Đáp án Vật lí 12 cánh diều Chủ đề 3 Bài 3: Cảm ứng điện từ

BÀI 3. CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ

Mở đầu: Dòng điện tạo ra từ trường ở không gian xung quanh nó. Từ trường có gây ra dòng điện được không?

Hướng dẫn chi tiết:

* Nguyên tắc: Mỗi khi từ thông qua mặt giới hạn bởi mạch điện kín biến thiên theo thời gian thì trong mạch xuất hiện dòng điện. Dòng điện xuất hiện khi có sự biến thiên từ thông qua mạch điện kín được gọi là dòng điện cảm ứng. Suất điện động sinh ra dòng điện cảm ứng trong mạch kín được gọi là suất điện động cảm ứng.

* Điều kiện: dòng điện chỉ xuất hiện trong vòng dây dẫn kín, có sự biến thiên của từ thông qua một mặt giới hạn bởi một mạch kín thì trong mạch xuất hiện suất điện động cảm ứng.

* Hiện tượng xuất hiện suất điện động cảm ứng là hiện tượng cảm ứng điện từ và hiện tượng này chỉ tồn tại trong khoảng thời gian từ thông qua mạch kín biến thiên.Hiện tượng cảm ứng điện từ được Michael Faraday (Mai-con Fa-ra-đây), người Anh tìm ra năm 1831.

I. TỪ THÔNG

Câu 1: Một vòng dây dẫn phẳng có diện tích 0,10 m² được đặt vuông góc với từ trường có độ lớn cảm ứng từ là 2,0.10^-3 T. Tính từ thông qua vòng dây này.

Hướng dẫn chi tiết:

Công thức chính để tính từ thông là Φ = NBS. cosα.

 Trong đó:

+  Φ là giá trị của từ thông 

+ N là số vòng dây

+ B là mật độ từ trường hay cảm ứng từ

+ S là diện tích bề mặt và α là góc giữa từ trường và vecto pháp tuyến của diện tích ấy.

Theo đề bài ta có: S = 0,10m², B = 2.10^-3

Từ thông qua vòng dây là:

Φ = NBS. cosα  = 1.2,0.10^-3. 0,10.cos0 = 2,0.10^-4 Wb.

Vậy từ thông qua vòng dây là 2,0.10^-4 Wb.

II. HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ

Câu 2: Lập phương án và thực hiện phương án thí nghiệm minh hoạ được hiện tượng cảm ứng điện từ với các dụng cụ thực hành ở trường của bạn.

Hướng dẫn chi tiết:

Chuẩn bị dụng cụ: cuộn dây, nam châm, điện kế.

Tiến hành:

Bước 1: Lắp dụng cụ như Hình 3.2

Bước 2: Đưa cực bắc của nam châm lại gần ống dây thì kim của điện kế bị lệch đi (Hình 3.3a). Điều này chứng tỏ trong mạch có dòng điện.

Bước 3: Khi nam châm đứng yên, kim điện kế quay lại vị trí vạch - số 0. Điều này chứng tỏ trong mạch không có dòng điện.

Bước 4: Đưa cực bắc của nam châm ra xa ống dây thì kim của điện kế bị lệch theo chiều ngược lại (Hình 3.3b). Điều này chứng tỏ dòng điện đổi chiều.

Bước 5: Tương tự như vậy, nếu cho nam châm đứng yên và dịch chuyển ống dây lại gần hay ra xa nam châm thì trong ống dây cũng xuất hiện dòng điện.

Câu 3: Ở thí nghiệm (Hình 3.3), từ thông qua ống dây biến thiên như thế nào trong hai trường hợp sau đây?

- Khi đưa cực bắc của nam châm lại gần ống dây.

- Khi đưa cực bắc của nam châm ra xa ống dây.

Hướng dẫn chi tiết:

- Khi đưa cực bắc của nam châm lại gần ống dây: từ thông qua ống dây tăng

Bởi vì: do càng gần về đầu của nam châm thì mật độ đường sức càng lớn nên khi đó mật độ đường sức qua diện tích các vòng dây sẽ tăng dẫn tới từ thông qua ống dây cũng sẽ tăng.

- Khi đưa cực Bắc của nam châm ra xa ống dây: từ thông qua ống dây giảm.

Bởi vì: mật độ đường sức qua diện tích các vòng dây sẽ giảm do ra xa đầu cực Bắc của nam châm, do đó từ thông qua ống dây sẽ giảm.

Vì khi lại gần hoặc ra xa, từ thông qua ống dây đều có sự biến thiên tăng hoặc giảm, do đó trong dây dẫn sẽ xuất hiện dòng điện cảm ứng tương ứng trong mạch.

Câu 4: Nêu điểm giống và khác nhau giữa thí nghiệm ở Hình 3.3 và thí nghiệm ở Hình 3.4.

Hướng dẫn chi tiết:

Giống nhau: Đều chứng minh được khi có sự biến thiên của từ thông qua mạch điện kín thì trong mạch sẽ xuất hiện dòng điện gọi là dòng điện cảm ứng.

Khác nhau: 

Thí nghiệm ở Hình 3.3: sử dụng nam châm vĩnh cửu 

Thí nghiệm ở hình 3.4 đã sử dụng từ trường của ống dây mang điện để tạo ra sự biến thiên từ thông qua mạch kín của ống dây đang khảo sát.

Câu 5: Ở thí nghiệm Hình 3.6, nếu đưa cực của nam châm của nam châm lại gần đầu 1 của ống dây thì đầu 1 là cực nào của ống dây?

Hướng dẫn chi tiết:

Ở thí nghiệm Hình 3.6, nếu đưa cực của nam châm của nam châm lại gần đầu 1 của ống dây thì đầu 1 là cực Bắc của ống dây

Bởi vì:

- Khi đưa nam châm lại gần ống dây, độ lớn của từ thông qua ống dây tăng và từ trường của dòng điện cảm ứng trong ống dây ngược chiều với từ trường của nam châm.

- Khi đó, từ trường của dòng điện cảm ứng ngăn cản nam châm lại gần nó. Vì vậy, muốn đưa được nam châm lại gần ống dây ta phải tốn một công để thắng sức cản này, hay nói cách khác, ống dây đang đẩy thanh nam châm ra xa, do đó đầu 1 của ống dây sẽ là cực bắc.

Luyện tập 1: Khung dây MNPQ quay trong từ trường đều. Tìm chiều của dòng điện cảm ứng trong khung dây tại thời điểm mặt phẳng khung dây song song với phương của đường sức từ (Hình 3.7).

Hướng dẫn chi tiết:

- Từ thông qua mạch kín đang bằng 0 Wb do vecto cảm ứng từ đang vuông góc với vecto pháp tuyến của mặt phẳng khung dây, do đó khi quay khung dây theo chiều như hình vẽ, từ thông qua mạch MNPQ sẽ tăng và biến thiên.

- Khi đó trong mạch MNPQ sẽ xuất hiện dòng điện cảm ứng sao cho từ trường của dòng điện này sinh ra có tác dụng chống lại sự biến thiên của từ thông qua mạch đó nên từ trường do khung dây sinh ra sẽ hợp với từ trường ban đầu một góc tù, hay trong trường hợp này nó sẽ hướng xuống dưới (do khung dây đang quay sang phải), 

- Áp dụng quy tắc nắm tay phải (quy tắc này vẫn đúng trong trường hợp khung dây) ta xác định được chiều của dòng điện cảm ứng trong mạch sẽ theo chiều MNPQ.

III. VẬN DỤNG ĐỊNH LUẬT LENZ VÀ ĐỊNH LUẬT FARADAY

IV. GIẢI THÍCH MỘT SỐ ỨNG DỤNG HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ

Câu 6: Nếu thay đĩa kim loại đặc trong Hình 3.11 bằng đĩa có xẻ rãnh (Hình 3.12) thì dao động sẽ diễn ra lâu hơn. Giải thích tại sao.

Hướng dẫn chi tiết:

- Xuất hiện dòng điện Foucault: Khi đĩa kim loại quay trong từ trường, từ thông qua đĩa sẽ biến thiên, gây ra suất điện động cảm ứng và dòng điện được tạo ra trong đĩa. Dòng điện này được gọi là dòng điện Foucault. Dòng điện Foucault sẽ tương tác với từ trường, tạo ra lực cản lên chuyển động quay của đĩa, khiến đĩa quay chậm lại và dao động diễn ra lâu hơn

- Trong đĩa kim loại đặc, dòng điện được tạo ra chủ yếu trên bề mặt của kim loại.Trong đĩa có xẻ rãnh, dòng điện được tạo ra không chỉ trên bề mặt mà còn phải vượt qua không gian trong các xẻ rãnh. Do đó, dòng điện trong trường hợp này sẽ gặp phải điều kiện dẫn điện khó khăn hơn, dẫn đến sự giảm tốc độ tạo ra dòng điện, khi đó sẽ làm giảm khả năng cản trở chuyển động.

Do đó dao động sẽ diễn ra lâu hơn khi sử dụng đĩa có xẻ rãnh thay vì đĩa kim loại đặc.

Luyện tập 2: Hình 3.13 mô tả sơ lược sơ đồ nguyên lý hoạt động của một loại đàn ghita điện.

Phía dưới mỗi dây đàn có một nam châm được đặt bên trong một cuộn dây dẫn. Cuộn dây dẫn được nối với máy tăng âm.

Đoạn dây đàn ở sát bên trên nam châm bị từ hoá. Khi gảy đàn thì trong cuộn dây có dòng điện cảm ứng. Dòng điện cảm ứng này được biến đổi qua máy tăng âm và loa làm ta nghe được âm do dây đàn phát ra.

Giải thích vì sao khi gảy đàn thì trong cuộn dây có dòng điện cảm ứng.

Hướng dẫn chi tiết: