Từ thông và hiện tượng cảm ứng điện từ

01Kiến thức cần nhớ

1. Từ thông: đo "lượng đường sức xuyên qua mặt"

Hình dung từ trường đều như một trận mưa rơi đều. Một khung dây phẳng là một khung cửa hứng mưa. Lượng nước lọt qua khung phụ thuộc ba thứ: mưa lớn hay nhỏ (cảm ứng từ $B$ ), khung to hay nhỏ (diện tích $S$ ), và khung đặt thẳng hay nghiêng so với hướng mưa (góc $\alpha$ ). Khung đặt song song với hướng mưa thì chẳng hứng được giọt nào.

Với khung phẳng diện tích $S$ trong từ trường đều, ta chọn vectơ pháp tuyến $\vec n$ (vuông góc mặt phẳng khung, độ dài $1$ , chọn một trong hai chiều). Gọi $\alpha$ là góc giữa $\vec n$ và $\vec B$ .

Ba trường hợp đặc biệt cần nhớ:

Vị trí của khung	$\alpha$	$\Phi$
Mặt phẳng khung vuông góc đường sức ( $\vec n\parallel\vec B$ )	$0^\circ$	$BS$ (cực đại)
Mặt phẳng khung song song đường sức ( $\vec n\perp\vec B$ )	$90^\circ$	$0$
Như hàng đầu nhưng lật mặt khung	$180^\circ$	$-BS$

Tương tácTừ thông qua khung dây

α = 6 0^{\circ}, cos α = 0, 5, S = 100 cm^{2} = 0, 01 m^{2}

Φ = B S cos α = 0, 2 \cdot 0, 01 \cdot 0, 5 = 1 \cdot 1 0^{- 3} Wb

Từ thông dương: pháp tuyến cùng phía với B.

α60 °B0,2 TS100 cm²

Kéo chấm cam ở đầu pháp tuyến n (hoặc thanh α) để quay khung: đường sức xuyên qua khung càng ít thì Φ càng nhỏ, tới 0 khi khung song song đường sức. Đổi B làm đường sức dày hơn, đổi S làm khung dài hơn. Bấm “Lật mặt khung” để thấy Φ đổi dấu.

2. Ba cách làm từ thông biến thiên

Vì $\Phi = BS\cos\alpha$ nên từ thông qua một mạch kín biến thiên khi ít nhất một trong ba đại lượng $B$ , $S$ , $\alpha$ thay đổi:

$B$ đổi: đưa nam châm lại gần hoặc ra xa; đổi cường độ dòng điện trong một nam châm điện (cuộn dây gần đó); đưa mạch từ chỗ từ trường mạnh sang chỗ yếu.
$S$ đổi: co giãn vòng dây trong từ trường; thanh dẫn trượt trên ray làm diện tích mạch tăng hoặc giảm; kéo khung dây ra khỏi vùng có từ trường (phần diện tích nằm trong từ trường giảm).
$\alpha$ đổi: quay khung dây trong từ trường (máy phát điện chính là như vậy).

3. Hiện tượng cảm ứng điện từ

Thí nghiệm Faraday: nối cuộn dây kín với điện kế nhạy (kim $0$ ở giữa). Dịch chuyển nam châm lại gần hay ra xa cuộn dây, hoặc quay cuộn dây gần nam châm, kim điện kế lệch: trong mạch xuất hiện dòng điện dù mạch không có nguồn. Kim lệch về hai phía ngược nhau khi nam châm vào và khi nam châm ra, và lệch càng mạnh khi chuyển động càng nhanh. Ngừng chuyển động thì kim về $0$ .

Hai điều kiện cho dòng điện cảm ứng: (1) mạch kín; (2) từ thông qua mạch đang biến thiên. Từ thông lớn hay nhỏ không quyết định, chỉ tốc độ biến thiên của nó mới quyết định (sẽ định lượng ở bài 3).

Tương tácThí nghiệm Faraday: nam châm và cuộn dây

Φ = 0, 013 mWb, e = - N \frac{ΔΦ}{Δ t} = 0 mV

Nam châm đứng yên: từ thông không đổi, không có dòng cảm ứng. Từ thông tối đa mỗi vòng

4 \cdot 1 0^{- 4} Wb

Thời gian0 s

Bấm Chạy: nam châm được đưa vào cuộn dây rồi kéo ra. Kim điện kế chỉ lệch khi từ thông biến thiên, lệch phía ngược lại khi kéo ra, về 0 khi nam châm đứng yên. Thử đổi tốc độ, số vòng, đổi cực, hoặc hở mạch; kéo thanh thời gian để xem từng thời điểm.

02Tóm tắt

$\Phi=BS\cos\alpha$ , $\alpha=(\vec n,\vec B)$ ; đơn vị weber, $1\,\text{Wb}=1\,\text{T}\cdot\text{m}^2$ . Từ thông toàn phần $N\Phi$ .
$\Phi$ biến thiên khi $B$ , $S$ hoặc $\alpha$ đổi.
Hiện tượng cảm ứng điện từ: $\Phi$ qua mạch kín biến thiên $\Rightarrow$ dòng điện cảm ứng (chỉ trong lúc $\Phi$ biến thiên). Mạch hở: chỉ có suất điện động.
$\Delta\Phi=\Phi_{\text{sau}}-\Phi_{\text{trước}}$ .

03Mở rộng

Từ thông của từ trường không đều. Khi $B$ không đều trên mặt khung (ví dụ gần một dây thẳng dài), phải chia mặt thành các phần nhỏ, mỗi phần coi $B$ đều rồi cộng lại: $\Phi=\sum B_i S_i\cos\alpha_i$ (dạng tích phân ở bậc đại học). Ở THPT chỉ gặp từ trường đều hoặc đề cho sẵn $\Phi$ .

Vì sao đường sức từ khép kín? Từ thông qua một mặt kín bằng $0$ (không có "điện tích từ"): đường sức nào đi vào mặt kín thì cũng đi ra. Hệ quả: từ thông qua mọi mặt có chung một vòng dây làm biên đều bằng nhau, nên ta chỉ cần quan tâm tới vòng dây, không cần quan tâm mặt nào căng trên nó.

Tiếp theoPhương pháp →

Mục tiêu

Khởi động