I. GIỚI THIỆU VỀ ĐỊNH LUẬT LENZ

1. Định luật Lenz là gì?

Người phát hiện: Nhà vật lý người Đức – Nga Heinrich Friedrich Emil Lenz phát hiện và công bố định luật này vào năm 1834, chỉ 2 năm sau khi Faraday phát hiện hiện tượng cảm ứng điện từ.

Lĩnh vực: Định luật Lenz thuộc lĩnh vực cảm ứng điện từ – một trong những nội dung quan trọng nhất của Vật lý điện từ học.

Vai trò quan trọng: Định luật Lenz xác định chiều của dòng điện cảm ứng và suất điện động cảm ứng trong mạch kín khi có sự biến thiên từ thông. Đây là phần bổ sung thiết yếu cho định luật Faraday.

Mối liên hệ với định luật Faraday:

• Định luật Faraday: Xác định độ lớn của suất điện động cảm ứng
• Định luật Lenz: Xác định chiều của suất điện động cảm ứng và dòng điện cảm ứng
• Kết hợp: Hai định luật tạo thành bức tranh hoàn chỉnh về hiện tượng cảm ứng điện từ

2. Vị trí trong chương trình học

Chương trình Vật lý lớp 11: Chương Cảm ứng điện từ

Kiến thức cần có trước:

• Từ thông (Φ): $\Phi = BS\cos\alpha$
• Định luật Faraday: $|e_c| = \frac{|\Delta\Phi|}{\Delta t}$
• Quy tắc bàn tay phải (xác định chiều từ trường của dòng điện)

Kiến thức học sau:

• Suất điện động cảm ứng
• Dòng điện xoáy (dòng Foucault)
• Tự cảm
• Máy phát điện, máy biến áp

II. PHÁT BIỂU ĐỊNH LUẬT LENZ

1. Phát biểu chính thức

Định luật Lenz:

Dòng điện cảm ứng xuất hiện trong mạch kín có chiều sao cho từ trường do nó sinh ra có tác dụng chống lại sự biến thiên từ thông ban đầu qua mạch.

Phân tích các thành phần:

• “Dòng điện cảm ứng”: Dòng điện xuất hiện khi có sự biến thiên từ thông (không cần nguồn điện)
• “trong mạch kín”: Điều kiện bắt buộc – phải có mạch kín thì mới có dòng điện chạy
• “có chiều sao cho”: Định luật Lenz xác định chiều, không phải độ lớn
• “từ trường do nó sinh ra”: Từ trường cảm ứng $\vec{B_c}$ do dòng điện cảm ứng tạo ra
• “chống lại”: Từ khóa quan trọng nhất – xu hướng “phản kháng” sự thay đổi
• “sự biến thiên từ thông ban đầu”: Nguyên nhân gây ra hiện tượng cảm ứng

2. Phát biểu dễ hiểu hơn

Nguyên tắc “chống lại sự thay đổi”:

Tự nhiên có xu hướng chống lại mọi sự thay đổi. Khi từ thông qua mạch kín thay đổi, dòng điện cảm ứng xuất hiện với chiều sao cho:

• Khi từ thông tăng: Từ trường cảm ứng $\vec{B_c}$ có chiều ngược với từ trường ban đầu $\vec{B_0}$ để chống lại sự tăng (làm giảm tốc độ tăng)
• Khi từ thông giảm: Từ trường cảm ứng $\vec{B_c}$ có chiều cùng với từ trường ban đầu $\vec{B_0}$ để chống lại sự giảm (cố gắng duy trì)

Ví dụ minh họa: Giống như khi bạn đẩy một vật, vật có xu hướng chống lại lực đẩy (ma sát, quán tính). Trong cảm ứng điện từ, từ trường cảm ứng cũng “chống lại” sự thay đổi từ thông.

3. Minh họa bằng hình vẽ

Trường hợp 1: Từ thông TĂNG

     Nam châm (N xuống)
           ↓
        ╔══════╗
     B₀ ↓↓↓↓↓↓ ║  ← Vòng dây
        ╚══════╝
        ↑↑↑↑↑↑
          B_c
      (ngược chiều)
      
→ Dòng điện: Ngược kim đồng hồ (nhìn từ trên)

Trường hợp 2: Từ thông GIẢM

     Nam châm (N rời xa lên)
           ↑
        ╔══════╗
     B₀ ↓↓↓↓↓↓ ║  ← Vòng dây
        ╚══════╝
        ↓↓↓↓↓↓
          B_c
       (cùng chiều)
       
→ Dòng điện: Cùng kim đồng hồ (nhìn từ trên)

4. Dấu âm trong công thức Faraday

Định luật Faraday kết hợp với định luật Lenz có dạng đầy đủ:

$$\boxed{e_c = -\frac{\Delta\Phi}{\Delta t}}$$

Ý nghĩa của dấu “-” (dấu trừ):

• Dấu “-” chính là biểu hiện toán học của định luật Lenz
• Thể hiện tính chất “chống lại” sự biến thiên
• Đảm bảo chiều suất điện động ngược với chiều tăng của từ thông
• Đảm bảo định luật bảo toàn năng lượng được thỏa mãn

Giải thích chi tiết:

• Nếu $\Delta\Phi > 0$ (từ thông tăng) → $e_c < 0$ (suất điện động ngược chiều)
• Nếu $\Delta\Phi < 0$ (từ thông giảm) → $e_c > 0$ (suất điện động cùng chiều)

5. So sánh Faraday và Lenz

Công thức kết hợp đầy đủ:

$$e_c = -\frac{\Delta\Phi}{\Delta t} = -\frac{\Delta(BS\cos\alpha)}{\Delta t}$$

Công thức này vừa cho biết độ lớn (Faraday) vừa cho biết chiều (Lenz – dấu trừ).

III. ĐỊNH LUẬT LENZ DÙNG ĐỂ XÁC ĐỊNH

1. Xác định chiều dòng điện cảm ứng

Phương pháp 3 bước (Quan trọng nhất!):

Bước 1: Xác định từ trường ban đầu và sự biến thiên từ thông

Xác định chiều $\vec{B_0}$:

• Từ cực N của nam châm → cực S
• Hoặc dùng quy tắc nắm tay phải cho dòng điện

Xác định xu hướng biến thiên:

• Từ thông tăng (ΔΦ > 0): Nam châm lại gần, tăng B, tăng S, giảm α
• Từ thông giảm (ΔΦ < 0): Nam châm ra xa, giảm B, giảm S, tăng α

Bước 2: Xác định chiều từ trường cảm ứng $\vec{B_c}$

Áp dụng nguyên tắc Lenz:

$$\boxed{\text{Nếu Φ tăng} \Rightarrow \vec{B_c} \text{ ngược chiều } \vec{B_0}}$$

$$\boxed{\text{Nếu Φ giảm} \Rightarrow \vec{B_c} \text{ cùng chiều } \vec{B_0}}$$

Giải thích:

• Φ tăng → cần tạo từ trường ngược lại để chống lại sự tăng
• Φ giảm → cần tạo từ trường cùng chiều để bù vào phần giảm

Bước 3: Dùng quy tắc nắm tay phải xác định chiều dòng điện

Quy tắc nắm tay phải:

• Ngón cái: Chiều từ trường cảm ứng $\vec{B_c}$ (đã xác định ở bước 2)
• Bốn ngón còn lại khum tròn: Chiều dòng điện cảm ứng $\vec{i_c}$

Lưu ý: Đây là quy tắc xác định chiều dòng điện khi biết chiều từ trường, khác với quy tắc bàn tay phải (xác định lực từ).

2. Xác định chiều suất điện động cảm ứng

Quy ước:

• Chiều suất điện động cảm ứng trùng với chiều dòng điện cảm ứng khi mạch kín
• Suất điện động có chiều từ cực âm (-) đến cực dương (+) bên trong nguồn

Mối quan hệ: $$\text{Chiều } \vec{e_c} = \text{Chiều } \vec{i_c} \text{ (trong mạch kín)}$$

3. Xác định cực của nguồn điện cảm ứng

Quy ước cực nguồn:

Khi xác định được chiều dòng điện cảm ứng:

• Cực dương (+): Điểm mà dòng điện đi ra (bên ngoài nguồn)
• Cực âm (-): Điểm mà dòng điện đi vào (bên ngoài nguồn)

Lưu ý:

• Bên trong nguồn: dòng điện đi từ (-) sang (+)
• Bên ngoài nguồn (mạch): dòng điện đi từ (+) sang (-)

4. Ví dụ minh họa chi tiết

Bài toán: Một nam châm thanh có cực Bắc (N) hướng xuống dưới, rơi thẳng đứng xuyên qua tâm của vòng dây tròn nằm ngang. Xác định chiều dòng điện cảm ứng trong vòng dây (nhìn từ phía trên xuống) khi:

a) Nam châm đang tiến lại gần vòng dây (chưa xuyên qua)

b) Nam châm đang rời xa vòng dây (đã xuyên qua)

Lời giải chi tiết:

Câu a) Nam châm tiến lại gần vòng dây:

Bước 1: Xác định từ trường ban đầu và xu hướng biến thiên

• Từ trường của nam châm: $\vec{B_0}$ hướng từ cực N xuống cực S → hướng xuống (xuyên qua vòng dây từ trên xuống)
• Nam châm lại gần → Cường độ từ trường qua vòng dây tăng
• Kết luận: Từ thông tăng (ΔΦ > 0)

Bước 2: Xác định chiều từ trường cảm ứng

• Vì từ thông tăng → Theo định luật Lenz: phải chống lại sự tăng
• Từ trường cảm ứng $\vec{B_c}$ phải ngược chiều với $\vec{B_0}$
• Kết luận: $\vec{B_c}$ hướng lên (từ dưới lên trên)

Bước 3: Xác định chiều dòng điện

• Dùng quy tắc nắm tay phải:
  • Ngón cái: hướng lên (theo $\vec{B_c}$)
  • Bốn ngón: khum theo chiều dòng điện
• Kết luận: Dòng điện chạy ngược chiều kim đồng hồ (nhìn từ trên xuống)

Đáp án: Dòng điện cảm ứng chạy ngược chiều kim đồng hồ.

Câu b) Nam châm rời xa vòng dây:

Bước 1: Xác định từ trường ban đầu và xu hướng biến thiên

• Từ trường: $\vec{B_0}$ vẫn hướng xuống (từ N xuống)
• Nam châm rời xa → Cường độ từ trường qua vòng dây giảm
• Kết luận: Từ thông giảm (ΔΦ < 0)

Bước 2: Xác định chiều từ trường cảm ứng

• Vì từ thông giảm → Theo định luật Lenz: phải chống lại sự giảm
• Từ trường cảm ứng $\vec{B_c}$ phải cùng chiều với $\vec{B_0}$ (để bù vào phần giảm)
• Kết luận: $\vec{B_c}$ hướng xuống

Bước 3: Xác định chiều dòng điện

• Dùng quy tắc nắm tay phải:
  • Ngón cái: hướng xuống (theo $\vec{B_c}$)
  • Bốn ngón: khum theo chiều dòng điện
• Kết luận: Dòng điện chạy cùng chiều kim đồng hồ (nhìn từ trên xuống)

Đáp án: Dòng điện cảm ứng chạy cùng chiều kim đồng hồ.

Nhận xét:

• Hai trường hợp có chiều dòng điện ngược nhau
• Khi nam châm lại gần: dòng điện tạo lực đẩy (chống lại)
• Khi nam châm ra xa: dòng điện tạo lực hút (chống lại)
• Cả hai đều tuân theo nguyên tắc “chống lại sự thay đổi”

IV. ĐỊNH LUẬT LENZ LÀ HỆ QUẢ CỦA ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯỢNG

1. Nguyên lý bảo toàn năng lượng

Định luật bảo toàn năng lượng:

Năng lượng không tự sinh ra, không tự mất đi, chỉ chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác hoặc truyền từ vật này sang vật khác.

Áp dụng vào cảm ứng điện từ:

Khi có dòng điện cảm ứng xuất hiện (năng lượng điện), phải có một dạng năng lượng khác giảm đi để bù vào. Định luật Lenz đảm bảo điều này xảy ra.

Phân tích hai tình huống giả định:

Tình huống 1: KHÔNG có định luật Lenz (giả thuyết)

Giả sử: Dòng điện cảm ứng KHÔNG chống lại sự biến thiên

Nam châm rơi xuống vòng dây
    ↓
Từ thông tăng
    ↓
Dòng điện cảm ứng xuất hiện
    ↓
(Giả sử) Từ trường cảm ứng CÙNG chiều với từ trường ban đầu
    ↓
Từ thông tăng THÊM
    ↓
Dòng điện cảm ứng MẠNH HƠN
    ↓
Từ thông tăng NHANH HƠN NỮA
    ↓
Chu trình lặp lại vô hạn
    ↓
NĂNG LƯỢNG SINH RA VÔ HẠN ❌
    ↓
VI PHẠM định luật bảo toàn năng lượng!

Kết luận: Nếu không có định luật Lenz, ta sẽ có “máy móc vĩnh cửu” – điều không thể xảy ra trong thực tế!

Tình huống 2: CÓ định luật Lenz (thực tế)

Thực tế: Dòng điện cảm ứng CHỐNG LẠI sự biến thiên

Nam châm rơi xuống vòng dây
    ↓
Từ thông tăng
    ↓
Dòng điện cảm ứng xuất hiện
    ↓
Từ trường cảm ứng NGƯỢC chiều với từ trường ban đầu (Lenz)
    ↓
Lực đẩy xuất hiện (chống lại chuyển động của nam châm)
    ↓
Cần tốn CÔNG để thắng lực đẩy
    ↓
Năng lượng cơ học (động năng nam châm) → Năng lượng điện
    ↓
BẢO TOÀN NĂNG LƯỢNG ✓

Kết luận: Định luật Lenz đảm bảo định luật bảo toàn năng lượng được thỏa mãn!

2. Giải thích chi tiết chuyển hóa năng lượng

Trường hợp cụ thể: Nam châm rơi xuyên qua vòng dây kín

Không có định luật Lenz (không thể):

• Nam châm rơi tự do: $a = g$
• Không có lực cản
• Năng lượng điện xuất hiện “tự nhiên”
• Năng lượng tổng tăng → Vi phạm bảo toàn!

Có định luật Lenz (thực tế):

• Nam châm rơi chậm lại: $a < g$
• Lực cản từ (lực Lorentz) xuất hiện
• Động năng giảm → Năng lượng điện tăng
• Năng lượng tổng không đổi → Bảo toàn ✓

Phương trình năng lượng:

$$\boxed{W_{cơ} = W_{điện} + W_{nhiệt}}$$

Trong đó:

• $W_{cơ}$: Công của lực bên ngoài (đẩy nam châm, quay khung dây…)
• $W_{điện}$: Năng lượng điện sinh ra trong mạch
• $W_{nhiệt}$: Nhiệt lượng tỏa ra do điện trở ($Q = I^2Rt$)

Ví dụ số:

• Đẩy nam châm vào vòng dây tốn công 10J
• Năng lượng điện thu được: 7J
• Nhiệt tỏa ra trên điện trở: 3J
• Tổng: 7J + 3J = 10J ✓

3. Chứng minh định luật Lenz thỏa mãn bảo toàn năng lượng

Xét hệ: Nam châm + Vòng dây

Giả sử: Định luật Lenz không đúng (dòng điện không chống lại)

Phân tích:

1. Nam châm rơi → Từ thông tăng → Dòng điện $i_c$ xuất hiện
2. Nếu $i_c$ tạo từ trường cùng chiều $\vec{B_0}$ → Lực hút xuất hiện
3. Nam châm bị hút mạnh hơn → Rơi nhanh hơn
4. Từ thông tăng nhanh hơn → $i_c$ mạnh hơn
5. Lực hút mạnh hơn nữa → Vòng lặp vô tận
6. Động năng nam châm tăng + Năng lượng điện sinh ra
7. Năng lượng tổng tăng → Sai!

Kết luận: Định luật Lenz BẮT BUỘC phải đúng để thỏa mãn bảo toàn năng lượng.

4. Ví dụ thực tế: Phanh điện từ (Phanh Eddy)

Cấu tạo:

• Đĩa kim loại (đồng, nhôm) gắn với bánh xe
• Nam châm hoặc cuộn dây tạo từ trường

Nguyên lý hoạt động:

Bước 1: Đĩa quay → Từ thông qua các phần đĩa thay đổi liên tục

Bước 2: Xuất hiện dòng điện xoáy (dòng Foucault) trong đĩa

Bước 3: Theo định luật Lenz → Dòng điện tạo lực chống lại chuyển động quay

Bước 4: Đĩa bị hãm → Động năng → Nhiệt năng (đĩa nóng lên)

Ứng dụng:

• Tàu cao tốc (Shinkansen, TGV)
• Thang máy
• Máy điện
• Cân điện tử (giảm dao động)

Ưu điểm:

• Không ma sát cơ học
• Không mài mòn
• Hãm mượt mà
• Bảo dưỡng ít

V. QUY TẮC XÁC ĐỊNH CHIỀU

1. Quy tắc bàn tay phải (xác định chiều từ trường từ dòng điện)

Mục đích: Biết chiều dòng điện → xác định chiều từ trường do dòng điện đó tạo ra.

Cách sử dụng:

Đối với dòng điện thẳng:

• Ngón cái: Chiều dòng điện
• Bốn ngón còn lại: Khum theo chiều đường sức từ (vòng quanh dây dẫn)

Đối với vòng dây tròn:

• Bốn ngón: Chiều dòng điện trong vòng dây
• Ngón cái: Chiều từ trường ở tâm vòng dây (bên trong lòng bàn tay)

2. Quy tắc nắm tay phải (xác định chiều dòng điện từ từ trường)

Mục đích: Biết chiều từ trường cần tạo ra → xác định chiều dòng điện.

Cách sử dụng:

Đối với vòng dây:

• Ngón cái: Chiều từ trường cảm ứng $\vec{B_c}$ (đã xác định theo Lenz)
• Bốn ngón khum lại: Chiều dòng điện cảm ứng $\vec{i_c}$ trong vòng dây

Đối với ống dây (cuộn dây):

• Ngón cái: Chiều từ trường bên trong ống dây
• Bốn ngón: Chiều dòng điện quấn quanh ống

Lưu ý: Đây chính là quy tắc dùng trong định luật Lenz (Bước 3)!

3. Thuật toán 4 bước xác định chiều (Tổng hợp)

Bước 1: Phân tích tình huống

Câu hỏi cần trả lời:

• Nam châm/dòng điện di chuyển theo hướng nào?
• Tiến lại gần hay rời xa vòng dây?
• Khung dây chuyển động vào hay ra khỏi từ trường?
• Cường độ dòng điện/từ trường tăng hay giảm?

Mục đích: Hiểu rõ bối cảnh vật lý của bài toán.

Bước 2: Xác định xu hướng biến đổi từ thông

Phân tích từ thông: $\Phi = BS\cos\alpha$

Từ thông tăng (ΔΦ > 0) khi:

• Cường độ từ trường B tăng (nam châm lại gần, tăng I…)
• Diện tích S tăng (khung dây mở rộng, di chuyển vào từ trường…)
• Góc α giảm (mặt phẳng khung vuông góc hơn với $\vec{B}$…)

Từ thông giảm (ΔΦ < 0) khi:

• Cường độ từ trường B giảm (nam châm ra xa, giảm I…)
• Diện tích S giảm (khung dây thu hẹp, di chuyển ra khỏi từ trường…)
• Góc α tăng (mặt phẳng khung song song hơn với $\vec{B}$…)

Kết luận: Xác định rõ ΔΦ > 0 hay ΔΦ < 0.

Bước 3: Áp dụng định luật Lenz

Nguyên tắc vàng:

$$\boxed{\begin{cases} \text{Từ thông TĂNG} & \Rightarrow \vec{B_c} \text{ NGƯỢC chiều } \vec{B_0} \\ \text{Từ thông GIẢM} & \Rightarrow \vec{B_c} \text{ CÙNG chiều } \vec{B_0} \end{cases}}$$

Giải thích:

• Tăng → Ngược: Tạo từ trường đối kháng để chống lại sự tăng
• Giảm → Cùng: Tạo từ trường hỗ trợ để chống lại sự giảm

Kết quả: Xác định được chiều của $\vec{B_c}$.

Bước 4: Dùng quy tắc nắm tay phải

Từ $\vec{B_c}$ → Suy ra chiều $\vec{i_c}$:

• Nắm bàn tay phải
• Ngón cái: Hướng theo $\vec{B_c}$ (đã biết từ bước 3)
• Bốn ngón khum: Chiều dòng điện cảm ứng $\vec{i_c}$

Kết quả cuối cùng: Chiều dòng điện cảm ứng (cùng hoặc ngược chiều kim đồng hồ, hoặc ABCD…)

4. Mẹo nhớ nhanh

Khẩu quyết định luật Lenz:

“CHỐNG LẠI = NGƯỢC XU HƯỚNG”

Câu nhớ:

“Tăng thì ngược, giảm thì cùng”

• Tăng → Ngược (2 từ đều 5 chữ cái)
• Giảm → Cùng (2 từ đều 4 chữ cái)

Hình ảnh minh họa nhớ:

Φ tăng:  ⬆️ → B_c: ⬇️  (Ngược)
Φ giảm:  ⬇️ → B_c: ⬇️  (Cùng)

VI. BÀI TẬP VỀ ĐỊNH LUẬT LENZ

Dạng 1: Nam châm tiến lại gần vòng dây

Đề bài: Cực Bắc (N) của một nam châm thanh tiến lại gần mặt phẳng của một vòng dây tròn đặt cố định. Xác định chiều dòng điện cảm ứng trong vòng dây (nhìn từ phía nam châm)?

Phân tích:

• Vật di chuyển: Nam châm (cực N tiến lại)
• Vòng dây: Cố định, nhận từ trường

Lời giải:

Bước 1: Xác định chiều từ trường ban đầu và xu hướng

• Từ trường của nam châm: $\vec{B_0}$ hướng từ N ra ngoài → hướng vào vòng dây
• Nam châm lại gần → Cường độ từ trường qua vòng dây tăng
• Kết luận: Từ thông tăng

Bước 2: Áp dụng định luật Lenz

• Từ thông tăng → Từ trường cảm ứng $\vec{B_c}$ phải ngược chiều với $\vec{B_0}$
• $\vec{B_0}$ hướng vào → $\vec{B_c}$ hướng ra (về phía nam châm)

Bước 3: Xác định chiều dòng điện

• Dùng quy tắc nắm tay phải:
  • Ngón cái: hướng ra (theo $\vec{B_c}$)
  • Bốn ngón: chiều dòng điện
• Kết luận: Dòng điện chạy ngược chiều kim đồng hồ (nhìn từ phía nam châm)

Đáp án: Dòng điện cảm ứng có chiều ngược kim đồng hồ.

Giải thích vật lý: Dòng điện này tạo ra một từ cực giống cực N ở mặt vòng dây gần nam châm, tạo lực đẩy chống lại sự tiến lại gần của nam châm.

Dạng 2: Khung dây chuyển động trong từ trường

Đề bài: Một khung dây hình chữ nhật ABCD đang nằm hoàn toàn trong một từ trường đều có các đường sức từ vuông góc với mặt phẳng khung và hướng vào trong. Kéo khung dây ra ngoài từ trường theo chiều từ AB sang CD. Xác định chiều dòng điện cảm ứng trong khung?

Phân tích:

• Từ trường: Đều, vuông góc, hướng vào
• Khung dây: Di chuyển ra ngoài

Lời giải:

Bước 1: Xác định xu hướng biến thiên

• Ban đầu: Từ thông $\Phi_0 = BS$ (cực đại, toàn bộ khung trong từ trường)
• Kéo ra: Diện tích khung còn nằm trong từ trường giảm
• Kết luận: Từ thông giảm

Bước 2: Áp dụng định luật Lenz

• Từ thông giảm → Từ trường cảm ứng $\vec{B_c}$ phải cùng chiều với $\vec{B_0}$
• $\vec{B_0}$ hướng vào trong → $\vec{B_c}$ cũng hướng vào trong

Bước 3: Xác định chiều dòng điện

• Dùng quy tắc nắm tay phải:
  • Ngón cái: hướng vào trong (theo $\vec{B_c}$)
  • Bốn ngón: chiều dòng điện
• Nhìn từ phía trong ra: Dòng điện chạy cùng chiều kim đồng hồ
• Theo các cạnh khung: A → B → C → D → A

Đáp án: Chiều dòng điện cảm ứng: A → B → C → D → A.

Giải thích vật lý: Dòng điện tạo lực từ tác dụng lên các cạnh khung, lực này chống lại chuyển động kéo ra (lực hút khung vào trong).

Dạng 3: Mở/đóng công tắc – Hai vòng dây đồng trục

Đề bài: Hai vòng dây tròn đồng trục đặt gần nhau. Vòng dây thứ nhất (vòng 1) nối với nguồn điện một chiều qua công tắc K. Vòng dây thứ hai (vòng 2) là mạch kín. Khi đóng công tắc K, xác định chiều dòng điện cảm ứng trong vòng 2 (nhìn từ phía vòng 1)?

Cho biết: Dòng điện trong vòng 1 chạy cùng chiều kim đồng hồ (nhìn từ phía vòng 2).

Lời giải:

Bước 1: Xác định từ trường và xu hướng

• Trước khi đóng K: Không có dòng điện trong vòng 1 → Không có từ trường
• Đóng K: Dòng điện trong vòng 1 tăng từ 0 → Từ trường do vòng 1 tạo ra tăng
• Chiều từ trường vòng 1 (dùng quy tắc bàn tay phải, dòng cùng kim đồng hồ): Hướng về phía vòng 2
• Kết luận: Từ thông qua vòng 2 tăng

Bước 2: Áp dụng định luật Lenz

• Từ thông qua vòng 2 tăng → Từ trường cảm ứng trong vòng 2 phải ngược chiều
• Từ trường vòng 1 hướng đến vòng 2 → Từ trường cảm ứng vòng 2 hướng ngược lại (về phía vòng 1)

Bước 3: Xác định chiều dòng điện

• Dùng quy tắc nắm tay phải cho vòng 2:
  • Ngón cái: hướng về vòng 1 (ngược với từ trường vòng 1)
  • Bốn ngón: chiều dòng điện trong vòng 2
• Kết luận: Dòng điện trong vòng 2 chạy ngược chiều kim đồng hồ (nhìn từ phía vòng 1)

Đáp án: Dòng điện cảm ứng trong vòng 2 ngược chiều với dòng điện trong vòng 1.

Lưu ý: Nếu ngắt công tắc K (dòng điện giảm từ I về 0), chiều dòng cảm ứng sẽ ngược lại (cùng chiều với dòng ban đầu).

Dạng 4: Quay khung dây trong từ trường

Đề bài: Một khung dây phẳng hình chữ nhật quay đều quanh một trục nằm trong mặt phẳng khung, trong một từ trường đều có $\vec{B}$ vuông góc với trục quay. Tại thời điểm $t_0$, mặt phẳng khung vuông góc với $\vec{B}$ và khung đang quay từ vị trí song song với $\vec{B}$. Xác định chiều dòng điện cảm ứng tại thời điểm $t_0$?

Phân tích:

• Khung quay liên tục
• Tại $t_0$: mặt khung vuông góc với $\vec{B}$ (từ thông cực đại)
• Khung vừa quay qua vị trí song song (từ thông = 0)

Lời giải:

Bước 1: Xác định xu hướng biến thiên từ thông

• Trước $t_0$ (song song): $\Phi = 0$
• Tại $t_0$ (vuông góc): $\Phi = BS$ (cực đại)
• Kết luận: Từ $\Phi = 0$ đến $\Phi = BS$ → Từ thông đang tăng

Bước 2: Áp dụng định luật Lenz

• Từ thông tăng → Từ trường cảm ứng $\vec{B_c}$ ngược chiều với $\vec{B}$

Bước 3: Xác định chiều dòng điện

• Dùng quy tắc nắm tay phải:
  • Ngón cái: ngược chiều $\vec{B}$
  • Bốn ngón: chiều dòng điện
• (Cần biết cụ thể chiều $\vec{B}$ để xác định chính xác chiều dòng)

Đáp án: Dòng điện cảm ứng có chiều sao cho từ trường do nó tạo ra ngược chiều với $\vec{B}$.

Lưu ý: Khi khung tiếp tục quay qua vị trí vuông góc (từ thông bắt đầu giảm), chiều dòng điện sẽ đổi chiều.

Dạng 5: Hiện tượng tự cảm

Đề bài: Một ống dây có dòng điện một chiều đang chạy qua với cường độ I không đổi. Đột ngột tăng cường độ dòng điện lên. Xác định chiều suất điện động tự cảm xuất hiện trong ống dây?

Lời giải:

Bước 1: Phân tích hiện tượng

• Ban đầu: Dòng điện I → Từ trường $\vec{B}$ trong ống dây
• Tăng I → Từ trường tăng → Từ thông qua các vòng dây của chính ống tăng
• Kết luận: Từ thông tự cảm tăng

Bước 2: Áp dụng định luật Lenz

• Từ thông tăng → Suất điện động tự cảm phải tạo dòng điện chống lại sự tăng
• Dòng điện tự cảm phải ngược chiều với dòng điện chính (đang tăng)

Bước 3: Kết luận

• Suất điện động tự cảm có chiều ngược với chiều dòng điện đang tăng
• Suất điện động này cản trở sự tăng của dòng điện (không cho tăng đột ngột)

Đáp án: Suất điện động tự cảm có chiều ngược với chiều dòng điện chính.

Giải thích: Đây là lý do tại sao dòng điện trong mạch có cuộn cảm không thể tăng hoặc giảm đột ngột (khác với mạch thuần trở).

Dạng 6: Bài toán tổng hợp – So sánh gia tốc

Đề bài: Thả một nam châm thanh nhẹ rơi tự do xuyên qua tâm của một vòng dây tròn nằm ngang cố định. So sánh gia tốc rơi của nam châm trong hai trường hợp:

a) Vòng dây để hở (không kín mạch)

b) Vòng dây kín (nối hai đầu lại)

Lời giải:

Trường hợp a) Vòng dây hở:

• Vòng dây hở → Không có dòng điện cảm ứng chạy qua (mạch hở)
• Không có từ trường cảm ứng
• Không có lực từ tác dụng lên nam châm
• Nam châm rơi tự do: $a_1 = g$

Trường hợp b) Vòng dây kín:

• Vòng dây kín → Có dòng điện cảm ứng $i_c$
• Theo định luật Lenz: Dòng điện tạo từ trường chống lại chuyển động
• Xuất hiện lực từ tác dụng lên nam châm:
  • Khi nam châm lại gần: Lực đẩy (hướng lên) ↑
  • Khi nam châm ra xa: Lực hút (hướng lên) ↑
• Lực tổng hợp: $F = mg – F_{từ}$
• Gia tốc: $a_2 = \frac{F}{m} = g – \frac{F_{từ}}{m} < g$

So sánh: $$\boxed{a_{hở} = g > a_{kín} < g}$$

Kết luận:

• Vòng dây hở: $a = g$ (rơi tự do bình thường)
• Vòng dây kín: $a < g$ (rơi chậm hơn do lực cản từ)

Giải thích năng lượng:

• Động năng của nam châm → Năng lượng điện trong vòng dây → Nhiệt năng (do điện trở)
• Bảo toàn năng lượng ✓

VII. ỨNG DỤNG THỰC TẾ CỦA ĐỊNH LUẬT LENZ

1. Phanh điện từ (Phanh Eddy – Phanh dòng điện xoáy)

Nguyên lý:

Khi một vật dẫn điện (thường là đĩa kim loại đồng hoặc nhôm) chuyển động trong từ trường, trong vật xuất hiện dòng điện xoáy (dòng Foucault). Theo định luật Lenz, dòng điện này tạo lực chống lại chuyển động → Hiệu ứng hãm.

Cấu tạo:

• Đĩa kim loại gắn với trục bánh xe/roto
• Nam châm điện hoặc nam châm vĩnh cửu tạo từ trường

Ưu điểm:

• Không ma sát cơ học → không mài mòn
• Hãm mượt mà, êm ái
• Không cần bảo dưỡng thường xuyên
• Hiệu quả cao ở tốc độ lớn

Ứng dụng:

• Tàu cao tốc: Shinkansen (Nhật), TGV (Pháp), Maglev
• Thang máy: Hệ thống an toàn phòng rơi
• Máy phát điện: Giảm dao động
• Đồng hồ điện: Giảm dao động kim chỉ

2. Cân điện tử – Giảm chấn điện từ

Nguyên lý:

Đĩa cân dao động trong từ trường → Dòng điện xoáy xuất hiện → Theo Lenz: lực cản chống lại dao động → Đĩa nhanh chóng ổn định.

Ưu điểm:

• Cân ổn định nhanh (< 2 giây)
• Chính xác cao
• Không tiếng động

Ứng dụng:

• Cân điện tử y tế
• Cân phân tích trong phòng thí nghiệm
• Cân công nghiệp

3. Bếp từ (Bếp cảm ứng điện từ)

Nguyên lý:

Dòng điện xoay chiều tần số cao (20-30 kHz) chạy qua cuộn dây bên dưới mặt bếp → Từ trường biến thiên → Dòng điện xoáy xuất hiện trong đáy nồi (kim loại sắt từ) → Tỏa nhiệt do hiệu ứng Jun-Lenxơ ($Q = I^2Rt$).

Đặc điểm:

• Chỉ đáy nồi nóng, mặt bếp không nóng (an toàn)
• Hiệu suất cao (> 90%)
• Nấu nhanh, tiết kiệm điện

Yêu cầu:

• Nồi phải làm từ vật liệu sắt từ (thép không gỉ từ tính, gang, thép carbon)
• Nồi nhôm, đồng, thủy tinh không dùng được

4. Máy phát điện

Nguyên lý:

Quay khung dây (roto) trong từ trường (stato) → Từ thông qua khung biến thiên → Sinh suất điện động cảm ứng. Theo định luật Lenz: xuất hiện lực cản chống lại sự quay → Cần tốn công để thắng lực cản.

Chuyển hóa năng lượng: $$\text{Cơ năng (quay roto)} \xrightarrow{\text{Lenz}} \text{Điện năng} + \text{Nhiệt năng (ma sát)}$$

Giải thích:

• Không có Lenz → Quay roto không tốn công → Điện năng sinh ra “tự nhiên” → Vi phạm bảo toàn năng lượng
• Có Lenz → Cần tốn công → Năng lượng được bảo toàn ✓

5. Cảm biến tốc độ (Cảm biến ABS)

Nguyên lý:

Bánh răng sắt từ gắn với trục bánh xe quay gần cuộn cảm → Từ thông qua cuộn dây biến thiên tuần hoàn → Sinh ra xung điện áp → Tần số xung tỉ lệ với tốc độ quay.

Ứng dụng:

• Hệ thống ABS (chống bó cứng phanh)
• Đo tốc độ xe
• Cảm biến vị trí crankshaft trong động cơ

6. Máy dò kim loại

Nguyên lý:

Cuộn dây phát tạo từ trường biến thiên → Khi có kim loại gần → Dòng điện xoáy trong kim loại → Từ trường cảm ứng (Lenz) → Cuộn dây thu nhận được tín hiệu thay đổi → Phát tín hiệu báo.

Ứng dụng:

• An ninh sân bay
• Tìm kim loại ngầm
• Khảo cổ học

VIII. MẸO VÀ LƯU Ý

1. Mẹo nhớ định luật Lenz

Từ khóa then chốt: “CHỐNG LẠI”

Định luật Lenz là định luật về sự “phản kháng” – Thiên nhiên không thích thay đổi!

Nguyên tắc: Mọi hiện tượng tự nhiên đều có xu hướng chống lại sự thay đổi để duy trì trạng thái cân bằng.

Ví dụ tương tự:

• Quán tính: Vật chống lại thay đổi vận tốc
• Nguyên lý Le Chatelier (Hóa học): Hệ chống lại thay đổi điều kiện
• Lenz: Từ trường cảm ứng chống lại thay đổi từ thông

Quy tắc đơn giản 2 dòng:

Φ TĂNG → B_c NGƯỢC chiều B₀
Φ GIẢM → B_c CÙNG chiều B₀

Cách nhớ bằng hình ảnh:

• Từ thông tăng: ⬆️ → Đẩy ngược lại: ⬇️
• Từ thông giảm: ⬇️ → Kéo lại: ⬇️ (cùng chiều)

Khẩu quyết 4 chữ:

“TĂNG – NGƯỢC, GIẢM – CÙNG”

Nhớ ngay cặp từ này là đã nắm 80% định luật Lenz!

2. Các sai lầm thường gặp và cách khắc phục

❌ SAI LẦM 1: Nhầm lẫn “cùng chiều” và “ngược chiều”

Nguyên nhân: Không phân tích kỹ xu hướng biến thiên (tăng hay giảm)

Cách khắc phục:

• Luôn viết rõ: “Từ thông TĂNG/GIẢM”
• Áp dụng ngay: Tăng → Ngược, Giảm → Cùng
• Kiểm tra lại logic: Phải “chống lại” sự thay đổi

❌ SAI LẦM 2: Quên xác định chiều từ trường ban đầu

Biểu hiện: Xác định được từ thông tăng/giảm nhưng không biết $\vec{B_c}$ hướng về đâu

Cách khắc phục:

• Bước đầu tiên: Vẽ hình, xác định rõ chiều $\vec{B_0}$
• Dùng quy tắc bàn tay phải cho dòng điện hoặc quy ước N→S cho nam châm
• Ghi chú chiều $\vec{B_0}$ trên hình vẽ

❌ SAI LẦM 3: Áp dụng sai quy tắc bàn tay phải

Sai: Nhầm lẫn quy tắc bàn tay phải với quy tắc bàn tay trái (lực từ)

Đúng:

• Bàn tay phải: Xác định từ trường từ dòng điện, hoặc dòng điện từ từ trường
• Bàn tay trái: Xác định lực từ tác dụng lên dòng điện (công thức $\vec{F} = q\vec{v} \times \vec{B}$)

Cách nhớ: Định luật Lenz dùng nắm tay phải (xoắn ốc phải)

❌ SAI LẦM 4: Không phân biệt từ thông tăng hay giảm

Nguyên nhân: Không hiểu rõ công thức từ thông $\Phi = BS\cos\alpha$

Cách khắc phục:

Từ thông tăng khi:

• B tăng (nam châm lại gần, dòng điện tăng)
• S tăng (khung dây mở rộng, di chuyển vào từ trường)
• $\cos\alpha$ tăng, tức α giảm (khung quay về vị trí vuông góc với $\vec{B}$)

Từ thông giảm khi:

• B giảm (nam châm ra xa, dòng điện giảm)
• S giảm (khung dây thu nhỏ, di chuyển ra khỏi từ trường)
• $\cos\alpha$ giảm, tức α tăng (khung quay về vị trí song song với $\vec{B}$)

Cô Trần Thị Bình

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Tổ trưởng chuyên môn Tổ Lý – Hóa – Sinh tại Edus

Trình độ: Cử nhân Sư phạm Vật lý, Hoá Học, Bằng Thạc sĩ, Chức danh nghề nghiệp Giáo viên THPT – Hạng II, Tin học ứng dụng cơ bản, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 12+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Gia Định