Từ Thông. Hiện Tượng Cảm Ứng Điện Từ
Từ thông $\Phi = BS\cos\alpha$, hiện tượng cảm ứng điện từ, định luật Lenz và định luật Faraday $|e_c| = \dfrac{|\Delta\Phi|}{\Delta t}$
Xét một vòng dây dẫn kín diện tích $S$ đặt trong từ trường đều $\vec{B}$. Vẽ vectơ pháp tuyến $\vec{n}$ của mặt phẳng vòng dây; gọi $\alpha$ là góc hợp bởi $\vec{B}$ và $\vec{n}$.
| Đại lượng | Kí hiệu | Đơn vị |
|---|---|---|
| Từ thông | $\Phi$ | Weber (Wb) |
| Cảm ứng từ | $B$ | Tesla (T) |
| Diện tích khung | $S$ | Mét vuông (m²) |
| Góc giữa $\vec{B}$ và $\vec{n}$ | $\alpha$ | Độ (°) |
▸ Đơn vị từ thông
Đơn vị từ thông là Vêbe (Weber), kí hiệu Wb:
▸ Các trường hợp đặc biệt của góc α
| Vị trí của $\vec{B}$ | Góc $\alpha$ | $\cos\alpha$ | Từ thông $\Phi$ |
|---|---|---|---|
| $\vec{B} \perp$ mặt phẳng khung | $0$° | $1$ | $\Phi_{max} = BS$ |
| $\vec{B}$ hợp $\vec{n}$ góc nhọn | $0$°–$90$° | $> 0$ | $\Phi > 0$ |
| $\vec{B} \parallel$ mặt phẳng khung | $90$° | $0$ | $\Phi = 0$ |
| $\vec{B}$ ngược chiều $\vec{n}$ | $180$° | $-1$ | $\Phi = -BS$ |
▸ Khung dây có N vòng
Nếu khung gồm $N$ vòng giống nhau thì:
▸ Thí nghiệm với nam châm và cuộn dây
Nối cuộn dây với một điện kế (đo dòng điện nhỏ), rồi di chuyển nam châm lại gần/ra xa cuộn dây:
| Thao tác | Kim điện kế | Từ thông qua cuộn dây |
|---|---|---|
| Nam châm & cuộn dây đứng yên | Chỉ số 0 | Không đổi |
| Dịch nam châm lại gần | Lệch khỏi 0 | Tăng |
| Dịch nam châm ra xa | Lệch ngược lại | Giảm |
| Dừng di chuyển | Trở về 0 | Không đổi |
▸ Điều kiện xuất hiện dòng điện cảm ứng
▸ Các cách làm biến thiên từ thông
| Đại lượng thay đổi | Cách thực hiện |
|---|---|
| Thay đổi $B$ | Di chuyển nam châm lại gần/ra xa; thay đổi $I$ qua nam châm điện; đóng/ngắt khóa K |
| Thay đổi $S$ | Bóp méo hoặc kéo giãn khung dây |
| Thay đổi $\alpha$ | Quay khung dây hoặc quay nam châm |
Trong đó $\vec{B}_c$ là từ trường do dòng điện cảm ứng sinh ra; chiều của $\vec{B}_c$ xác định theo quy tắc nắm bàn tay phải, từ đó suy ra chiều dòng điện cảm ứng.
▸ Quy tắc "Tăng thì ngược – Giảm thì cùng"
(chống lại sự tăng)
(chống lại sự giảm)
▸ Các bước xác định chiều dòng điện cảm ứng
- Bước 1: Xác định chiều từ trường ban đầu $\vec{B}_0$.
- Bước 2: Xác định từ thông đang tăng hay giảm.
- Bước 3: Suy ra chiều $\vec{B}_c$ (tăng → ngược; giảm → cùng).
- Bước 4: Từ $\vec{B}_c$, dùng quy tắc nắm bàn tay phải → chiều dòng điện cảm ứng $i_c$.
Sự xuất hiện dòng điện cảm ứng trong mạch kín chứng tỏ trong mạch tồn tại một nguồn điện; suất điện động của nguồn này gọi là suất điện động cảm ứng $e_c$.
| Đại lượng | Kí hiệu | Đơn vị |
|---|---|---|
| Suất điện động cảm ứng | $e_c$ | Vôn (V) |
| Độ biến thiên từ thông | $\Delta\Phi = \Phi_2 - \Phi_1$ | Weber (Wb) |
| Thời gian biến thiên | $\Delta t$ | Giây (s) |
▸ Cuộn dây có N vòng
Xét thanh kim loại $MN$ dài $L$ trượt đều với vận tốc $v$ trên hai thanh ray dẫn điện đặt trong từ trường đều $\vec{B}$ vuông góc với mặt phẳng mạch.
Trong thời gian $\Delta t$, thanh đi được $\Delta x = v\Delta t$, diện tích mạch tăng thêm $\Delta S = L\cdot v\Delta t$, nên độ biến thiên từ thông là $\Delta\Phi = B\Delta S = BLv\Delta t$. Suy ra:
Công thức $|e_c| = BLv$ áp dụng khi $\vec{B}$, $\vec{v}$ và thanh dẫn đôi một vuông góc.
▸ Ứng dụng: nguyên tắc máy phát điện
Máy phát điện hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ: khi từ thông qua cuộn dây biến thiên (thường bằng cách quay khung dây trong từ trường hoặc quay nam châm), trong cuộn dây xuất hiện suất điện động cảm ứng.
| Bộ phận | Chức năng |
|---|---|
| Rôto (phần quay) | Khung dây hoặc nam châm |
| Stato (phần đứng yên) | Nam châm hoặc cuộn dây |
| Cổ góp / vành khuyên | Dẫn điện ra mạch ngoài |
▸ Công thức cần nhớ
| Công thức | Ý nghĩa / Điều kiện |
|---|---|
| $\Phi = BS\cos\alpha$ | Từ thông qua diện tích $S$ |
| $\Phi = NBS\cos\alpha$ | Từ thông qua cuộn $N$ vòng |
| $|e_c| = \dfrac{|\Delta\Phi|}{\Delta t}$ | Suất điện động cảm ứng (Faraday) |
| $|e_c| = N\dfrac{|\Delta\Phi|}{\Delta t}$ | Cuộn dây $N$ vòng |
| $|e_c| = BLv$ | Thanh dẫn chuyển động ($\vec{B}, \vec{v}, L$ đôi một vuông góc) |
▸ Lỗi sai thường gặp
| ❌ Sai | ✅ Đúng |
|---|---|
| $\Phi = BS$ (quên $\cos\alpha$) | $\Phi = BS\cos\alpha$ |
| $\alpha$ là góc giữa $\vec{B}$ và mặt phẳng khung | $\alpha$ là góc giữa $\vec{B}$ và pháp tuyến $\vec{n}$ |
| Φ tăng → $\vec{B}_c$ cùng chiều $\vec{B}_0$ | Φ tăng → $\vec{B}_c$ ngược chiều $\vec{B}_0$ |
| Dòng điện cảm ứng tồn tại mãi | Chỉ tồn tại khi $\Phi$ đang biến thiên |
| Đơn vị từ thông là Tesla | Đơn vị từ thông là Weber (Wb) |
Sơ đồ tư duy, bảng tóm tắt công thức, định luật Lenz – Faraday, các mẹo ghi nhớ và lỗi sai thường gặp.
Đã nắm vững lý thuyết, các em chuyển sang tab Bài Tập để luyện 25 câu bám sát SGK nhé!
Cùng luyện Bài 16 – Từ thông & Cảm ứng điện từ!
25 câu: 19 trắc nghiệm · 2 đúng/sai · 4 tự luận
Tuyệt vời!
Thầy Phạm Trần Quốc Anh
(Người kiểm duyệt, ra đề)
Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Vật Lý THPT
Trình độ: Cử nhân Sư phạm Vật lý, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1
Kinh nghiệm: 9+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Lê Quí Đôn