Từ thông qua một diện tích S đặt trong từ trường đều: \(\Phi= BScos\alpha \) Show
Từ thông qua khung dây có N vòng dây: \(\Phi= NBSc{\rm{os}}\alpha \) Trong đó: + \(\Phi \) : từ thông (Wb) + B: cảm ứng từ (T) + \(\alpha= (\overrightarrow n ,\overrightarrow B )\) + N: số vòng dây + Đơn vị: Wb (vêbe)
TỰ CẢM 1. Các thí nghiệm:  - Thí nghiệm 1: Khóa K1 và K2 đóng, K3 mở. Khí đóng khóa K, đèn 2 sáng lên ngay còn đèn 1 sáng lên chậm hơn đèn 2. * Giải thích: Khi đóng khóa K, dòng điện qua ống dây tăng lên đột ngột trong khoảng thời gian ngắn (cường độ dòng điện tăng từ 0 - I) làm cho từ trường qua ống dây tăng lên => từ thông qua cuộn dây tăng lên Trong khoảng thời gian từ thông qua cuộn dây biến thiên sinh ra dòng điện cảm ứng theo định luật Lenxơ, dòng điện cảm ứng có chiều chống lại sự tăng của từ thông => nó làm giảm cường độ dòng điện qua đèn 1, làm đèn 1 sáng chậm hơn đèn 2. - Thí nghiệm 2: Khóa K1, K3 đóng, K2 mở. Khi ngắt khóa K, đèn 3 đang tắt bỗng sáng vụt lên rồi tắt ngay. *Giải thích: Khi ngắt khóa K, dòng điện đột ngột giảm trong khoảng thời gian ngắn (cường độ từ I - 0) => từ trường qua cuộn dây L giảm => từ thông qua cuộn dây L biến thiên giảm. Từ thông qua cuộn dây L biến thiên giảm => sinh ra dòng điện cảm ứng qua cuộn dây có chiều chống lại sự giảm => dòng điện cảm ứng này qua đèn 3 làm đèn 3 sáng vụt lên. Sau khoảng thời gian ngắt mạch không còn sự biến thiên từ thông => dòng điện cảm ứng mất đi => đèn 3 vụt tắt 2. Kết luận:
Hiện tượng tự cảm là hiện tượng cảm ứng điện từ trong một mạch điện do chính sự biến đổi của dòng điện trong mạch đó gây ra
II- SUẤT ĐIỆN ĐỘNG TỰ CẢM 1. Hệ số tự cảm - Từ thông: \(\Phi = Li\) Với L: hệ số tự cảm - Hệ số tự cảm của một ống dây dài đặt trong không khí: \(L = 4\pi {.10^{ - 7}}{n^2}V = 4\pi {.10^{ - 7}}\frac{{{N^2}}}{l}S\) Trong đó: + n: số vòng dây trên một đơn vị chiều dài của ống \((n = \frac{N}{l})\) + V: thể tích của ống \((V = lS)\) + S: tiết diện của ống dây (m2) - Đơn vị của hệ số tự cảm: Henri (H) 2. Suất điện động tự cảm
Suất điện động được sinh ra do hiện tượng tự cảm gọi là suất điện động tự cảm \({e_{tc}} = - L\frac{{\Delta i}}{{\Delta t}}\) Trong đó: + \({e_{tc}}\): suất điện động tự cảm + L: hệ số tự cảm + ∆i: Độ biến thiên cường độ dòng điện (A) + ∆t: Thời gian biến thiên cường độ dòng điện (s) + \(\frac{{\Delta i}}{{\Delta t}}\) : tốc độ biến thiên cường độ dòng điện (A/s) Dấu “-“ giống như công thức tính suất điện động cảm ứng theo định luật Faraday chỉ chiều dòng điện cảm ứng tuân theo định luật Lenxơ Về mặt độ lớn, suất điện động tự cảm được tính theo biểu thức: \({e_{tc}} = L\frac{{\left| {\Delta i} \right|}}{{\Delta t}}\)
III- NĂNG LƯỢNG TỪ TRƯỜNG
- Năng lượng từ trường của cuộn dây: \({\rm{W}} = \frac{1}{2}L{i^2}\) Trong đó: + W: năng lượng từ trường của cuộn dây + L: hệ số tự cảm của cuộn dây (H) + i: Cường độ dòng điện tự cảm (A) - Mật độ năng lượng từ trường: \({\rm{w}} = \frac{1}{{8\pi }}{10^7}{B^2}\)
IV- ỨNG DỤNG CỦA HIỆN TƯỢNG TỰ CẢM Hiện tượng tự cảm có nhiều ứng dụng trong các mạch điện xoay chiều. Cuộn cảm là một phần tử quan trọng trong các mạch điện xoay chiều có mạch dao động và các máy biến áp. Sơ đồ tư duy về tự cảm
1. Từ thông là gì? Từ thông được ký hiệu bằng chữ cái Φ (đọc là phi) Xét một tiết diện S được giới hạn bởi đường cong kín (C), - Từ thông đặc trưng cho "lượng" từ trường đi qua S => S càng lớn thì từ trường qua nó càng nhiều => Φ tỉ lệ với S - Từ thông đặc trưng cho "lượng" từ trường => hiển nhiên Φ tỉ lệ với cảm ứng từ B (đại lượng đặc trưng cho độ mạnh hay yếu của từ trường) Từ những nhận xét trên, bạn có: Biểu thức tinh từ thông Φ=N.B.Scosα Trong đó: 2/ Hiện tượng cảm ứng điện từThí nghiệm hiện tượng cảm ứng điện từ: Khảo sát thí nghiệm trên qua hình minh họa dưới Vòng dây tiến lại gần nam châm => "lượng" từ trường qua vòng dây tăng lên => từ thông Φ tăng lên => có dòng điện trong mạch. Khi vòng dây lùi xa nam châm => "lượng" từ trường qua vòng dây giảm đi => từ thông Φ giảm => có dòng điện trong mạch. Vậy từ thông Φ thay đổi có dòng điện trong mạch? Bằng nhiều thí nghiệm thay đổi từ thông như cho vòng dây đứng yên, 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),dùng tay bóp méo vòng dây cạnh nam châm(thay đổi S)con nhà người ta đã phát hiện ra rằng cứ Φ thay đổi thì sẽ xuất hiện dòng điện trong mạch kín (vòng dây) và hiện tượng cảm ứng điện từ sẽ dừng lại khi từ thông Φ ngừng biến thiên. Kết luận:Hiện tượng cảm ứng điện từlà hiện tượng từ thông qua mạch kín biến thiên (tăng hoặc giảm) làm xuất hiện trong mạch dòng điện, dòng điện này gọi tên là dòng điện cảm ứng. Hiện tượng cảm ứng điện từ chỉ xảy ra trong khoảng thời gian từ thông qua mạch kín biến thiên. Hiện tượng cảm ứng điện từ là một trong những hiện tượng vật lý quan trọng được phát hiện góp phần đưa nền văn minh nhân loại sang một giai đoạn mới, giai đoạn sử dụng năng lượng điện. 3. Đơn vị của từ thông làTrong hệ SI, đơn vị của từ thông là vê be, kí hiệu là Wb. Theo công thức (1) nếu cosα = 1, S = 1 m2, B = 1 T thì Φ = 1Wb. Vậy 1 Wb = 1T. 1m2 4. Công thức từ thôngTheo như khả năng phụ thuộc vào từ thông với các đơn vị diện tích; cảm ứng từ, độ lớn góc α; người ta tính từ thông dựa theo công thức: Φ = N.B.S.cosα Trong đó: Φ: là từ thông N: số vòng dây B: cảm ứng từ S: diện tích của 1 vòng dây (đơn vị là m2) α: là góc được tạo bởi vector pháp tuyến n và B Công thức tính từ thông cực đại Từ thông cực đại được tạo ra bởi công thức Φmax = B.S Từ thông cực đại được tạo ra khi góc α nằm trong 2 trường hợp n và B tạo góc 0 độ C và 180 oC Điều này có nghĩa là cảm ứng điện từ và từ trường tiết diện S nó chạy song song với nhau; và không tạo ra góc Công thức tính từ thông cực tiểu Từ thông cực tiểu có nghĩa là không sinh ra từ thông. Mà trường hợp từ thông không được sản sinh bởi lý do góc α = 90 độ xảy ra khi góc n và B tạo góc vuông Các bạn lưu ý 2 phần này nhé. Đây là những câu trắc nghiệm thường ra nhất trong thi cử hiện nay bằng các câu hỏi trắc nghiệm Từ 2 công thức trên ta thấy dù ở bất cứ trường hợp nào thì công thức tính không thay đổi. Điều này có khẳng đình gì ? Có nghĩa là nguyên tắc hoạt động của từ thông hoàn toàn không phụ thuộc vào độ nhiễu tín hiệu từ các môi trường bên ngoài gây ra ! 5. Ý nghĩa của từ thôngTừ thông sẽ có ý nghĩa như sau: “Từ thông đi qua một S bằng số đường sức từ đi qua diện tích S được đặt vuông góc với đường sức từ” Ví dụ về từ thông: Giả sử bài toán yêu cầu thế này: Có một khung dây đồng được cuốn phẳng dẹt với số vòng dây độ 1500 vòng, diện tích mỗi vòng là 39 cm2 Trong bài toán thể hiện khung quây xoay đều quanh một trục vít đối xứng nhau. Hướng của cảm ứng điện từ so với trục quay tạo một góc 0 độ và có độ lớn 0,5T. Yêu cầu tính từ thông cực đại chạy quay khung dây Theo công thức trên ta có: Φ = N .B . Scosα = 1500 * 0,5 * 39*10-4= 2,925Wb Các công thức tính từ trường là một trong những kiến thức quan trọng nhất trong chương 4 từ trường, giúp chúng ta hiểu được nguyên lý của các hiện tượng vật lý. Bên cạnh đó góp phần không nhỏ vào giải bài tập, tính toán và thực hành các thí nghiệm liên quan đến chương này. >>> Khóa học Lý thầy Ngọ 11 - 2006 - Học kỳ 1 - Kiengurulive.vn Trong bài viết này, đầu tiên Kiến Guru sẽ tổng hợp tất cả các công thức tính từ trường mà chúng ta đã được học. Tiếp theo là những bài tập trắc nghiệm vận dụng các công thức và cuối cùng chúng ta sẽ tìm đến được đáp án và check lời đáp án của mình nhé. I. Hệ thống công thức tính từ trường1. Lực từ sẽ tác dụng lên dây dẫn mang dòng điện với công thức là:
F: lực từ tác dụng lên dây dẫn (N) B: cảm ứng từ (T) I: cường độ dòng điện (A) l : chiều dài dây dẫn(m) 2. Từ trường của dòng điện trong các mạch mà chúng có dạng khác nhau:Từ trường của dòng điện sẽ mang trong dây dẫn thẳng dài:
I: cường độ dòng điện (A) r: khoảng cách từ M đến dây dẫn(m) Từ trường của dòng điện trong khung dây tròn:
I: cường độ dòng điện qua mỗi vòng dây (A) R: bán kính khung dây (m) N: số vòng dây Từ trường của dòng điện trong lòng ống dây dài: là từ trường đều
B : cảm ứng từ tại một điểm trong lòng ống dây I: cường độ dòng điện qua mỗi vòng dây(A) l : chiều dài ống dây (m) n: số vòng dây trên 1 mét chiều dài ống dây(vòng/m) N: số vòng dây trên ống dây(vòng) Nguyên lí chồng chất từ trường: 3. Tương tác giữa hai dây dẫn song song mang dòng điện:F :lực tương tác giữa hai dây dẫn mang dòng điện(N) I: cường độ dòng điện qua dây dẫn(A) l : chiều dài dây (m) r: khoảng cách giữa hai dây dẫn(m) 4. Lực Lorenxơ:
q: điện tích hạt tải điện (C) v: tốc độ chuyển động của hạt tải điện(m/s) B: cảm ứng từ (T) θ = v B) Nếu hạt tải điện chuyển động trên quỹ đạo tròn:
m: khối lượng hạt tải điện (kg) R: bán kính quỹ đạo(m) 5. Momen ngẫu lực từ:
N: số vòng dây của khung dây I: cường độ dòng điện qua mỗi vòng dây.(A) B cảm ứng từ (T) S: diện tích mỗi vòng dây (m2) II. Trắc nghiệm phần công thức tính từ trường1. Một dòng điện chạy trong dây dẫn thẳng và dài. Tại điểm A cách dây 10 (cm) cảm ứng từ do dòng điện gây ra có độ lớn A. 10 (A) B. 20 (A) C. 30 (A) D. 50 (A) 2. Một ống dây dài 50 (cm), cường độ dòng điện chạy qua mỗi vòng dây là 2 (A). cảm ứng từ bên trong ống dây có độ lớn A. 250 B.320 C.418 D.497 3. Một dây dẫn rất dài căng thẳng, ở giữa dây được uốn thành vòng tròn bán kính R = 6 (cm), tại chỗ chéo nhau dây dẫn được cách điện. Dòng điện chạy trên dây có cường độ 4 (A). Cảm ứng từ tại tâm vòng tròn do dòng điện gây ra có độ lớn là: 4. Một electron bay vào không gian có từ trường đều có cảm ứng từ B = 0,2 (T) với vận tốc ban đầu v0 = 2.105 (m/s) vuông góc với B . Lực Lorenxơ tác dụng vào electron có độ lớn là: 5. Khung dây dẫn hình vuông cạnh a = 20 (cm) gồm có 10 vòng dây, dòng điện chạy trong mỗi vòng dây có cường độ I = 2 (A). Khung dây đặt trong từ trường đều có cảm ứng từ B = 0,2 (T), mặt phẳng khung dây chứa các đường cảm ứng từ. Mômen lực từ tác dụng lên khung dây có độ lớn là: A. 0 (Nm) B. 0,016 (Nm) C. 0,16 (Nm) D. 1,6 (Nm) III. Đáp án và hướng dẫn giải trắc nghiệm công thức tính từ trường.1. Chọn: A Hướng dẫn: Áp dụng công thức tính cảm ứng từ do dòng điện thẳng dài gây ra tại một điểm trong từ trường, cách dòng điện một khoảng r là 2. Chọn: D Hướng dẫn: Áp dụng công thức B = 4.π.10-7.n.I và N = n.l với n là số vòng dây trên một đơn vị dài, N là số vòng của ống dây 3. Chọn: C Hướng dẫn: Cảm ứng từ do dòng điện thẳng gây ra tại tâm O của vòng dây là: Cảm ứng từ do dòng điện trong vòng dây tròn gây ra tại tâm O của vòng dây là: Áp dụng quy tắc vặn đinh ốc để xác định chiều của vectơ cảm ứng từ ta thấy hai vectơ B1 và B2 cùng hướng. Theo nguyên lí chồng chất từ trường, cảm ứng từ tại tâm O là B = B1 + B2 , do hai vectơ B1 và B2 cùng hướng nên B= 4. Chọn: D Hướng dẫn: Áp dụng công thức f = |q|vB sinα = 5. Chọn: C Hướng dẫn: Áp dụng công thức M = N.I.B.S Vậy là chúng ta đã cùng nhau bước qua bài viết tổng hợp tất cả các công thức tính từ trường đã được học vào chương 4 của Vật Lý lớp 11. Ngoài những câu hỏi và bài tập phía trên, còn rất nhiều bài tập mà chúng ta có thể sử dụng đến những công thức tính từ trường này, vì vậy hãy tham khảo thêm những bài tập trong sách giáo khoa, những tài liệu bài tập và trong cả những bài viết của Kiến Guru nhé. Hẹn gặp lại mọi người vào bài viết tiếp theo. |
