Bài 16. Từ thông. Hiện tượng cảm ứng điện từ trang 66, 67, 68 Vật Lí 12 Kết nối tri thức

Số đường sức từ xuyên qua tiết diện của một cuộn dây dẫn kín chính là đại diện cho từ thông. Để làm cho số đường sức từ này biến thiên, ta có thể thực hiện theo các cách sau:

1. Thay đổi độ lớn của cảm ứng từ $B$ xuyên qua tiết diện cuộn dây:\n
• Di chuyển một nam châm lại gần hoặc ra xa cuộn dây dẫn.\n
• Thay đổi cường độ dòng điện chạy qua một cuộn dây khác đặt gần cuộn dây đang xét.

2. Thay đổi diện tích $S$ của tiết diện cuộn dây đặt trong từ trường:\n
• Biến dạng cuộn dây (co lại hoặc kéo giãn ra) khi nó đang nằm trong từ trường.\n
  • Di chuyển cuộn dây sao cho diện tích phần nằm trong từ trường thay đổi (ví dụ: kéo cuộn dây ra khỏi vùng có từ trường).

3. Thay đổi góc $\alpha$ giữa vectơ pháp tuyến $\vec{n}$ của cuộn dây và vectơ cảm ứng từ $\vec{B}$:\n
• Quay cuộn dây quanh một trục trong từ trường đều. Khi góc $\alpha$ thay đổi, số đường sức từ xuyên qua tiết diện cuộn dây cũng thay đổi theo.

Kết luận: Dòng điện cảm ứng sẽ xuất hiện khi có sự thay đổi về cường độ từ trường, diện tích đón từ trường hoặc góc đặt của cuộn dây đối với từ trường.

Xét biểu thức từ thông: $\\Phi = B \cdot S \cdot \cos \\alpha$ (16.1)

Vì độ lớn cảm ứng từ $B$ và diện tích $S$ luôn là các đại lượng dương, nên giá trị của từ thông $\\Phi$ phụ thuộc vào góc $\\alpha$ (góc giữa vectơ pháp tuyến $\\vec{n}$ và vectơ cảm ứng từ $\\vec{B}$):

1. Từ thông có trị số bằng 0 ($\\Phi = 0$):
Khi $\\cos \\alpha = 0 \\Rightarrow \\alpha = 90^\\circ$.
Ý nghĩa vật lí: Vectơ cảm ứng từ $\\vec{B}$ song song với mặt phẳng vòng dây (vuông góc với vectơ pháp tuyến $\\vec{n}$), khi đó không có đường sức từ nào xuyên qua diện tích $S$.

2. Từ thông có trị số dương ($\\Phi > 0$):
Khi $\\cos \\alpha > 0 \\Rightarrow 0^\\circ \\le \\alpha < 90^\\circ$.
Ý nghĩa vật lí: Vectơ cảm ứng từ $\\vec{B}$ hợp với vectơ pháp tuyến $\\vec{n}$ một góc nhọn, nghĩa là $\\vec{B}$ hướng cùng phía với vectơ pháp tuyến $\\vec{n}$ (đi xuyên qua mặt $S$ theo chiều $\\vec{n}$).

3. Từ thông có trị số âm ($\\Phi < 0$):
Khi $\\cos \\alpha < 0 \\Rightarrow 90^\\circ < \\alpha \\le 180^\\circ$.
Ý nghĩa vật lí: Vectơ cảm ứng từ $\\vec{B}$ hợp với vectơ pháp tuyến $\\vec{n}$ một góc tù, nghĩa là $\\vec{B}$ hướng ngược phía với vectơ pháp tuyến $\\vec{n}$ (đi xuyên qua mặt $S$ ngược chiều $\\vec{n}$).

Kết luận: Dấu của từ thông không phụ thuộc vào độ lớn của $B$ hay $S$ mà phụ thuộc vào hướng của từ trường so với chiều của vectơ pháp tuyến được chọn cho mặt kín đó.

Dựa vào biểu thức $\\Phi = B \\cdot S \\cdot \\cos\\alpha$, ta đề xuất các cách làm biến thiên từ thông qua tiết diện khung dây dẫn trong hai trường hợp sau:

1. Trường hợp 1: Khung dây dẫn đặt cạnh nam châm vĩnh cửu
\nVì nam châm vĩnh cửu có từ trường $B$ không đổi theo thời gian tại một điểm cố định, ta có thể làm biến thiên từ thông $\\Phi$ bằng cách:

\n
• Thay đổi $B$ (độ lớn cảm ứng từ qua khung): Di chuyển nam châm lại gần hoặc ra xa khung dây, hoặc di chuyển khung dây lại gần hoặc ra xa nam châm. Khi khoảng cách thay đổi, giá trị $B$ trung bình trong lòng khung dây sẽ thay đổi.
\n
• Thay đổi $\\alpha$ (góc quay): Quay khung dây quanh một trục sao cho góc giữa vectơ pháp tuyến $\\vec{n}$ của khung và vectơ $\\vec{B}$ thay đổi.
\n
• Thay đổi $S$ (diện tích): Vì khung dây mềm, ta có thể kéo giãn hoặc ép khung dây để thay đổi diện tích tiết diện $S$.
\n

2. Trường hợp 2: Khung dây dẫn đặt cạnh nam châm điện
\nNam châm điện có đặc điểm là từ trường $B$ phụ thuộc vào cường độ dòng điện chạy qua cuộn dây của nam châm ($B \\propto I$). Do đó, ngoài các cách ở trường hợp 1, ta có thêm phương pháp:

\n
• Thay đổi $B$ bằng cách thay đổi dòng điện: Thay đổi cường độ dòng điện $I$ chạy qua nam châm điện (tăng, giảm hoặc ngắt/đóng công tắc). Điều này làm $B$ thay đổi trực tiếp mà không cần di chuyển nam châm hay khung dây.
\n
• Thay đổi $B$ bằng chuyển động: Tương tự trường hợp 1, di chuyển nam châm điện hoặc khung dây.
\n
• Thay đổi $\\alpha$: Quay khung dây so với phương của đường sức từ của nam châm điện.
\n
• Thay đổi $S$: Biến dạng khung dây mềm để thay đổi diện tích tiết diện.
\n

Kết luận: Để tạo ra dòng điện cảm ứng trong khung dây, ta chỉ cần thực hiện một trong các hành động trên để làm cho từ thông $\\Phi$ xuyên qua khung thay đổi theo thời gian.

Dựa vào công thức tính từ thông, ta có thể đề xuất 3 phương án thí nghiệm cụ thể để minh họa hiện tượng cảm ứng điện từ như sau:

Phương án 1: Làm biến thiên cường độ cảm ứng từ $B$ (Thay đổi $B$)
Đây là cách phổ biến và dễ thực hiện nhất. Ta sử dụng một nam châm vĩnh cửu và một cuộn dây dẫn kín nối với một điện kế G (hoặc đèn LED).
Cách tiến hành: Đưa nam châm tiến vào hoặc kéo nam châm ra khỏi lòng cuộn dây. Khi nam châm chuyển động, cường độ từ trường $B$ xuyên qua cuộn dây thay đổi, làm từ thông biến thiên, khiến kim điện kế lệch đi, chứng tỏ có dòng điện cảm ứng.

Phương án 2: Làm biến thiên góc $\\alpha$ (Thay đổi $\\alpha$)
Đặt một cuộn dây dẫn kín trong một từ trường đều (ví dụ giữa hai cực của một nam châm hình chữ U).
Cách tiến hành: Quay cuộn dây quanh một trục. Khi cuộn dây quay, góc $\\alpha$ giữa vectơ pháp tuyến $\\vec{n}$ của mặt phẳng cuộn dây và vectơ $\\vec{B}$ thay đổi liên tục $\\rightarrow$ từ thông $\\Phi$ biến thiên $\\rightarrow$ xuất hiện dòng điện cảm ứng. Đây chính là nguyên lý cơ bản của máy phát điện xoay chiều.

Phương án 3: Làm biến thiên diện tích $S$ (Thay đổi $S$)
Sử dụng một khung dây dẫn kín mềm hoặc một khung dây có thể di chuyển trong một từ trường đều.
Cách tiến hành: Kéo giãn khung dây để tăng diện tích $S$, hoặc di chuyển một phần khung dây ra khỏi vùng có từ trường. Khi đó, diện tích $S$ của phần khung dây nằm trong từ trường thay đổi, dẫn đến từ thông biến thiên và tạo ra dòng điện cảm ứng.

Kết luận: Cả ba phương án trên đều dựa trên việc tạo ra sự thay đổi của từ thông $\\Phi$ theo thời gian, minh chứng cho định luật Faraday về cảm ứng điện từ.

Dưới đây là lời giải chi tiết cho các câu hỏi trong Hoạt động 1:

1. Khi nào kim điện kế dịch chuyển? Ý nghĩa:

• Khi nào: Kim điện kế dịch chuyển khi nam châm đang chuyển động (đi vào hoặc đi ra khỏi cuộn dây). Khi nam châm đứng yên, kim điện kế chỉ vạch số 0.
• Chứng tỏ điều gì: Việc kim điện kế lệch khỏi vạch 0 chứng tỏ trong cuộn dây có xuất hiện một dòng điện (gọi là dòng điện cảm ứng).

2. Giải thích sự biến thiên từ thông ($\Phi$):

• Trường hợp dịch chuyển cực Bắc (N) lại gần cuộn dây: Khi cực N tiến lại gần, số đường sức từ xuyên qua tiết diện cuộn dây tăng dần $\rightarrow$ Từ thông $\Phi$ qua cuộn dây tăng.
• Trường hợp dịch chuyển cực Bắc (N) ra xa cuộn dây: Khi cực N dịch ra xa, số đường sức từ xuyên qua tiết diện cuộn dây giảm dần $\rightarrow$ Từ thông $\Phi$ qua cuộn dây giảm.

3. Nhận xét về mối liên hệ:

Có một mối liên hệ mật thiết giữa sự biến thiên từ thông và sự xuất hiện của dòng điện cảm ứng: Sự biến thiên của từ thông qua một mạch kín là nguyên nhân sinh ra dòng điện cảm ứng trong mạch đó.

• Nếu từ thông không biến thiên ($\Delta\Phi = 0$): Không có dòng điện cảm ứng.
• Nếu từ thông biến thiên ($\Delta\Phi \neq 0$): Có dòng điện cảm ứng.
• Chiều của dòng điện cảm ứng phụ thuộc vào chiều biến thiên của từ thông (tăng hay giảm), điều này được giải thích cụ thể bởi định luật Lenz.

1. Trả lời câu hỏi 1:
Khi đóng, ngắt khóa K hoặc di chuyển con chạy trên biến trở, kim điện kế sẽ lệch khỏi vạch số 0. Điều này chứng tỏ trong cuộn dây (2) xuất hiện dòng điện cảm ứng.

Giải thích:
- Khi đóng khóa K: Dòng điện bắt đầu chạy qua nam châm điện (1), tạo ra một từ trường $\vec{B}$ tăng dần từ 0 đến giá trị ổn định. Từ trường này xuyên qua cuộn dây (2) làm từ thông $\Phi$ qua cuộn dây biến thiên (tăng lên), gây ra hiện tượng cảm ứng điện từ $\rightarrow$ xuất hiện dòng điện cảm ứng làm kim điện kế lệch.

- Khi ngắt khóa K: Dòng điện trong nam châm điện mất đi, từ trường $\vec{B}$ giảm dần về 0. Từ thông $\Phi$ qua cuộn dây biến thiên (giảm đi), gây ra hiện tượng cảm ứng điện từ $\rightarrow$ xuất hiện dòng điện cảm ứng (có chiều ngược lại so với lúc đóng khóa) làm kim điện kế lệch theo hướng ngược lại.

- Khi di chuyển con chạy trên biến trở: Điện trở của mạch thay đổi làm cường độ dòng điện chạy qua nam châm điện thay đổi $\rightarrow$ độ lớn của cảm ứng từ $B$ thay đổi $\rightarrow$ từ thông $\Phi$ xuyên qua cuộn dây (2) biến thiên $\rightarrow$ xuất hiện dòng điện cảm ứng làm kim điện kế lệch.

2. Trả lời câu hỏi 2:
Xét công thức từ thông: $\Phi = B \cdot S \cdot \cos\alpha$.
Trong thí nghiệm này:
- Diện tích mặt cắt ngang $S$ của cuộn dây là không đổi.
- Góc $\alpha$ giữa vectơ $\vec{B}$ và pháp tuyến $\vec{n}$ của cuộn dây không thay đổi (do hai cuộn dây đặt cố định so với nhau).
$\rightarrow$ Đại lượng thay đổi làm xuất hiện dòng điện cảm ứng chính là cảm ứng từ $B$ của nam châm điện.

Kết luận: Sự biến thiên của $B$ dẫn đến sự biến thiên của từ thông $\Phi$, từ đó tạo ra suất điện động cảm ứng và dòng điện cảm ứng trong cuộn dây kín.

Xét thí nghiệm 2 trong Hình 16.7 SGK Vật lí 12 Kết nối tri thức, ta phân tích các giai đoạn như sau:

1. Khi đóng khóa K (4):

• Dòng điện chạy qua cuộn dây (1) tạo ra một từ trường $\vec{B}_1$. Theo quy tắc nắm bàn tay phải, nếu dòng điện chạy theo chiều từ trái sang phải trong lòng cuộn (1), từ trường $\vec{B}_1$ sẽ hướng sang phải xuyên qua cuộn (2).
• Khi đóng khóa K, từ thông $\Phi$ qua cuộn (2) tăng nhanh từ 0 đến giá trị cực đại.
• Theo định luật Lenz, cuộn dây (2) sẽ sinh ra một dòng điện cảm ứng $I_c$ tạo ra từ trường $\vec{B}_2$ hướng ngược chiều với $\vec{B}_1$ (hướng sang trái) để chống lại sự tăng của từ thông.
• Sử dụng quy tắc nắm bàn tay phải cho $\vec{B}_2$, ta xác định được chiều quấn của cuộn (2) phải phù hợp để dòng điện chạy ra từ cực này và vào cực kia của điện kế theo chiều quan sát được.

2. Khi ngắt khóa K (4):

• Dòng điện trong cuộn (1) mất đi, từ trường $\vec{B}_1$ giảm nhanh về 0. Từ thông $\Phi$ qua cuộn (2) giảm.
• Theo định luật Lenz, cuộn dây (2) sẽ sinh ra một dòng điện cảm ứng $I_c'$ tạo ra từ trường $\vec{B}_2'$ hướng cùng chiều với $\vec{B}_1$ (hướng sang phải) để bù đắp sự sụt giảm của từ thông.
• Do $\vec{B}_2'$ ngược chiều với $\vec{B}_2$ (ở giai đoạn đóng khóa), nên chiều dòng điện cảm ứng $I_c'$ sẽ ngược lại với chiều $I_c$. Điều này giải thích tại sao kim điện kế lệch theo hướng ngược lại khi ngắt khóa K.

Kết luận: Chiều quấn của cuộn dây (2) được xác định dựa trên chiều lệch của kim điện kế. Nếu khi đóng K kim lệch sang phải, thì chiều quấn của cuộn (2) phải sao cho dòng điện tạo ra từ trường chống lại $\vec{B}_1$ sẽ đi theo hướng đó. Việc vận dụng định luật Lenz cho thấy dòng điện cảm ứng luôn đổi chiều khi trạng thái của khóa K thay đổi (đóng $\rightarrow$ ngắt hoặc ngắt $\rightarrow$ đóng).

1. Xác định biểu thức suất điện động cảm ứng:

Xét mạch điện kín MNPQ với thanh kim loại MN có chiều dài $L$ (khoảng cách giữa hai dây dẫn MQ và NP). Giả sử thanh MN trượt đều với vận tốc $v$ trên hai dây dẫn.

Từ thông qua mạch tại một thời điểm là: $\Phi = B \cdot S = B \cdot (L \cdot x)$, trong đó $x$ là khoảng cách từ thanh MN đến đoạn dây QP.

Khi thanh MN chuyển động với vận tốc $v$, trong khoảng thời gian $\Delta t$, diện tích mặt S của mạch thay đổi một lượng là: $\Delta S = L \cdot \Delta x = L \cdot (v \cdot \Delta t)$.

Độ biến thiên từ thông là: $\Delta \Phi = B \cdot \Delta S = B \cdot L \cdot v \cdot \Delta t$.

Theo định luật Faraday, độ lớn của suất điện động cảm ứng được xác định bởi:

$\mathcal{E} = |\frac{\Delta \Phi}{\Delta t}| = B L v$

Trong đó: $B$ là cảm ứng từ (T), $L$ là chiều dài thanh MN (m), $v$ là tốc độ trượt (m/s).

2. Xác định chiều dòng điện cảm ứng:

Để xác định chiều dòng điện, ta giả sử cảm ứng từ $\vec{B}$ hướng từ ngoài vào trong mặt phẳng hình vẽ (kí hiệu là $\times$).

• Khi thanh MN trượt sang trái (theo chiều vectơ $v$ trong hình), diện tích $S$ của mạch MNPQ giảm dần $\rightarrow$ Từ thông $\Phi$ qua mạch giảm.
• Theo định luật Lenz, dòng điện cảm ứng xuất hiện trong mạch phải có chiều sao cho từ trường do nó tạo ra chống lại sự giảm của từ thông. Do đó, từ trường cảm ứng $\vec{B}'$ phải cùng chiều với $\vec{B}$ (hướng vào trong).
• Áp dụng quy tắc bàn tay phải (hoặc quy tắc nắm tay phải), để tạo ra $\vec{B}'$ hướng vào trong, dòng điện cảm ứng phải chạy theo chiều kim đồng hồ.

Vậy chiều dòng điện cảm ứng trong mạch là: $N \rightarrow M \rightarrow Q \rightarrow P \rightarrow N$.

Kết luận:
- Suất điện động cảm ứng: $\mathcal{E} = BLv$.
- Chiều dòng điện: Chạy theo chiều kim đồng hồ ($N \rightarrow M \rightarrow Q \rightarrow P \rightarrow N$) nếu $\vec{B}$ hướng vào trong mặt phẳng.