Trong chương trình Vật lý 12, bài “Từ thông và hiện tượng cảm ứng điện từ” là nội dung trung tâm của phần Cảm ứng điện từ, tạo nền tảng để học sinh hiểu cách máy phát điện, động cơ điện hay máy biến áp hoạt động.
Bài học này giúp bạn nắm rõ:
Khi đó, từ thông qua mặt phẳng đó được xác định bởi công thức:$\Phi = B S \cos \alpha$
Trong đó:
Nếu mặt phẳng song song với đường sức từ ($\alpha = 90°$) thì $\Phi = 0$ (không có từ thông).
Một weber là từ thông xuyên qua một diện tích 1 m² khi từ trường đều có cảm ứng từ 1 tesla vuông góc với mặt phẳng đó.
Khi từ thông qua mạch kín biến đổi, dòng điện cảm ứng xuất hiện trong mạch – đây chính là hiện tượng cảm ứng điện từ mà ta sẽ tìm hiểu ở phần sau.
Ví dụ:
→ Từ thông tăng.
→ Dòng cảm ứng xuất hiện theo chiều sao cho cuộn dây sinh ra cực Bắc hướng về nam châm, đẩy lại sự thay đổi này.
Ngược lại, khi rút nam châm ra xa, từ thông giảm: → Cuộn dây tạo cực Nam hướng về nam châm để giữ lại từ thông.
Trong hệ SI, $k = 1$ nên: $ e_C = -\frac{\Delta \Phi}{\Delta t} $
Dấu “–” biểu thị rằng suất điện động cảm ứng có chiều chống lại sự biến thiên của từ thông, đúng với định luật Lenz.
Trong đó:
Nghĩa là suất điện động cảm ứng được đo bằng vôn (volt).
Một số ứng dụng tiêu biểu:
Những khái niệm như định luật Faraday, định luật Lenz và từ thông không chỉ quan trọng trong vật lý học mà còn là nền tảng của kỹ thuật điện hiện đại.
Bài học này giúp bạn nắm rõ:
- Khái niệm từ thông và ý nghĩa vật lý của nó
- Bản chất hiện tượng cảm ứng điện từ
- Cách xác định chiều dòng điện cảm ứng (định luật Lenz)
- Định luật Faraday và công thức suất điện động cảm ứng
I. Từ thông là gì?
1. Định nghĩa từ thông
Giả sử có một mặt phẳng kín diện tích $S$ đặt trong từ trường đều có véc tơ cảm ứng từ $\overrightarrow{B}$.Trong đó:
- $B$ là độ lớn cảm ứng từ (đơn vị: tesla – T)
- $S$ là diện tích mặt phẳng (đơn vị: m²)
- $\alpha$ là góc hợp bởi véc tơ cảm ứng từ $\overrightarrow{B}$ và pháp tuyến của mặt phẳng.
Nếu mặt phẳng song song với đường sức từ ($\alpha = 90°$) thì $\Phi = 0$ (không có từ thông).
2. Đơn vị của từ thông
Trong hệ SI, đơn vị của từ thông là weber (ký hiệu Wb): $ 1\ \text{Wb} = 1\ \text{T}\cdot\text{m}^2 $Một weber là từ thông xuyên qua một diện tích 1 m² khi từ trường đều có cảm ứng từ 1 tesla vuông góc với mặt phẳng đó.
3. Ý nghĩa vật lý của từ thông
Từ thông $\Phi$ biểu thị số lượng đường sức từ xuyên qua diện tích đã cho.Khi từ thông qua mạch kín biến đổi, dòng điện cảm ứng xuất hiện trong mạch – đây chính là hiện tượng cảm ứng điện từ mà ta sẽ tìm hiểu ở phần sau.
II. Hiện tượng cảm ứng điện từ
1. Thí nghiệm quan sát hiện tượng
Hãy xét một thí nghiệm kinh điển:- Một cuộn dây dẫn kín nối với ampe kế được đặt gần nam châm thẳng.
- Khi ta đưa nam châm lại gần cuộn dây, kim ampe kế lệch đi, chứng tỏ trong mạch xuất hiện dòng điện cảm ứng.
- Khi giữ nam châm đứng yên, kim trở lại vị trí 0 → không có dòng điện.
- Khi kéo nam châm ra xa, kim lệch về phía ngược lại → dòng điện đổi chiều.
2. Bản chất của hiện tượng cảm ứng điện từ
Hiện tượng cảm ứng điện từ xảy ra khi số lượng đường sức từ xuyên qua mạch kín thay đổi, dẫn đến xuất hiện một suất điện động cảm ứng trong mạch, làm phát sinh dòng điện cảm ứng.3. Các nguyên nhân làm biến thiên từ thông
Từ thông $\Phi = B S \cos \alpha$ có thể thay đổi trong ba trường hợp:- Thay đổi cảm ứng từ $B$ (ví dụ: đưa nam châm lại gần hoặc ra xa cuộn dây).
- Thay đổi diện tích $S$ (ví dụ: kéo giãn hoặc thu nhỏ mạch kín).
- Thay đổi góc $\alpha$ (xoay mạch kín làm góc giữa $\overrightarrow{B}$ và pháp tuyến thay đổi).
III. Chiều dòng điện cảm ứng – Định luật Lenz
1. Phát biểu định luật Lenz
Nói cách khác, dòng cảm ứng luôn “chống lại nguyên nhân sinh ra nó”.
Ví dụ:
- Khi từ thông qua mạch tăng, dòng cảm ứng sinh ra từ trường ngược chiều để giảm từ thông.
- Khi từ thông giảm, dòng cảm ứng sinh ra từ trường cùng chiều để tăng từ thông trở lại.
2. Giải thích định luật Lenz bằng ví dụ
Giả sử ta đưa cực Bắc của nam châm lại gần cuộn dây:→ Từ thông tăng.
→ Dòng cảm ứng xuất hiện theo chiều sao cho cuộn dây sinh ra cực Bắc hướng về nam châm, đẩy lại sự thay đổi này.
Ngược lại, khi rút nam châm ra xa, từ thông giảm: → Cuộn dây tạo cực Nam hướng về nam châm để giữ lại từ thông.
3. Quy tắc xác định chiều dòng điện cảm ứng
Để xác định chiều dòng điện cảm ứng, ta dùng quy tắc bàn tay phải:- Nắm bàn tay phải sao cho các ngón tay khum theo chiều đường sức từ,
- Ngón cái choãi ra chỉ chiều dòng điện cảm ứng trong cuộn dây.
IV. Suất điện động cảm ứng – Định luật Faraday
1. Thực nghiệm Faraday
Faraday đã chứng minh rằng: Độ lớn của suất điện động cảm ứng trong mạch tỉ lệ với tốc độ biến thiên từ thông qua mạch kín.2. Biểu thức toán học
Giả sử trong khoảng thời gian $\Delta t$, từ thông qua mạch biến thiên một lượng $\Delta \Phi$, khi đó: $ \left| e_C \right| = k \left| \frac{\Delta \Phi}{\Delta t} \right| $Trong hệ SI, $k = 1$ nên: $ e_C = -\frac{\Delta \Phi}{\Delta t} $
Dấu “–” biểu thị rằng suất điện động cảm ứng có chiều chống lại sự biến thiên của từ thông, đúng với định luật Lenz.
3. Mạch có N vòng dây
Nếu mạch gồm N vòng dây quấn khép kín, thì suất điện động cảm ứng trong mạch là: $e_C = -N\frac{\Delta \Phi}{\Delta t}$Trong đó:
- $N$ là số vòng dây,
- $\Delta \Phi$ là độ biến thiên từ thông qua một vòng dây.
4. Đơn vị của suất điện động cảm ứng
Trong hệ SI: $[e_C] = \text{V}$Nghĩa là suất điện động cảm ứng được đo bằng vôn (volt).
V. Ứng dụng của hiện tượng cảm ứng điện từ
Hiện tượng cảm ứng điện từ có vai trò đặc biệt quan trọng trong đời sống và kỹ thuật.Một số ứng dụng tiêu biểu:
- Máy phát điện xoay chiều: dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ để tạo ra điện năng từ cơ năng.
- Máy biến áp: hoạt động dựa trên sự biến thiên từ thông trong hai cuộn dây để tăng hoặc giảm điện áp.
- Micro và loa điện động: chuyển đổi dao động âm thanh thành tín hiệu điện (hoặc ngược lại).
- Cảm biến từ, thẻ từ, bếp từ: sử dụng nguyên lý biến thiên từ thông để phát hiện và điều khiển dòng điện.
VI. Tổng hợp kiến thức và công thức cần nhớ
| Đại lượng | Công thức | Đơn vị | Ghi chú |
|---|---|---|---|
| Từ thông | $\Phi = B S \cos \alpha$ | Wb | Đặc trưng cho lượng đường sức từ qua một diện tích |
| Suất điện động cảm ứng | $e_C = -\frac{\Delta \Phi}{\Delta t}$ | V | Tỉ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông |
| Mạch có N vòng dây | $e_C = -N\frac{\Delta \Phi}{\Delta t}$ | V | Dùng cho cuộn dây nhiều vòng |
VII. Kết luận
Bài “Từ thông – Hiện tượng cảm ứng điện từ” giúp chúng ta hiểu rõ mối liên hệ giữa từ trường biến thiên và dòng điện cảm ứng.Những khái niệm như định luật Faraday, định luật Lenz và từ thông không chỉ quan trọng trong vật lý học mà còn là nền tảng của kỹ thuật điện hiện đại.
Chỉnh sửa cuối:
