LÝ THUYẾT TRỌNG TÂM

I. TỪ THÔNG

1. Định nghĩa từ thông

Xét một vòng dây dẫn kín (C) có diện tích S, được đặt trong từ trường đều $\vec{B}$. Vẽ vectơ đơn vị pháp tuyến $\vec{n}$ của S. Chiều của $\vec{n}$ có thể chọn tùy ý. Góc hợp thành bởi $\vec{B}$ và $\vec{n}$ kí hiệu là α.

Từ thông (kí hiệu Φ) qua diện tích S là đại lượng được xác định bằng công thức:

$$\boxed{\Phi = BS\cos\alpha}$$

Trong đó:

2. Đơn vị từ thông

Đơn vị của từ thông trong hệ SI là Vêbe (Weber), kí hiệu Wb.

$$1 \text{ Wb} = 1 \text{ T} \cdot 1 \text{ m}^2$$

Ý nghĩa: Khi cảm ứng từ $\vec{B}$ vuông góc với mặt phẳng vòng dây (α = 0), nếu vòng dây có diện tích 1 m² đặt trong từ trường có cảm ứng từ B = 1 T thì từ thông qua vòng dây là 1 Wb.

3. Ý nghĩa vật lí của từ thông

Từ thông có thể diễn tả số đường sức từ xuyên qua một diện tích nào đó trong từ trường.

• Từ thông càng lớn → Số đường sức từ xuyên qua diện tích càng nhiều
• Từ thông bằng 0 → Không có đường sức từ xuyên qua diện tích

4. Các trường hợp đặc biệt

II. HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ

1. Thí nghiệm 1: Nam châm vĩnh cửu và cuộn dây (Hình 16.6)

a) Dụng cụ:

• Nam châm (1)
• Cuộn dây (2)
• Điện kế (3) – dụng cụ đo dòng điện nhỏ
• Các dây dẫn

b) Tiến hành:

2. Thí nghiệm 2: Nam châm điện và cuộn dây (Hình 16.7)

a) Dụng cụ:

• Nam châm điện (1)
• Cuộn dây (2)
• Điện kế (3)
• Khóa K (4)
• Nguồn điện (5)
• Biến trở (6)
• Các dây dẫn

b) Tiến hành:

3. Kết luận về hiện tượng cảm ứng điện từ

Hiện tượng cảm ứng điện từ là hiện tượng xuất hiện dòng điện cảm ứng trong mạch kín khi từ thông qua mạch kín đó biến thiên.

Dòng điện cảm ứng là dòng điện xuất hiện trong mạch kín khi có hiện tượng cảm ứng điện từ.

Điều kiện xuất hiện dòng điện cảm ứng:

$$\boxed{\text{Từ thông qua mạch kín phải biến thiên } (\Delta\Phi \neq 0)}$$

Các cách làm biến thiên từ thông:

Lưu ý quan trọng: Hiện tượng cảm ứng điện từ chỉ tồn tại trong khoảng thời gian từ thông qua mạch kín đang biến thiên. Khi từ thông ngừng biến thiên, dòng điện cảm ứng cũng mất đi.

III. ĐỊNH LUẬT LENZ VỀ CHIỀU DÒNG ĐIỆN CẢM ỨNG

1. Phát biểu định luật Lenz

Định luật Lenz: Dòng điện cảm ứng xuất hiện trong mạch kín có chiều sao cho từ trường cảm ứng có tác dụng chống lại sự biến thiên từ thông ban đầu qua mạch kín.

2. Từ trường cảm ứng

Từ trường cảm ứng (kí hiệu $\vec{B_c}$) là từ trường do dòng điện cảm ứng sinh ra.

Chiều của $\vec{B_c}$ được xác định theo quy tắc nắm bàn tay phải (từ chiều dòng điện cảm ứng).

3. Cách xác định chiều dòng điện cảm ứng

Bước 1: Xác định chiều của từ trường ban đầu $\vec{B_0}$ (từ trường của nam châm hoặc dòng điện gây ra từ thông)

Bước 2: Xác định từ thông đang tăng hay giảm

Bước 3: Xác định chiều của từ trường cảm ứng $\vec{B_c}$:

• Nếu Φ tăng → $\vec{B_c}$ ngược chiều $\vec{B_0}$ (chống lại sự tăng)
• Nếu Φ giảm → $\vec{B_c}$ cùng chiều $\vec{B_0}$ (chống lại sự giảm)

Bước 4: Từ chiều $\vec{B_c}$, dùng quy tắc nắm bàn tay phải suy ra chiều dòng điện cảm ứng $i_c$

4. Phân tích thí nghiệm theo định luật Lenz (Hình 16.8)

Trường hợp a: Dịch cực Bắc lại GẦN cuộn dây

Trường hợp b: Dịch cực Bắc ra XA cuộn dây

5. Dạng khác của định luật Lenz

Nếu sự biến thiên từ thông xảy ra do chuyển động thì từ trường cảm ứng có tác dụng chống lại chuyển động đó.

Giải thích:

• Khi nam châm lại gần → Cuộn dây trở thành nam châm có cực cùng tên hướng về phía nam châm → Đẩy nam châm (chống lại sự lại gần)
• Khi nam châm ra xa → Cuộn dây trở thành nam châm có cực khác tên hướng về phía nam châm → Hút nam châm (chống lại sự ra xa)

6. Bảng tóm tắt xác định chiều dòng điện cảm ứng

Mẹo nhớ: “Tăng thì ngược, Giảm thì cùng”

IV. SUẤT ĐIỆN ĐỘNG CẢM ỨNG – ĐỊNH LUẬT FARADAY

1. Định nghĩa suất điện động cảm ứng

Suất điện động cảm ứng (kí hiệu $e_c$) là suất điện động sinh ra dòng điện cảm ứng trong mạch kín.

Sự xuất hiện dòng điện cảm ứng trong mạch kín chứng tỏ tồn tại một nguồn điện trong mạch đó. Suất điện động của nguồn này gọi là suất điện động cảm ứng.

2. Định luật Faraday về cảm ứng điện từ

Định luật Faraday: Độ lớn của suất điện động cảm ứng xuất hiện trong mạch kín tỉ lệ với tốc độ biến thiên từ thông qua mạch kín đó.

Biểu thức:

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

Độ lớn:

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

Trong đó:

3. Ý nghĩa dấu (-) trong công thức

Dấu (-) trong biểu thức $e_c = -\frac{\Delta\Phi}{\Delta t}$ là để phù hợp với định luật Lenz:

4. Trường hợp khung dây có N vòng

Nếu mạch kín là cuộn dây có N vòng giống nhau, suất điện động cảm ứng là:

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

Độ lớn:

$$\boxed{|e_c| = N\frac{|\Delta\Phi|}{\Delta t}}$$

5. Suất điện động cảm ứng trong thanh dẫn chuyển động (Hình 16.9)

Xét thanh kim loại MN có chiều 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 chứa mạch.

Phân tích:

• Trong thời gian $\Delta t$, thanh MN di chuyển một đoạn $\Delta x = v \cdot \Delta t$
• Diện tích mạch tăng thêm: $\Delta S = L \cdot \Delta x = L \cdot v \cdot \Delta t$
• Độ biến thiên từ thông: $\Delta\Phi = B \cdot \Delta S = BLv\Delta t$

Suất điện động cảm ứng:

$$|e_c| = \frac{|\Delta\Phi|}{\Delta t} = \frac{BLv\Delta t}{\Delta t} = BLv$$

$$\boxed{|e_c| = BLv}$$

Công thức này áp dụng khi $\vec{B}$, $\vec{v}$, và thanh dẫn đôi một vuông góc với nhau.

V. ỨNG DỤNG: NGUYÊN TẮC MÁY PHÁT ĐIỆN

1. Nguyên tắc hoạt động

Máy phát điện hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ: Khi từ thông qua cuộn dây biến thiên, trong cuộn dây xuất hiện suất điện động cảm ứng.

Cách tạo ra sự biến thiên từ thông:

• Quay khung dây trong từ trường (thay đổi góc α)
• Quay nam châm bên cạnh cuộn dây (thay đổi B)

2. Cấu tạo cơ bản

PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC DẠNG BÀI

DẠNG 1: Tính từ thông qua khung dây

Phương pháp:

1. Xác định các đại lượng: B, S, α (góc giữa $\vec{B}$ và $\vec{n}$)
2. Đổi đơn vị về hệ SI (S: m², B: T)
3. Áp dụng công thức: $\Phi = BS\cos\alpha$ (hoặc $\Phi = NBS\cos\alpha$ nếu có N vòng)

Ví dụ mẫu 1:

Câu hỏi: Đặt một vòng dây có diện tích 10 cm² trong một từ trường đều có vectơ cảm ứng từ vuông góc với mặt phẳng vòng dây và có độ lớn B = 0,2 T. Tính từ thông qua vòng dây.

Lời giải:

Tóm tắt:

• S = 10 cm² = 10 × 10⁻⁴ m² = 10⁻³ m²
• B = 0,2 T
• $\vec{B}$ vuông góc với mặt phẳng vòng dây → $\vec{B}$ song song với $\vec{n}$ → α = 0°

Áp dụng công thức: $$\Phi = BS\cos\alpha = 0,2 \times 10^{-3} \times \cos 0°$$ $$\Phi = 0,2 \times 10^{-3} \times 1 = 2 \times 10^{-4} \text{ Wb}$$

Kết luận: Từ thông qua vòng dây: $\Phi = 2 \times 10^{-4}$ Wb

Ví dụ mẫu 2:

Câu hỏi: Một khung dây hình vuông cạnh 5 cm gồm 20 vòng dây, đặt trong từ trường đều B = 0,1 T. Mặt phẳng khung dây hợp với đường sức từ góc 30°. Tính từ thông qua khung dây.

Lời giải:

Tóm tắt:

• a = 5 cm = 0,05 m → S = a² = 0,0025 m²
• N = 20 vòng
• B = 0,1 T
• Mặt phẳng khung hợp với $\vec{B}$ góc 30° → α = 90° – 30° = 60°

Áp dụng công thức: $$\Phi = NBS\cos\alpha = 20 \times 0,1 \times 0,0025 \times \cos 60°$$ $$\Phi = 20 \times 0,1 \times 0,0025 \times 0,5 = 2,5 \times 10^{-3} \text{ Wb}$$

Kết luận: $\Phi = 2,5$ mWb

Lưu ý: Cần phân biệt góc giữa $\vec{B}$ và mặt phẳng khung với góc giữa $\vec{B}$ và pháp tuyến $\vec{n}$. Hai góc này phụ nhau (tổng = 90°).

DẠNG 2: Tính độ biến thiên từ thông

Phương pháp:

1. Tính từ thông ban đầu: $\Phi_1 = BS_1\cos\alpha_1$
2. Tính từ thông sau: $\Phi_2 = BS_2\cos\alpha_2$
3. Tính độ biến thiên: $\Delta\Phi = \Phi_2 – \Phi_1$

Ví dụ mẫu:

Câu hỏi: Một khung dây phẳng diện tích 25 cm² gồm 10 vòng dây đặt trong từ trường đều. Ban đầu mặt phẳng khung dây vuông góc với đường sức từ, B = 0,1 T. Sau đó B giảm đều về 0 trong thời gian 0,4 s. Tính độ biến thiên từ thông qua khung dây.

Lời giải:

Tóm tắt:

• S = 25 cm² = 25 × 10⁻⁴ m²
• N = 10 vòng
• B₁ = 0,1 T, B₂ = 0 T
• α = 0° (mặt phẳng khung vuông góc với đường sức → $\vec{n}$ song song $\vec{B}$)

Tính từ thông:

• $\Phi_1 = NB_1S\cos 0° = 10 \times 0,1 \times 25 \times 10^{-4} \times 1 = 2,5 \times 10^{-3}$ Wb
• $\Phi_2 = NB_2S\cos 0° = 10 \times 0 \times 25 \times 10^{-4} = 0$ Wb

Độ biến thiên từ thông: $$\Delta\Phi = \Phi_2 – \Phi_1 = 0 – 2,5 \times 10^{-3} = -2,5 \times 10^{-3} \text{ Wb}$$

Kết luận: $\Delta\Phi = -2,5$ mWb (dấu âm cho biết từ thông giảm)

DẠNG 3: Tính suất điện động cảm ứng (Định luật Faraday)

Phương pháp:

1. Tính độ biến thiên từ thông: $\Delta\Phi = \Phi_2 – \Phi_1$
2. Áp dụng định luật Faraday: $|e_c| = \frac{|\Delta\Phi|}{\Delta t}$ hoặc $|e_c| = N\frac{|\Delta\Phi|}{\Delta t}$

Ví dụ mẫu:

Câu hỏi: (Tiếp theo ví dụ trên) Tính suất điện động cảm ứng xuất hiện trong khung dây.

Lời giải:

Đã biết:

• $|\Delta\Phi| = 2,5 \times 10^{-3}$ Wb
• $\Delta t = 0,4$ s

Áp dụng định luật Faraday: $$|e_c| = \frac{|\Delta\Phi|}{\Delta t} = \frac{2,5 \times 10^{-3}}{0,4} = 6,25 \times 10^{-3} \text{ V}$$

Kết luận: $|e_c| = 6,25$ mV

DẠNG 4: Xác định chiều dòng điện cảm ứng (Định luật Lenz)

Phương pháp:

1. Xác định chiều $\vec{B_0}$ (từ trường ban đầu)
2. Xác định Φ tăng hay giảm
3. Suy ra chiều $\vec{B_c}$:
   • Φ tăng → $\vec{B_c}$ ngược chiều $\vec{B_0}$
   • Φ giảm → $\vec{B_c}$ cùng chiều $\vec{B_0}$
4. Dùng quy tắc bàn tay phải suy ra chiều $i_c$

Ví dụ mẫu:

Câu hỏi: Cho nam châm rơi thẳng đứng xuyên qua tâm vòng dây giữ cố định như hình vẽ. Xác định chiều dòng điện cảm ứng trong vòng dây khi nhìn từ phía trên.

Lời giải:

Phân tích:

• Khi nam châm đang rơi xuống, chưa xuyên qua vòng dây:
  • Cực N lại gần → $\vec{B_0}$ hướng xuống, Φ tăng
  • $\vec{B_c}$ ngược chiều $\vec{B_0}$ → $\vec{B_c}$ hướng lên
  • Theo quy tắc bàn tay phải: $i_c$ chạy ngược kim đồng hồ (nhìn từ trên)
• Khi nam châm xuyên qua và rời xa vòng dây:
  • Cực S ra xa → $\vec{B_0}$ vẫn hướng xuống (từ N sang S), Φ giảm
  • $\vec{B_c}$ cùng chiều $\vec{B_0}$ → $\vec{B_c}$ hướng xuống
  • Theo quy tắc bàn tay phải: $i_c$ chạy cùng kim đồng hồ (nhìn từ trên)

Kết luận: Lúc đầu dòng điện ngược kim đồng hồ, khi nam châm xuyên qua thì đổi chiều thành cùng kim đồng hồ.

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