100V.
Chọn đáp án C.
Ví dụ 8: Một ống dây hình trụ dài gồm 10$^{3}$ vòng dây, diện tích mỗi vòng dây S=100cm$^{2}$. Ống dây có điện trở R=16$\Omega $, hai đầu nối đoạn mạch và được đặt trong từ trường đều có vectơ cảm ứng từ song song với trục của ống dây và có độ lớn tăng đều 10$^{-2}$T/s. Tính công suất tỏa nhiệt của ống dây.
A.6,25.10$^{-4}$W B.6,25.10$^{-5}$W C.0,625.10$^{-2}$W D.0,625W
Hướng dẫn:
Ta có: $\left| {{e}_{C}} \right|=\frac{\left| \Delta B \right|NS}{\Delta t}=0,1$V
$i=\frac{\left| {{e}_{C}} \right|}{R}=0,{{625.10}^{-2}}$A
P=${{i}^{2}}$R=6,25.10$^{-4}$W.
Chọn đáp án A.
Ví dụ 9: Một vòng dây diện tích S=100cm$^{2}$ nối vào tụ điện có điện dung C=200$\mu $F, được đặt trong từ trường đều có vectơ cảm ứng từ vuông góc với mặt phẳng chứa khung dây, có độ lớn tăng đều ${{5.10}^{-2}}$ T/s. Tính điện tích tụ điện.
A.5.10$^{-7}$C B.5.10$^{-6}$C C.10$^{-6}$C D.10$^{-7}$C
Hướng dẫn:
Ta có: $U=\left| {{e}_{C}} \right|=\frac{\left| \Delta B \right|S}{\Delta t}={{5.10}^{-4}}$V
q=CU=10$^{-7}$C
Chọn đáp án D.
Ví dụ 10: Một khung dây có 1000 vòng được đặt trong từ trường đều sao cho các đường sức từ vuông góc với mặt phẳng của khung. Diện tích mặt phẳng giới hạn bởi mỗi vòng là 2dm$^{2}$. Cảm ứng từ của từ trường giảm đều từ 0,5T đến 0,2T trong thời gian 0,1s. Tính suất điện động cảm ứng xuất hiện trong một vòng dây.
A.3.10$^{-3}$V B.6.10$^{-3}$V C.6.10$^{-2}$V D.3.10$^{-2}$V
Hướng dẫn:
Trong một vòng dây: $\left| {{e}_{C}} \right|=\frac{\left| \Delta B \right|S}{\Delta t}={{6.10}^{-2}}$V
Chọn đáp án C.
C)Câu hỏi tự luyện:
Câu 1: Chọn câu sai:
A.Khi đặt diện tích S vuông góc với các đường sức từ, nếu S càng lớn thì từ thông có giá trị càng lớn.
B.Đơn vị của từ thông là vêbe (Wb).
C.Giá trị của từ thông qua diện tích S cho biết cảm ứng từ của từ trường lớn hay bé.
D.Từ thông là đại lượng vô hướng, có thể dương, âm hoặc bằng 0.
Câu 2: Trong một mạch kín dòng điện cảm ứng xuất hiện khi:
A.trong mạch có một nguồn điện.
B.mạch điện được đặt trong một từ trường đều.
C.mạch điện được đặt trong một từ trường không đều.
D.từ thông qua mạch điện biến thiên theo thời gian.
Câu 3: Muốn cho trong một khung dây kín xuất hiện một suất điện động cảm ứng thì một trong các cách đó là:
A.làm thay đổi điện tích của khung dây.
B.đưa khung dây kín vào trong từ trường đều.
C.làm cho từ thông qua khung dây biến thiên.
D.quay khung dây quanh trục đối xứng của nó.
Câu 4: Trong hệ SI đơn vị của hệ số tự cảm là:
A.Tesla(T) B.Henri(H) C.Vêbe(Wb) D.Fara(F)
Câu 5: Máy phát điện xoay chiều hoạt động dựa vào hiện tượng:
A.lực điện do điện trường tác dụng lên hạt mang điện.
B.cảm ứng điện từ.
C.lực Lo-ren-xơ tác dụng lên hạt mang điện chuyển động.
D.lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn mang dòng điện.
Câu 6: Hiện tượng tự cảm thực chất là:
A.hiện tượng dòng điện cảm ứng bị biến đổi khi từ thông qua một mạch kín đột nhiên bị triệt tiêu.
B.hiện tượng cảm ứng điện từ xảy ra khi một khung dây đặt trong từ trường biến thiên.
C.hiện tượng xuất hiện suất điện động cảm ứng khi một dây dẫn chuyển động trong từ trường.
D.hiện tượng cảm ứng điện từ trong một mạch do chính sự biến đổi dòng điện trong mạch đó gây ra.
Câu 7: Khi dòng điện qua ống dây giảm 2 lần thì năng lượng từ trường của ống dây sẽ:
A.giảm $\sqrt{2}$ lần B.giảm 2 lần
C.giảm 4 lần D.giảm $2\sqrt{2}$ lần
Câu 8: Một cuộn tự cảm có độ tự cảm 0,1H, trong đó có dòng điện biến thiên đều 200 A/s thì suất điện động tự cảm xuất hiện có giá trị?
A.10V B.20V C.0,1kV D.2,0kV
Câu 9: Suất điện động tự cảm có giá trị lớn khi:
A.dòng điện tăng nhanh. B.dòng điện có giá trị nhỏ.
C.dòng điện có giá trị lớn. D.dòng điện không đổi.
Câu 10: Dòng điện trong cuộn cảm giảm từ 16A đến 0 A trong 0,01s, suất điện động tự cảm trong cuộn đó có độ lớn 64V, độ tự cảm có giá trị:
A.0,032H B.0,04H C.0,25H D.4,0H
Câu 11: Một ống dây có độ tự cảm L=0,01H. Khi có dòng điện chạy qua ống dây thì có năng lượng 0,08J. Cường độ dòng điện chạy trong ống dây bằng?
A.1A B.2A C.3A D.4A
Câu 12: Cuộn dây có N=100 vòng, mỗi vòng có diện tích S=300cm$^{2}$. Đặt trong từ trường đều có cảm ứng từ B=0,2T sao cho trục của cuộn dây song song với các đường sức từ. Quay đều cuộn dây để sau $\Delta $t=0,5s trục của nó vuông góc với các đường sức từ thì suất điện động cảm ứng trung bình trong cuộn dây là:
A.0,6V B.1,2V C.3,6V D.4,8V
Câu 13: Một ống dây có độ tự cảm L, ống dây thứ hai có số vòng dây tăng gấp đôi và diện tích mỗi vòng dây giảm một nửa so với ống dây thứ nhất. Nếu hai ống dây có chiều dài như nhau thì độ tự cảm của ống dây thứ hai là:
A.L B.2L C.0,5L D.4L
Câu 14: Một khung dây dẫn có 100 vòng được đặt trong từ trường đều sao cho các đường sức từ vuông góc với mặt phẳng của khung dây. Diện tích của mỗi vòng dây là 2dm$^{2}$, cảm ứng từ giảm đều từ 0,5T đến 0,2T trong thời gian 0,1s. Suất điện động cảm ứng trong khung dây là
A.6V B.60V C.3V D.30V
Câu 15: Một khung dây hình vuông có cạnh 5cm, đặt trong từ trường đều 0,08T; mặt phẳng khung dây vuông góc với các đường sức từ. Trong thời gian 0,2s; cảm ứng từ giảm xuống đến không. Độ lớn của suất điện động cảm ứng xuất hiện trong khung trong khoảng thời gian đó là
A.0,04mV B.0,5mV C.1mV D.8V
