Câu hỏi mở đầu trang 66

Đề bài: Khi số đường sức từ xuyên qua tiết diện của cuộn dây dẫn kín biến thiên thì trong cuộn dây dẫn đó xuất hiện dòng điện cảm ứng. Hãy cho biết có những cách nào làm cho số đường sức từ qua tiết diện của cuộn dây dẫn kín biến thiên.

Lời giải:

Từ biểu thức từ thông $\Phi = BS\cos\alpha$, muốn làm số đường sức từ qua tiết diện cuộn dây biến thiên, ta có thể tác động vào một trong các đại lượng $B$, $S$ hoặc $\alpha$:

• Thay đổi độ lớn cảm ứng từ $B$: di chuyển nam châm lại gần/ra xa cuộn dây, đóng/ngắt mạch điện của nam châm điện, thay đổi cường độ dòng điện qua nam châm điện.
• Thay đổi diện tích $S$ giới hạn bởi cuộn dây: kéo dãn hoặc bóp méo cuộn dây (nếu cuộn dây mềm), làm cho một đoạn dây trượt trên khung.
• Thay đổi góc $\alpha$ giữa vectơ pháp tuyến $\vec{n}$ của mặt cuộn dây và vectơ cảm ứng từ $\vec{B}$: quay cuộn dây trong từ trường (hoặc quay nam châm quanh cuộn dây).

I. Từ thông

Câu hỏi trang 66

Đề bài: Từ biểu thức (16.1), hãy cho biết trong trường hợp nào thì từ thông qua vòng dây diện tích $S$ giới hạn bởi vòng dây dẫn kín (C) có trị số bằng 0, có trị số dương, trị số âm.

Lời giải:

Từ biểu thức $\Phi = BS\cos\alpha$, vì $B > 0$ và $S > 0$ nên dấu của $\Phi$ phụ thuộc vào $\cos\alpha$:

• $\Phi = 0$ khi $\cos\alpha = 0$ → $\alpha = 90°$. Tức là $\vec{n}$ vuông góc với $\vec{B}$, hay mặt phẳng vòng dây song song với đường sức từ (không có đường sức từ nào xuyên qua vòng dây).
• $\Phi > 0$ khi $\cos\alpha > 0$ → $0° \le \alpha < 90°$. Tức là $\alpha$ là góc nhọn (trường hợp Hình 16.2).
• $\Phi < 0$ khi $\cos\alpha < 0$ → $90° < \alpha \le 180°$. Tức là $\alpha$ là góc tù (trường hợp Hình 16.3).

Hoạt động trang 67

Đề bài: Để làm từ thông biến thiên, có thể biến đổi từng đại lượng $B$, $S$, $\alpha$ trong biểu thức (16.1). Hãy đề xuất các cách có thể làm biến thiên từ thông qua tiết diện khung dây dẫn mềm nối với điện kế thành mạch kín trong các trường hợp sau:

Trường hợp 1: Khung dây dẫn đặt cạnh nam châm vĩnh cửu (Hình 16.4).

Trường hợp 2: Khung dây dẫn đặt cạnh nam châm điện (Hình 16.5).

Lời giải:

• Trường hợp 1 (nam châm vĩnh cửu, Hình 16.4):

• Thay đổi $B$: di chuyển nam châm lại gần hoặc ra xa khung dây → $B$ tại vị trí khung tăng hoặc giảm.
• Thay đổi $\alpha$: xoay nam châm hoặc xoay khung dây quanh một trục → góc giữa $\vec{n}$ và $\vec{B}$ thay đổi.
• Thay đổi $S$: bóp méo hoặc kéo dãn khung dây mềm → diện tích $S$ thay đổi.

• Trường hợp 2 (nam châm điện, Hình 16.5):

Ngoài các cách như trường hợp 1, có thêm hai cách đặc thù cho nam châm điện:

• Đóng hoặc ngắt khoá K: làm cho dòng điện qua nam châm điện xuất hiện hoặc mất đi → $B$ thay đổi đột ngột từ 0 lên giá trị nào đó hoặc ngược lại.
• Di chuyển con chạy trên biến trở $R$: làm thay đổi cường độ dòng điện qua nam châm điện → $B$ thay đổi.

II. Hiện tượng cảm ứng điện từ

Câu hỏi trang 67

Đề bài: Từ các cách làm biến thiên từ thông qua cuộn dây dẫn kín, hãy đề xuất một số phương án thí nghiệm minh hoạ hiện tượng cảm ứng điện từ.

Lời giải:

Một số phương án thí nghiệm minh hoạ hiện tượng cảm ứng điện từ:

• Phương án 1: Dùng nam châm vĩnh cửu di chuyển lại gần hoặc ra xa cuộn dây kín (nối với điện kế). Quan sát kim điện kế lệch khỏi vạch số 0 → chứng tỏ có dòng điện cảm ứng.
• Phương án 2: Đặt cuộn dây kín cạnh nam châm điện. Đóng hoặc ngắt khoá K của mạch nam châm điện → từ trường xuất hiện hoặc mất đi → kim điện kế lệch.
• Phương án 3: Đặt cuộn dây kín cạnh nam châm điện đang có dòng điện. Di chuyển con chạy biến trở để thay đổi cường độ dòng điện qua nam châm điện → $B$ thay đổi → kim điện kế lệch.
• Phương án 4: Xoay cuộn dây trong từ trường của nam châm → góc $\alpha$ thay đổi liên tục → kim điện kế dao động.

Hoạt động trang 68 (Thí nghiệm 1)

Đề bài: Từ kết quả thí nghiệm với nam châm và cuộn dây (Hình 16.6), thực hiện các yêu cầu:

1. Khi nào kim điện kế dịch chuyển? Kim điện kế lệch khỏi vạch 0 chứng tỏ điều gì?
2. Giải thích sự biến thiên từ thông qua cuộn dây trong các trường hợp trên.
3. Nhận xét về mối liên hệ giữa sự biến thiên của từ thông qua cuộn dây với sự xuất hiện của dòng điện cảm ứng trong cuộn dây đó.

Lời giải:

1. Kim điện kế chỉ dịch chuyển khi nam châm chuyển động (lại gần hoặc ra xa cuộn dây). Khi nam châm đứng yên thì kim điện kế đứng yên ở vạch 0.

Kim điện kế lệch khỏi vạch 0 chứng tỏ có dòng điện chạy qua cuộn dây (đây là dòng điện cảm ứng).

2. Giải thích:

• Khi nam châm lại gần cuộn dây → số đường sức từ xuyên qua cuộn dây tăng → từ thông qua cuộn dây tăng.
• Khi nam châm ra xa cuộn dây → số đường sức từ xuyên qua cuộn dây giảm → từ thông qua cuộn dây giảm.

→ Trong cả hai trường hợp, từ thông qua cuộn dây đều biến thiên.

3. Nhận xét: Khi từ thông qua cuộn dây kín biến thiên (tăng hoặc giảm) thì trong cuộn dây xuất hiện dòng điện cảm ứng. Nếu từ thông không biến thiên (nam châm đứng yên) thì không có dòng điện cảm ứng.

Hoạt động trang 68 (Thí nghiệm 2)

Đề bài: Từ kết quả thí nghiệm với nam châm điện và cuộn dây (Hình 16.7), thực hiện các yêu cầu:

1. Khi đóng, ngắt khoá K hoặc di chuyển con chạy trên biến trở thì kim điện kế có lệch khỏi vạch số 0 không? Giải thích.
2. Khi đóng hoặc ngắt khoá K, đại lượng nào trong công thức (16.1) thay đổi làm xuất hiện dòng điện cảm ứng trong cuộn dây dẫn kín?

Lời giải:

1. Khi đóng, ngắt khoá K hoặc di chuyển con chạy trên biến trở, kim điện kế có lệch khỏi vạch số 0.

Giải thích:

• Đóng/ngắt khoá K → dòng điện qua nam châm điện xuất hiện hoặc mất đi → cảm ứng từ $B$ do nam châm điện sinh ra thay đổi.
• Di chuyển con chạy biến trở → cường độ dòng điện qua nam châm điện thay đổi → cảm ứng từ $B$ thay đổi.

→ Trong cả hai trường hợp, $B$ thay đổi làm từ thông qua cuộn dây (2) biến thiên → xuất hiện dòng điện cảm ứng.

2. Khi đóng hoặc ngắt khoá K, đại lượng $B$ (cảm ứng từ) trong công thức $\Phi = BS\cos\alpha$ thay đổi (còn $S$ và $\alpha$ giữ nguyên).

• Khi đóng K: $B$ tăng từ 0 lên một giá trị nào đó → $\Phi$ tăng.
• Khi ngắt K: $B$ giảm từ giá trị đó về 0 → $\Phi$ giảm.

→ Từ thông biến thiên → xuất hiện dòng điện cảm ứng.

III. Chiều dòng điện cảm ứng. Định luật Lenz

Hoạt động trang 69

Đề bài: Hãy xác định chiều quấn của cuộn dây (2) trong thí nghiệm 2 (Hình 16.7) và vận dụng định luật Lenz để kiểm chứng chiều dòng điện cảm ứng trong cuộn dây này khi đóng hoặc ngắt khoá K (4).

Lời giải:

• Xác định chiều quấn của cuộn dây (2):

Dựa vào Hình 16.7, khi đóng khoá K, dòng điện chạy qua cuộn dây nam châm điện (1) theo chiều kim đồng hồ. Áp dụng quy tắc nắm bàn tay phải cho ống dây, ta xác định được chiều của cảm ứng từ $\vec{B_0}$ do nam châm điện sinh ra.

• Vận dụng định luật Lenz để kiểm chứng:

Khi đóng khoá K:

• Dòng điện qua nam châm điện tăng từ 0 lên → $B_0$ tăng → từ thông $\Phi$ qua cuộn dây (2) tăng.
• Theo định luật Lenz, dòng điện cảm ứng $i_c$ trong cuộn dây (2) phải có chiều làm giảm từ thông qua cuộn dây (2), tức sinh ra $\vec{B_c}$ ngược chiều với $\vec{B_0}$.
• Áp dụng quy tắc nắm bàn tay phải với $\vec{B_c}$: dòng điện cảm ứng $i_c$ trong cuộn dây (2) có chiều ngược chiều kim đồng hồ.

Khi ngắt khoá K:

• Dòng điện qua nam châm điện giảm về 0 → $B_0$ giảm → từ thông $\Phi$ qua cuộn dây (2) giảm.
• Theo định luật Lenz, dòng điện cảm ứng $i_c$ phải có chiều làm tăng từ thông qua cuộn dây (2), tức sinh ra $\vec{B_c}$ cùng chiều với $\vec{B_0}$.
• Áp dụng quy tắc nắm bàn tay phải với $\vec{B_c}$: dòng điện cảm ứng $i_c$ trong cuộn dây (2) có chiều cùng chiều kim đồng hồ (ngược lại với trường hợp đóng khoá K).

IV. Suất điện động cảm ứng. Định luật Faraday

Hoạt động trang 70

Đề bài: Thí nghiệm với thanh kim loại MN trượt trên hai đoạn dây dẫn điện MQ và NP được nối với ampe kế thành mạch điện kín như Hình 16.9. Mạch điện được đặt trong từ trường đều có cảm ứng từ $B$ vuông góc với mặt phẳng MNPQ. Xác định chiều dòng điện cảm ứng và biểu thức suất điện động cảm ứng trong mạch khi thanh kim loại trượt đều với tốc độ $v$ trên hai đoạn dây dẫn.’

Lời giải:

• Bước 1. Xét sự biến thiên từ thông:

Gọi $\ell$ là chiều dài thanh kim loại MN.

Khi thanh MN trượt đều với vận tốc $v$ về phía làm mạch MNPQ mở rộng, sau khoảng thời gian $\Delta t$:

• Thanh MN dịch chuyển được đoạn: $\Delta x = v \cdot \Delta t$.
• Diện tích mạch tăng lên: $\Delta S = \ell \cdot v \cdot \Delta t$.

Vì $\vec{B}$ vuông góc với mặt phẳng MNPQ (nên $\cos\alpha = 1$), độ biến thiên từ thông:

$$\Delta \Phi = B \cdot \Delta S = B \cdot \ell \cdot v \cdot \Delta t$$

• Bước 2. Biểu thức suất điện động cảm ứng:

Áp dụng định luật Faraday (mạch chỉ có 1 vòng, $N = 1$):

$$|e_c| = \left|\dfrac{\Delta \Phi}{\Delta t}\right| = B \cdot \ell \cdot v$$

• Bước 3. Chiều dòng điện cảm ứng:

• Thanh MN trượt sang phải → diện tích mạch tăng → từ thông $\Phi$ qua mạch tăng.
• Theo định luật Lenz: dòng cảm ứng $i_c$ phải sinh ra từ trường $\vec{B_c}$ ngược chiều với $\vec{B}$ (chống lại sự tăng của từ thông).
• Áp dụng quy tắc nắm bàn tay phải với $\vec{B_c}$ ngược chiều $\vec{B}$: xác định được chiều dòng cảm ứng trong mạch.

Dựa vào Hình 16.9 (với $\vec{B}$ hướng xuống dưới, vuông góc với mặt phẳng MNPQ), chiều dòng điện cảm ứng trong mạch chạy theo thứ tự: N → M → Q → P (tức trong thanh MN, dòng điện có chiều từ N đến M).

Kết luận:

• Biểu thức suất điện động cảm ứng: $\boxed{\varepsilon = B\ell v}$
• Chiều dòng điện cảm ứng: $N \to M \to Q \to P$.

Em có thể

Nêu được nguyên tắc hoạt động của máy phát điện

Lời giải:

Máy phát điện hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ.

• Cấu tạo cơ bản: gồm hai bộ phận chính:

• Một nam châm (tạo ra từ trường) — có thể là nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện.
• Một cuộn dây (khung dây) có nhiều vòng.

Tuỳ loại máy, có thể nam châm đứng yên còn cuộn dây quay, hoặc ngược lại cuộn dây đứng yên còn nam châm quay.

• Nguyên tắc hoạt động:

• Khi cuộn dây quay đều trong từ trường (hoặc nam châm quay quanh cuộn dây), góc $\alpha$ giữa vectơ pháp tuyến $\vec{n}$ của mặt cuộn dây và vectơ cảm ứng từ $\vec{B}$ thay đổi liên tục.
• Do đó, từ thông $\Phi = BS\cos\alpha$ qua cuộn dây biến thiên liên tục theo thời gian.
• Theo định luật Faraday, trong cuộn dây xuất hiện suất điện động cảm ứng:

$$e_c = -N \dfrac{\Delta \Phi}{\Delta t}$$

• Khi nối hai đầu cuộn dây với mạch ngoài kín → có dòng điện cảm ứng chạy trong mạch → máy phát ra điện.

• Ứng dụng:

Đây là nguyên tắc của các loại máy phát điện xoay chiều được sử dụng phổ biến trong các nhà máy thuỷ điện, nhiệt điện, điện gió, đi-na-mô xe đạp… cung cấp điện năng cho sinh hoạt và sản xuất.

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