Lý Thuyết Và Bài Tập Cảm Ứng Điện Từ Lớp 11, Từ Thông Lớp 11

1. Từ thông là gì?

Ngay bây giờ, các bạn hãy cùng đi sâu vào tìm hiểu định nghĩa hiện tượng cảm ứng điện từ lớp 11 cùng những tính chất và công thức liên quan.

1.1. Từ thông là gì?

Để tìm hiểu được từ thông là gì, các bạn học sinh cần nắm rõ những lý thuyết cơ bản nhất. Từ thông được hiểu là thông lượng đường sức từ qua một diện tích, là một đại lượng diễn tả số lượng đường sức từ xuyên qua một vòng dây kín (C) gọi là diện tích S.

1.2. Công thức từ thông

Công thức cảm ứng điện từ lớp 11 từ thông được tính theo công thức:

Từ thông Φ (gọi là phi) là đại lượng được định nghĩa bằng công thức

 Φ = BS.cos α

Hay:

   Φ = NBS.cos α

Trong đó:

Φ: Từ thông

B: Từ trường (T).

S: Diện tích mặt (đơn vị mét vuông)

α: Góc tạo bởi và là vectơ pháp tuyến mặt phẳng S.

N: Số vòng dây 

Từ thông cực đại được tính bởi công thức 

Φmax = B.S

Khi góc α nằm trong 2 trường hợp n và B tạo thành góc 0 độ và 180 độ sẽ tạo ra được từ thông cực đại. Nghĩa là từ trường tiết diện S và cảm ứng điện từ nó chạy song song nhau và không tạo góc.

2. Hiện tượng cảm ứng điện từ

2.1. Các thí nghiệm hiện tượng cảm ứng điện từ 

Xét thí nghiệm sau đây:

Vòng dây trong thí nghiệm tiến lại gần nam châm => "lượng" từ trường qua vòng dây lúc này tăng lên => từ thông Φ (phi) tăng lên => có dòng điện ở trong mạch.

Vòng dây lùi ra xa nam châm => "lượng" từ trường đi qua vòng dây giảm => từ thông cũng giảm => có dòng điện chạy trong mạch.

Bằng thí nghiệm thay đổi từ thông cho vòng dây đứng im, nam châm chuyển động lại vòng dây (thay đổi B), cho vòng dây đứng yên nam châm quay cạnh vòng dây hoặc ngược lại (thay đổi α), ta dùng tay làm méo vòng dây cạnh nam châm (thay đổi S) con người ta đã phát hiện rằng cứ khi Φ thay đổi thì xuất hiện dòng điện trong mạch kín và hiện tượng cảm ứng điện từ sẽ dừng lại khi từ thông ngừng biến thiên.

2.2. Kết luận 

Hiện tượng từ thông qua mạch kín biến thiên làm xuất hiện trong mạch dòng điện, dòng điện này được người ta gọi là dòng điện cảm ứng được gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ. Hiện tượng cảm ứng điện từ chỉ xảy ra trong thời gian từ thông qua mạch kín biến thiên.

Hiện tượng cảm ứng điện từ là một trong những hiện tượng vật lý được phát hiện góp phần đưa nền văn minh nhân loại sang giai đoạn sử dụng năng lượng điện.

Tham khảo ngay bộ tài liệu ôn tập kiến thức và tổng hợp mọi dạng bài tập trong đề thi Vật Lý THPT Quốc gia

3. Định luật Len - xơ về chiều dòng điện cảm ứng

Định luật Len-xơ là dòng điện cảm ứng xuất hiện trong mạch kín sao cho từ trường cảm ứng có tác dụng chống lại sự biến thiên của từ thông ban đầu qua một mạch kín.

Một ý kiến khác của định luật Len-xơ là khi từ thông qua mạch kín (C) biến thiên vì kết quả của chuyển động nào đó thì từ trường cảm ứng có tác dụng chống lại chuyển động trên.

Ta có quy ước như sau: Chiều dương trên mạch (C) là chiều của đường sức từ của nam châm qua (C) theo quy tắc nắm tay phải.

4. Suất điện động cảm ứng

Suất điện động cảm ứng được định nghĩa là một suất điện động sẽ sinh ra dòng điện cảm ứng. Kí hiệu là e_c

ΔΦ : độ biến thiên từ thông qua mạch kín, = Φ2 – Φ1

Δt : thời gian thông biến thiên qua mạch (s)

Dấu _ : Biểu diễn cho định luật Len-xơ

(Độ lớn) suất điện động cảm ứng là một đại lượng tiêu biểu cho tốc độ biến thiên của từ thông và được xác định bởi:

Cường độ dòng điện cảm ứng qua mạch kín $i_{c}=\frac{e_{c}}{R}$ với R là điện trở khung dây

5. Định luật Faraday về cảm ứng điện từ

Tốc độ biến thiên của từ thông qua mạch tỉ lệ với độ lớn suất điện động cảm ứng trong mạch kín.

Dấu “-“ biểu diễn được định luật Len-xơ

Trong trường hợp mạch điện sẽ là khung dây có N vòng thì:

$e_{c}=-\frac{\Delta\Phi }{\Delta t}$

6. Dòng điện Fu-cô (Foucault)

6.1. Các thí nghiệm

Ta có thí nghiệm sau: Bánh xe kim loại có dạng đĩa tròn quay xung quanh trục O trước nam châm điện. Khi ta chưa để dòng điện chạy vào nam châm, bánh xe quay bình thường. Khi cho dòng điện chạy vào nam châm bánh xe quay chậm rồi bị hãm dừng lại.

6.2. Giải thích

Ở thí nghiệm trên, khi bánh xe chuyển động trong từ trường thì thể tích của bánh xe xuất hiện dòng điện cảm ứng, gọi là dòng điện Fu-cô

6.3. Tính chất và ứng dụng của dòng điện Fu-cô 

Với mọi khối kim loại chuyển động trong từ trường đều sẽ chịu tác dụng của lực hãm điện từ.

Dòng điện Fu-cô gây ra hiệu ứng tỏa nhiệt Jun – Len-xơ: Khối kim loại chuyển động trong từ trường hay đặt trong từ trường biến thiên sẽ đều bị nóng lên.

Và cũng trong nhiều trường hợp dòng Fu-cô gây nên những tổn hao năng lượng. Để làm giảm tác dụng của dòng Fu-cô người ta sẽ tăng điện trở của khối kim loại.

• Ứng dụng

Dòng Fu-cô được ứng dụng trong bộ phanh điện từ của ô tô hạng nặng hay lò tôi kim loại.

Đăng ký ngay để được thầy cô ôn tập và xây dựng lộ trình ôn thi Lý THPT Quốc gia sớm đạt 9+

7. Bài tập trắc nghiệm về từ thông, cảm ứng điện từ lớp 11

Dưới đây là bài tập cảm ứng điện từ lớp 11 giúp cho các em học sinh nắm chắc được bài học và làm bài một cách chính xác nhất.

Câu 1: Biết diện tích S đặt trong từ trường đều thì sẽ có cảm ứng từ góc B. Góc giữa vectơ pháp tuyến được tính theo công thức nào?

A. Φ = BS.sinα

B. Φ = BS.cosα

C. Φ = BS.tanα                                             

D. Φ = BS.cotα

Giải:

Góc giữa vecto pháp tuyến là

Từ thông qua diện tích được theo công thức: Φ = BS.cosα

Đáp án đúng là: B

Câu 2: Đâu là khẳng định sai trong các đáp án?

A. Khung dây dạng hình chữ nhật được quay đều trong một từ trường đều quanh một trục đối xứng OO’ song song với các đường cảm ứng từ thì trong khung có dòng điện cảm ứng

B. Quay đều một khung dây có dạng hình chữ nhật trong từ trường đều quanh một trục đối xứng OO’ song song với các đường cảm ứng từ thì trong khung không có dòng điện cảm ứng

C. Quay đều từ trường đều quanh một trục đối xứng OO’ vuông với các đường cảm ứng từ thì trong khung có xuất hiện dòng điện cảm ứng ở khung dây dạng hình chữ nhật

D. Quay đều khung dây trong một từ trường đều quanh một trục đối xứng OO’ hợp với các đường cảm ứng từ một góc nhọn thì trong khung có dòng điện cảm ứng

Giải:

B, C, D là chính xác

A không chính xác vì lý do:

Khi quay khung dây có dạng HCN trong từ trường đều quanh trục đối xứng OO’ và song song với đường cảm ứng từ thì từ thông trong qua khung không biến thiên, trong khung sẽ không có xuất hiện dòng điện cảm ứng

Đáp án đúng là: A

Câu 3: Viết công thức của độ lớn của dòng điện động cảm ứng trong một mạch kín

A. $e_{c}=\left | \frac{\Delta\Phi }{\Delta t} \right |$                                                           C. $e_{c}=\left | \Delta\Phi . \Delta t \right |$

B. $e_{c}=\left | \frac{\Delta t}{\Delta\Phi } \right |$                                                            D. $e_{c}=-\left | \frac{\Delta\Phi }{\Delta t} \right |$

Giải:

Độ lớn dòng điện động cảm ứng trong 1 mạch kín có công thức: $e_{c}=\left | \frac{\Delta\Phi }{\Delta t} \right |$

Đáp án A

Câu 4: Trong từ trường đều đặt khung ABCD. Cho rằng bên ngoài MNPQ không có từ trường. Khung dây này chuyển động dọc theo 2 đường  yy’, xx’.  Hãy cho biết khi nào trong khung xuất hiện dòng điện cảm ứng?

Giải: 

Ta biết: Dòng điện xuất hiện khi có sự biến đổi từ thông qua mạch điện kín và được gọi là dòng điện cảm ứng 

• Trong từ trường đều đặt khung dây dẫn ABCD. Phía bên ngoài MNPQ sẽ không có từ trường. Khung chuyển động dọc theo 2 đường yy’ và xx’. Trong khung ABCD có dòng điện cảm ứng khi đang chuyển động ở ngoài vùng MNPQ bởi khung biến thiên sẽ được từ thông đi qua

Đáp án đúng là: C

Câu 5: Suất điện động cảm ứng trong khung có độ lớn bằng bao nhiêu? Biết được rằng từ thông qua khung dây biến đổi, giảm từ 1,2(Wb) xuống còn 0,4(Wb) mất 0,2(s). 6 (V)

A. 4 (V)

B. 2 (V)

C. 1 (V)

D. 3 (V)

Giải: 

Áp dụng công thức suất điện động cảm ứng xuất hiện trong khung:

$e_{c}=\left | \frac{\Delta\Phi }{\Delta t} \right |=\frac{|0,4-1,2|}{0,2}=4(V)$

Đáp án đúng là: B

Câu 6: Một HCN có chiều rộng 3cm, chiều dài 4 cm, đặt trong từ trường đều có cảm ứng từ B=5.10^-4 (T). Vectơ cảm ứng từ hợp với mp góc 30^o. Tính từ thông qua là bao nhiêu?:

A. 6.10^-7 (Wb)

B. 3.10^-7 (Wb)

C. 5,2.10^-7 (Wb)

D. 3.10^-3 (Wb)

Giải: 

Công thức từ thông qua diện tích hình chữ nhật: Φ = BS.cosα

Diện tích hình chữ nhật là: S = 0,03.0,04 = 1,2.10^-3 (m²)

α = ($\bar{n},\bar{B}$) = 90^o - 30^o = 60^o

⇒ từ thông qua hình chữ nhật là: Φ = BS.cosα = 5.10^-4.1,2.10^-3.cos 60^o = 3.10^-7(Wb)

Đáp án: B

Câu 7: Hình vuông đặt trong từ trường đều có cảm ứng từ B=4.10^-4 (T), có độ dài cạnh 5 cm. Từ thông khi đi qua hình vuông = 10^-6 Wb. Góc hợp từ vecto pháp tuyến và vectơ cảm ứng từ với hình vuông đó là bao nhiêu độ?

A. α = 0^o

B. α = 30^o

C. α = 60^o

D. α = 90^o

Giải:

Áp dụng công thức từ thông qua HCN: Φ = BS.cosα  

Diện tích hình vuông: S = 0,05² = 2,5.10^-3 (m²)

Từ thông qua hình vuông: Φ = 10^-6 Wb

→ cosα = $\frac{BS}{\Phi}=\frac{10^{-6}}{4.10^{-4}.5.10^{-3}}$ = 1

α = 0^o

Đáp án: A

Câu 8: Một khung dây phẳng có diện tích 20 cm² gồm 10 vòng dây đặt trong từ trường đều. Vectơ cảm ứng từ hợp với mặt phẳng khung 1 góc 30^o,có độ lớn B = 2.10^-4 T. Người ta cho từ trường giảm đều đến không trong khoảng thời gian 0,1 (s). Suất điện động cảm ứng có trong khung dây khoảng thời gian từ trường biến đổi là bao nhiêu?

A. 3,46.10^-4 (V)

B. 0,2 (mV)

C. 4.10^-4 (V)

D. 4 (mV)

Giải:

Có α = 90^o - 30^o = 60^o

Suy ra: từ thông ban đầu của khung dây 

Φ = BS.cosα =2.10^-4.20.10^-4.cos 60^o = 2.10^-7 Wb

Suất điện động cảm ứng qua khung dây trong khoảng thời gian:

$e_{c}=N \frac{\Delta \Phi}{\Delta t}=10.\frac{|0-2.10^{-7}|}{0,01}=2.10^{-4}V=0,1 mV$

Đáp án: B

Trên đây là toàn bộ kiến thức về cảm ứng điện từ của lớp 11 cùng các dạng bài tập kèm lời giải chi tiết cho các em học sinh. Mong rằng qua bài viết, các em có thể tự tin làm bài tập và bước vào kỳ thi THPT Quốc gia. Để học nhiều hơn những kiến thức, truy cập ngay trang web Vuihoc.vn để luyện tập nhé!