SGK Vật Lí 11 - Bài 23. Từ thông. Cảm úng điện từ

TừTHÔNG Cảm ứng điên từ
Dòng điện gây ra từ trường. Câu hỏi ngược lại : Trong điều kiện nào từ trường gây ra dòng điện ? (Câu hói do Fa-ra-đây đặt ra).
Hình 23.1
Định nghĩa từ thông
n
Hình 23.2
Từ thông qua s bằng 0
I -Từ THÔNG
1. Định nghĩa
Giả sử một đường cong phẳng kín (C) là chu vi giới hạn một mặt có diện tích s (giả thiết là phẳng) (Hình 23.1). Mặt đó được đặt trong một từ trường đều B . Trên đường vuông góc với mặt s, ta vẽ vectơ lĩ có độ dài bằng đơn vị theo một hướng xác định (tuỳ ý chọn), n được gọi ỉàyectơ pháp tuyến dương. Gọi a là góc tạo bởi /ĩ và B, người ta định nghĩa- từ thông qua mặt s là đại lượng, kí hiệu o, cho bởi:
$ = jBScosa	(23.1)
Công thức định nghĩa trên đây chứng tỏ rằng từ thông là một đại lượng đại số. Khi a nhọn (coscr > 0) thì > 0 và khi a tù (cosa < 0. Đặc biệt khi a = 90° (cosa = 0) thì 0 = 0. Nói cách khác, khi các đường sức từ song song với mặt s thì từ thông qua s bằng 0 (Hình 23.2). Trường hợp riêng, khi a - 0 thì:
O = 5S	(23.2)
II - HIỆN TƯỢNG CẢM ứhlG ĐIỆN TỪ
Thí nghiệm
Hình 23.3
Thí nghiệm cảm ứng điện từ
Chuyển động
s
Một mạch kín (C) hai đầu nối vào điện kế G (có nhiệm vụ xác định chiều và cường độ dòng điện). Giả sử (C) đặt trong từ trường của một nam châm SN (Hình 23.3). Ta chọn chiều dương trên mạch kín (C) tương ứng với chiều của đường sức từ của nam châm SN theo quy tắc nắm tay phải: Đặt ngón tay cái nằm theo chiều của đường sức từ thì chiều của các ngón tay kia khum lại chỉ chiều dương trên mạch (C).
Thí nghiệm 1. Cho nam châm SN dịch chuyển lại gần (C). Quan sát thấy kim điện kếG lệch đi, chứng tỏ rằng trong (C) xuất hiện dòng điện i chạy theo chiều ngược với chiều dương đã chọn. Khi nam châm ngừng chuyển động thì dòng điện Z tắt.
Hãy giải thích sự biến thiên từ thông qua mạch kín (C) trong từng thí nghiệm.
EE Mô tả và giải thích thí nghiệm Fa-ra-đây được vẽ trên Hình 23.4.
Thí nghiệm 2. Cho nam châm SN dịch chuyển ra xa (C). Kim điện kế lại chỉ một dòng điện i trong (C) nhưng theo chiều ngược với chiều ở thí nghiệm 1.
Hình . Thí nghiệm Fa-ra-đây
Thí nghiệm 3. Cũng thu được kết quả tương tự nếu cho nam châm đứng yên và mạch (C) dịch chuyển lại gần hay ra xa nam châm, hoặc cho (C) quay xung quanh một trục song song với mặt phảng chứa mạch hoặc làm biến dạng (C).
Thí nghiệm 4. Thay nam châm SN bằng một nam châm điện. Khi thay đổi cường độ dòng điện qua nam châm điện, trong (C) vẫn xuất hiện dòng điện ỉ.
HI ; 03
Kết luận
Tất cả các thí nghiêm trên đây đều có một đặc điểm chung là từ thông qua mạch kín (C) biến thiên. Dựa vào công thức định nghĩa từ thông (23.1), ta nhận thấy, khi một trong các đại lượng B, s hoặc a thay đổi thì từ thông o biến thiên.
Kết quả của các thí nghiệm ấy và của nhiều thí nghiệm tương tự khác chứng tỏ rằng :
Mỗi khi từ thông qua mạch kín (C) biến thiên thì trong mạch kín (C) xuất hiện một dòng điện gọi là dòng điện cảm ứng. Hiện tượng xuất hiện dòng điện cảm ứng trong (C) gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ.
Hiện tượng cảm úng điện từ chỉ tồn tại trong khoảng thời gian từ thông qua mạch kín biến thiên.
Ill	- ĐỊNH LUẬT LEN-XƠ VÉ CHIỂU DÒNG ĐIỆN CẢM ỨNG
Ta hãy khảo sát quy luật xác định chiều dòng điện cảm ứng xuất hiện trong một mạch kín khi từ thông qua mạch kín ấy biến thiên.
Ta quy ước chiều dương trên (C) phù hợp với chiều của đường sức từ của nam châm (hoặc ống dây điện) qua (C) theo quy tắc nắm tay phải ở trên.
ơ thí nghiệm Hình 23.3a, từ thông qua (C) tăng : Dòng điện cảm ứng i trong mạch kín '(C) có chiều ngược với chiều dương trên (C).
ơ thí nghiệm Hình 23.3b, từ thông qua (C) giảm : Dòng điện cảm ứng i trong mạch kín (C) có chiều trùng với chiều dương trên (C).
Để dễ dàng so sánh, tá chú ý rằng khi dòng điện cảm ứng xuất hiện thì cũng sinh ra từ trường, gọi là từ trường cảm ứng. Cần phân biệt từ trường cảm ứng với từ trường của nam châm hay nam châm điện — được gọi là từ trường ban đầu. Chiều của từ trường cảm ứng và chiều của dòng điện cảm úng liên quan chặt chẽ với nhau.
Quá trình phân tích các kết quả thí nghiệm mô tả trên Hình 23.3 và các thí nghiệm tương tự dẫn tới kết luận sau : Nếu xét các đường sức từ đi qua mạch kín, từ trường cảm ứng ngược chiều với từ trường ban đầu khi từ thông qua mạch kín tăng và cùng chiều với từ trường ban đầu khi từ thông qua mạch kín giảm.
Nói cách khác :
Dòng điện cảm ứng xuất hiện trong mạch kín có chiều sao cho từ trường cạm ứng có tác dụng chống lại sự biến thién của từ thông ban đầu qua mạch kín.
Phát biểu trên đây là nội dung của định luật Len-xơ, nó cho phép ta xác định chiều dòng điện cảm ứng xuất hiện trong mạch kín. p
Trường hợp từ thông qua (C) biến thiên do chụyển động
Xét thí nghiệm được mô tả trên Hình 23.3a, khi nam châm SN dịch chuyển lại gần (C), dòng điện cảm ứng chạy theo chiều âm và mặt của (C) đối diện với cực Bắc của nam châm là mặt Bắc, mặt riày gây ra lực từ đẩy cực Bắc của nam. châm. Trong trường hợp ở Hình 23.3b, nam châm SN dịch ra xa (C), dòng điện cảm ứng chạy theo chiều dương và mặt của (C) đối diện với cực Bắc của nam châm là mặt Nam, mặt này gây ra lực từ hút cực Bắc của nam châm. Trong cả hai trường hợp, lực từ đều ngược hướng với chuyển động của nam châm. Vậy có thể phát biểu một dạng khác của định luật Len-xơ:
Khi từ thông qua (C) biến thiển do kết quả của một chuyển động nào đó thì từ trường cảm ứng có tác dụng chống lại chuyển động nói trên.
13 Cho nam châm SA/ rơi thẳng đứng chui qua mạch kín (C) cố định (Hình 23.5). Hãy xác định chiều dòng điện cảm ứng xuất hiện trong (C).
Hình 23.5
- DÒNG ĐIỆN FU-C0 (FOUCAULT)
Thực nghiệm chứng tỏ rằng dòng điện cảm ứng cũng xuất hiện trong các khối kim loại khi những khối này chuyển động trong một từ trường hoặc được đặt trong một từ trường biến thiên theo thời gian. Những dòng điện cảm ứng đó được gọi là dòng điện Fu-cô.
Hình 23.6
Hình 23.7
Thí nghiệm 1
Một bánh xe kim loại (đồng hoặc nhôm) có dạng một đĩa tròn quay xung quanh trục o của-nó trước một nam châm điện (Hình 23.6). Khi chưa cho dòng điện chạy vào nam châm, bánh xe quay bình thường. Khi cho dòng điện chạy vào nam châm, bánh xe quay chậm và bị hãm dừng lại.
Thí nghiệm 2
Một khối kim loại (đồng hoặc nhôm) hình lập phưctng được đặt giữa hai cực của một nam châm điện (Hình 23.7). Khối ấy được treo bằng một sợi dây có một đầu cố định ; trước khi đưa khối kim loại vào trong nam châm điện, sợi dây treo được xoắn nhiều vòng. Nếu chưa có dòng điện đi vào nam châm điện, khi thả ra, khối kim loại quay nhanh xung quanh mình nó.
Nếu có dòng điện đi vào nam châm điện, khi thả ra, khối kim loại quay chậm và bị hãm dừng lại.
Giải thích
Ớ các thí nghiệm trên đây, khi bánh xe và khối kim loại (đồng hoặc nhôm) chuyển động trong từ trường thì trong thể tích của chúng xuất hiện dòng điện cảm ứng - những dòng điện Fu-cô. Theo định luật Len-xơ, những dòng điện cảm ứng này luôn có tác dụng chống lại sự chuyển dời, vì vậy khi chuyển động trong từ trường, trên bánh xe và trên khối kim loại xuất hiện những lực từ có tác dụng cản trở chuyển động của chúng, những lực ấy gọi là lực hãm điện từ.
Tính chất và công dụng của dòng điện Fu-cô
a) Do tác dụng của dòng Fu-cô, mọi khối kim loại chuyển động trong từ trường đều chịu tác dụng của những lực hãm điện từ. Tính chất này được ứng dụng trong các bộ phanh điện từ của những ô tô hạng nặng.
b) Dòng điện Fu-cô cũng gây ra hiệu ứng toả nhiệt Jun - Len-xơ : Khối kim loại chuyển động trong từ trường hoặc đặt trong từ trường biến thiên sẽ nóng lên. Tính chất này được ứng dụng trong các lò cảm ứng để nung nóng kim loại. Trong nhiều trường hợp, sự xuất hiện dòng Fu-cô gây nên những tổn hao năng lượng vô ích. Để giảm tác dụng của dòng Fu-cô, người ta có thể tăng điện trở của khối kim loại. Chẳng hạn, trong thí nghiệm 1 (Hình 23.6), người ta khoét những lỗ trên bánh xe ; trong thí nghiệm 2 (Hình 23.7), khối kim loại nguyên vẹn được thay bằng một khối gồm nhiều lá kim loại xếp liền nhau, cách điện đối với nhau. Bằng những cách đó, người ta thấý tác dụng của dòng Fu-cô giảm rõ rệt.
Dòng Fu-cô cũng được ứng dụng trong một số lò tôi kim loại.
Từ thông qua một diện tích s đặt trong một từ trường đều :
<5 = BScosa
Khi từ thông qua một mạch kín (C) biến thiên thì trong (C) xuất hiện dòng điện cảm ứhg.
Dòng điện cảm ứng có chiều sao cho từ trường cảm ứng có tác dụng chống lại sự biến tjjien của từ thông ban đầu qua (C). Nói riêng, khi từ thông qua (C) biến thiên do một chuyên động nào đó gây ra thì từ trường cảm ứng có tác dụng chống lại chuyển động đó.
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP
Phát biểu các định nghĩa:
Dòng điện cảm ứng ;
Hiện tượng cảm ứng điện từ?
-Từtrường cảm ứng.
Dòng điện Fu-cô là gì ?
Mạch kín (C) không biến dạng trong từ trường
đéu B. Hỏi trường họp nào dưới đây, từ thông qua mạch biến thiên ?
(C) chuyển động tịnh tiến.
(C) chuyển động quay xung quanh một trục cố định vuông góc với mặt phẳng chứa mạch.
c. (C) chuyển động trong một mặt phẳng vuông góc với 6.
D. (C) quay xung quanh'trục cố định nằm trong mặt phảng chứa mạch và trục này không song song với đường sức từ.
Mạch kín tròn (C) nằm trong cùng mặt phắng p với dòng diện thẳng I (Hình 23.8). Hỏi trường hợp nào dưới đây, tù thông qua (C) biến thiên ?
(C) dịch chuyển trong mặt phẳng p lại gần / hoặc ra xa ỉ.
(C) dịch chuyển trong mặt phẳng p vói vận tốc song song với dòng I.
c. (C) cố định, dây dẫn	(c)
thẳng mang dòng / I chuyển động tịnh tiến dọc theo chính nó.
D. (C) quay xung quanh
dòng điện thẳng /.	Hình 23.8
Xác định chiều của dòng điện cảm ứng trong các thí nghiệm dưới đây :
Nam châm chuyển động tịnh tiến (Hình 23.9a).
Mạch (C) chuyển động tịnh tiến (Hình 23.9b).
Mạch (C) quay (Hình 23.9c).
Nam châm quay liên tục (Hình 23.9d).