Suất Điện Động Cảm Ứng – Lý Thuyết Và Trắc Nghiệm Vật Lý Lớp 11

1. Suất điện động cảm ứng trong mạch kín

1.1. Suất điện động cảm ứng là gì?

Dòng điện cảm ứng Lý 11 là một phần kiến thức rất quan trọng, bởi vậy các em phải nắm được dòng điện cảm ứng là gì. Dòng điện cảm ứng chính là hiện tượng thuộc về cảm ứng điện từ. Hiện tượng đó diễn ra khi sinh ra một dòng điện trong mạch dẫn kín và được đặt trong môi trường từ trường.

Dòng cảm ứng xuất hiện trong một mạch kín (kí hiệu là C) chứng tỏ phải có sự tồn tại của một nguồn điện trong mạch đó. Suất điện động của nguồn điện này chính là suất điện động cảm ứng. Vậy có thể định nghĩa về suất điện động cảm ứng như sau:

Suất điện động cảm ứng là suất điện động để sinh 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 trình bày như sau:

Giả sử có một mạch kín (C) được đặt trong một từ trường, từ thông qua mạch kín đó biến thiên với một đại lượng ΔΦ trong một khoảng thời gian được kí hiệu là Δt. Giả sử tiếp sự biến thiên từ thông này được diễn ra qua một dịch chuyển nào đó trong mạch. Trong quá trình dịch chuyển này, lực tương tác và tác dụng lên mạch kín (C) đã sinh ra được một công ΔA. Các nhà nghiên cứu đã chứng minh được rằng ΔA = iΔΦ

Với I là kí hiệu cường độ của dòng điện cảm ứng. Theo định luật len - xơ thì lực từ tác dụng lên mạch (C) luôn gây cản trở chuyển động tạo nên biến thiên từ thông. Do đó ΔA được xem là một công cản. Để thực hiện quá trình dịch chuyển của (C) (với mục đích tạo ra sự biến thiên của Φ) phải có tác dụng của ngoại lực lên (C) và trong quá trình chuyển dời nói trên, ngoại lực này sinh công lớn hơn công cản của lực từ.

ΔΑ’ = -ΔΑ = -iΔΦ

Độ lớn của công ΔA’ bằng tổng phần năng lượng từ bên ngoài cung cấp cho mạch (C) và được chuyển hóa thành điện năng trong suất điện động cảm ứng ec (tương tự với điện năng sinh ra do một nguồn điện và trong một khoảng thời gian, ký hiệu là Δt).

Ta có công thức:

ΔA' = ec iΔt

So sánh giữa hai công thức của ΔA′ ta có thể suy ra công thức về suất điện động cảm ứng như sau:

$e_{c}=-\frac{\Delta \Phi }{\Delta t}$

Nếu chỉ xét riêng về độ lớn của ec (không tính dấu) thì: $|e_{c}| = |\frac{\Delta \Phi }{\Delta t}|$

Thương số $|\frac{\Delta \Phi }{\Delta t}|$ biểu hiện về độ biến thiên từ thông qua mạch kín (C) trong một đơn vị thời gian nhất định, thương số đó được gọi là tốc độ biến thiên từ thông qua mạch. Công thức được phát biểu:

Suất điện động cảm ứng xuất hiện trong mạch kín có độ lớn tỉ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông qua mạch kín đó.

Phát biểu đó được gọi là định luật cơ bản của hiện tượng cảm ứng điện từ hay chính là định luật Fa-ra đây.

Tham khảo ngay bộ tài liệu ôn tập kiến thức và phương pháp giải mọi dạng bài tập trong đề thi Vật Lý THPT Quốc Gia

2. Mối quan hệ giữa suất điện động cảm ứng và định luật Len - xơ

- Định luật Len-xơ là định luật được hình thành từ sự tổng hợp các yếu tố nhằm 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 sinh ra sẽ có tác động chống lại nguyên nhân tạo ra dòng điện.

- Khi diễn giải định luật này ra, ta có thể rút ra kết luận: Nếu từ thông qua mạch kín tăng lên, từ trường cảm ứng sẽ được tạo ra với mục đích chống lại sự tăng lên đó của từ thông. Lúc này, từ trường cảm ứng sẽ mang chiều ngược lại so với từ trường ngoài. Ngược lại, khi từ thông qua mạch kín giảm đi, từ trường cảm ứng sẽ có tác động chống lại là sự giảm đi của từ thông. Chính vì thế mà lúc này, từ trường cảm ứng sẽ lại cùng chiều với từ trường ngoài.

- Định luật Len-xơ đã bảo đảm phù hợp với định luật bảo toàn năng lượng cơ bản trong vật lý. Khi mà chúng ta phải tiêu tốn công để biến thiên từ thông (như việc dịch chuyển vị trí của thanh nam châm so với mạch kín) và công đã được chuyển hóa thành điện năng trong dòng điện cảm ứng.

* Mối quan hệ:

- Sự xuất hiện của dấu “-” trong công thức ec là giúp phù hợp với định luật Len - xơ

- Trước hết mạch kín (C) cần phải được định hướng. Sau đó, dựa vào chiều đã chọn trước đó trên (C), ta chọn chiều pháp tuyến dương để tính được từ thông Φ qua một mạch kín (C) (trong đó Φ là một đại lượng đại số).

+ Nếu Φ tăng lên thì ec < 0: điều này chứng tỏ chiều của suất điện động cảm ứng (hay còn là chiều của dòng điện cảm ứng) ngược với chiều của mạch kín (C)

+ Nếu Φ giảm đi thì ec > 0: điều này chứng tỏ chiều của suất điện động cảm ứng (hay còn là chiều của dòng điện cảm ứng) chính là chiều của mạch kín (C)

Đăng ký ngay để được các thầy cô ôn tập và xây dựng lộ trình học tập THPT vững vàng

3. Chuyển hóa năng lượng trong hiện tượng cảm ứng điện từ

Giả sử chúng ta có một mạch kín với từ trường không thay đổi, nếu muốn tạo ra được sự biến thiên từ thông thì cần phải có tác động của một ngoại lực vào mạch để tạo nên sự dịch chuyển trong mạch kín đó. Khi đó, ngoại lực này sẽ tạo ra được một công cơ học. Lúc này, công cơ học từ tác động của ngoại lực này sẽ tạo nên sự xuất hiện của suất điện động cảm ứng trong mạch hay còn gọi là tạo ra điện năng.

Trong thí nghiệm này, sự chuyển hóa năng lượng là quá trình chuyển hóa năng lượng từ cơ năng thành điện năng.

4. Ứng dụng của hiện tượng cảm ứng điện từ

Sự xuất hiện của hiện tượng cảm ứng điện từ đã tạo ra một cuộc cách mạng vô cùng to lớn trong lĩnh vực ứng dụng liên quan đến kỹ thuật.

Bên cạnh đó, ứng dụng của hiện tượng cảm ứng điện từ còn đang sử dụng rộng rãi và phổ biến trong nhiều lĩnh vực khác như y tế, không gian, công nghiệp,... nhằm đáp ứng nhu cầu trong cuộc sống của con người. Dưới đây là một số ứng dụng tiêu biểu của hiện tượng cảm ứng điện từ vào cuộc sống con người:

- Quạt điện: Các hệ thống máy làm mát nói chung hay quạt điện nói riêng đều cần sử dụng đến động cơ điện. Bản chất của những động cơ điện đó hoạt động dựa vào nguyên lý cảm ứng điện từ. Với bất cứ thiết bị điện nào thì động cơ điện đều hoạt động nhờ từ trường được sinh ra bởi dòng điện dựa theo nguyên lý của lực len - xơ.

- Bếp từ: Nếu như bếp ga dùng nhiệt từ lửa hoặc sử dụng bộ phận làm nóng từ điện. Thì bếp từ lại làm nóng nồi nấu bằng chính cảm ứng từ. Lúc này, trực tiếp dòng điện cảm ứng đã làm nóng dụng cụ nấu nướng. Khi đó, nhiệt độ trong bếp có thể tăng lên hết sức nhanh chóng. Với bếp từ, một cuộn dây làm bằng đồng được đặt phía dưới một vật liệu có khả năng cách nhiệt.

Còn có một dòng điện xoay chiều sẽ được truyền qua cuộn dây làm bằng đồng đấy. Từ trường biến đổi đã tạo ra một từ thông liên tục có khả năng từ hóa nồi. Khi đó, nồi nấu đóng vai trò là một lõi từ của máy biến áp. Chính điều này giúp tạo ra dòng điện xoáy (còn gọi là dòng điện Fuco lớn) ở trong nồi nấu. Sự hoạt động của dòng Fuco đó đã làm cho nồi nấu chịu tác động của lực hãm điện từ. Từ đó gây ra một hiệu ứng tỏa nhiệt là Jun - Lenxơ. Và cuối cùng là làm nóng đáy nồi cũng như thức ăn có bên trong nồi.

- Đèn huỳnh quang: Các hệ thống chiếu sáng được sử dụng phổ biến hiện nay là hệ thống chiếu sáng sử dụng nguyên vật liệu từ huỳnh quang. Trong đèn huỳnh quang, chấn lưu được sử dụng dựa vào nguyên lý điện từ. Lúc ta bật đèn, nó sẽ tạo nên một điện áp cao ở 2 bên đầu đèn và phóng điện qua đèn. Dòng điện khi đi qua đèn sẽ hình thành các ion giúp tác dụng lên bột huỳnh quang giúp cho đèn phát sáng.

- Máy phát điện: Máy phát điện dùng năng lượng cơ học là chủ yếu để tạo ra điện. Trung tâm của máy phát điện là một cuộn dây bên trong từ trường. Nguyên lý hoạt động của máy phát điện là cuộn dây điện khi được quay trong từ trường mà không thay đổi tốc độ sẽ tạo ra dòng điện xoay chiều.

- Trong y học

Có thể thấy, trường điện từ đóng một vai trò hết sức quan trọng trong các thiết bị y tế tiên tiến và hiện đại.

Một VD điển hình trong y học như phương pháp điều trị giúp tăng thân nhiệt cho bệnh ung thư, cấy ghép hay là chụp cộng hưởng từ (MRI).

5. Phương pháp giải bài tập về suất điện động cảm ứng

Dạng bài tập của suất điện động cảm ứng là xác định suất điện động cảm ứng và cường độ dòng điện cảm ứng.

+ Từ thông qua mạch sẽ biến thiên và tạo ra suất điện động cảm ứng. Giá trị của suất điện động cảm ứng trong mạch tỉ lệ với tốc độ biến thiên từ thông qua mạch.

+ Công thức suất điện động cảm ứng là: $e_{c}=-\frac{\Delta \Phi }{\Delta t}$

+ Để thay đổi được từ thông qua mạch, người ta thay đổi độ lớn của từ trường (B), hoặc thay đổi diện tích của khung dây (S) hoặc thay đổi góc α.

+) Nếu B thay đổi thì ΔΦ = NScosα.ΔB.

+) Nếu S thay đổi thì ΔΦ = NBcosα.ΔS.

+) Nếu góc a thay đổi thì ΔΦ = NBS.Δ(cosα) .

Cường độ dòng điện cảm ứng: $I_{c}= \frac{e_{c}}{R + r}$

VD1: Một mạch kín có dạng hình vuông, cạnh = 10 cm, đặt vuông góc với một từ trường đều có độ lớn thay đổi theo thời gian. Tốc độ biến thiên của từ trường là bao nhiêu biết rằng cường độ dòng điện cảm ứng là 2A và điện trở của mạch là 15 Ω.

Giải:

Ta có:

ec = ri = 15 . 2 = 30V

$|e_{c}|=|\frac{\Delta \Phi }{\Delta t}|= \frac{\Delta B}{\Delta t} . S$

⇔ $\frac{\Delta B}{\Delta t} = \frac{e_{c}}{S} = \frac{30}{0,1^{2}} = 3.10^{3}$ (T/s)

VD2: Một khung dây có S = 10cm2, bao gồm 10 vòng được đặt tại một từ trường đều. Véc tơ cảm ứng từ tạo với mặt phẳng khung dây một góc 30° và có độ lớn bằng 2.10-3 T. Người ta làm giảm dần đều từ trường đến khi thành 0 trong thời gian 0,01 s. Hãy tính suất điện động cảm ứng xuất hiện trong khung dây trong thời gian từ trường biến đổi.

Giải:

Ta có:

Φ1 = NBScosα = 10.2.10-3. 10.10-4 . cos(90o- 30o) = 10-5 V

Φ2 = 0

⇒ ΔΦ = Φ1 - Φ2 = 10-5 V

$|e_{c}|=|\frac{\Delta \Phi }{\Delta t}|= \frac{10^{-5}}{0,01}=10^{-3}$ V

6. Bài tập vận dụng

Câu 1. Phát biểu nào sau đây SAI khi đề cập đến suất điện động cảm ứng bên trong mạch

A. Có khả năng tồn tại mà không tạo ra dòng điện cảm ứng trong mạch đó

B. Chỉ xuất hiện khi và chỉ khi có từ thông qua mạch

C. Tỉ lệ với v biến thiên thuộc từ thông qua mạch

D. Chỉ xuất hiện chỉ khi có sự biến thiên điện từ thông qua mạch

Đáp án đúng: B

Câu 2. Một cuộn dây có 100 vòng có từ trường biến thiên, suất điện động cảm ứng hình thành trên mỗi vòng dây ứng với 0,02 mV. Suất điện động cảm ứng xuất hiện trên cuộn dây đó có giá trị là bao nhiêu?

A. 2 mV

B. 0,02 mV

C. 200 mV

D. 2 V

Đáp án đúng: A

Câu 3: Một khung dây có hình dạng HCN gồm 10 vòng dây, trong đó diện tích mỗi vòng là S = 20 cm2 đặt trong một từ trường đều chứa véc tơ cảm ứng từ B hợp với pháp tuyến của mặt phẳng khung dây góc 60°, độ lớn cảm ứng từ là 0,04 T, điện trở khung dây là 0,2Q. Tính cường độ dòng điện xuất hiện trong khung dây khi trong thời gian 0,01s đó, cảm ứng từ khi giảm đều từ B đến 0.

A. 0,1 A

B. 0,4 A

C. 0,2 A

D. 0,3 A

Đáp án đúng: C

Câu 4. Một khung dây có hình tròn với bán kính 20 cm nằm hoàn toàn trong một từ trường đều mà các đường sức từ vuông với mặt phẳng vòng dây. Trường hợp khi cảm ứng từ tăng từ 0,1T lên 1,1T thì trong khung dây xuất hiện một suất điện động không thay đổi có độ lớn là 0,2V. Thời gian duy trì của suất điện động có giá trị là:

A. 0,2 s

B. 0,2 π.S

C. 4 s

D. Đề bài chưa đủ dữ kiện để xác định giá trị

Đáp án đúng: B

Câu 5. Cho 1 khung dây dẫn đặt vuông góc với một từ trường đều cho sẵn. Độ lớn của cảm ứng từ B biến đổi theo đơn vị thời gian. Tính tốc độ biến thiên của cảm ứng từ khi biết cường độ dòng điện cảm ứng là 0,5 A ; điện trở của khung là 2Q và diện tích của khung là 100 cm2.

A. 120 T/s.

B. 100 T/s.

C. 250 T/s.

D. 320 T/s.

Đáp án đúng: B

Lý thuyết của suất điện động cảm ứng là một phần kiến thức quan trọng, là tiền đề cho các phần lý thuyết phía sau. Vì vậy, VUIHOC đã tổng hợp kiến thức đồng thời đưa ra những bài tập để giúp các em học tập hiệu quả hơn. Để tìm hiểu về các bài viết hay khác, các em có thể truy cập vào Vuihoc.vn để đăng ký tài khoản hoặc liên hệ ngay trung tâm hỗ trợ để biết thêm được thật nhiều kiến thức nhé!