Một khung dây hình vuông cạnh 20 cm nằm toàn bộ trong…

1. Suất điện động cảm ứng của khung dây:

Câu hỏi: Một khung dây hình vuông cạnh 20 cm nằm toàn bộ trong một từ trường đều và vuông góc với các đường cảm ứng. Trong thời gian 0,2s, cảm ứng của từ trường giảm từ 1,2 T về 0. Suất điện động cảm ứng của khung dây trong thời gian đó có độ lớn là:

A. 2,4 V

B. 240 V

C. 240 mV

D. 1,2 V

Đáp án: C. 240 mV

Giải thích: 

2. Suất điện động cảm ứng:

2.1. Định nghĩa: 

Suất điện động cảm ứng là suất điện động sinh ra dòng điện cảm ứng trong mạch kín.

2.2. Định luật Faraday:

Định luật Faraday là định luật vật lý quan trọng thể hiện mối quan hệ giữa từ trường và một mạch điện tạo ra suất điện động cảm ứng. Hiện tượng này được gọi là cảm ứng điện từ. Đây cũng là định luật được ứng dụng để chế tạo các thiết bị như: máy phát điện, nam châm điện, các loại động cơ điện,… Định luật Faraday được khám phá bởi nhà vật lý người Anh Michael Faraday vào năm 1831 và Joseph Henry độc lập nghiên cứu tại cùng thời gian. 

Định luật Faraday có thể được phát biểu như sau: Suất điện động cảm ứng trong một mạch kín bằng âm biến thiên thời gian của từ thông bao quanh nó. 

Công thức của định luật Faraday là: 

eC = -N.(ΔΦ/Δt) 

Trong đó:

– N là số vòng dây

– eC là suất điện động cảm ứng

– ΔΦ là biến thiên từ thông

– Δt là khoảng thời gian biến thiên. 

Chiều của suất điện động (dấu trừ trong công thức) phù hợp với định luật Lenz. Một ứng dụng nổi bật của định luật Faraday là lồng Faraday, một thiết bị bằng kim loại hay chất dẫn điện tốt có khả năng bảo vệ con người hoặc các máy móc khỏi ảnh hưởng của dòng điện hoặc sóng vô tuyến.

3. Lý thuyết về chuyển động của khung dây trong từ trường:

3.1. Suất điện động cảm ứng trong một đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường: 

Khung dây là một hệ thống các dây dẫn đặt trong một từ trường đều, có thể chuyển động quay quanh một trục cố định hoặc di chuyển theo một hướng nào đó. Khi khung dây chuyển động, các phần tử dòng điện trong khung dây sẽ cắt các đường sức từ, tạo ra một suất điện động cảm ứng trong khung dây. Suất điện động cảm ứng này phụ thuộc vào cảm ứng từ của từ trường, diện tích của khung dây, góc giữa mặt phẳng khung dây và các đường sức từ, và tốc độ chuyển động của khung dây. 

3.2. Quy tắc bàn tay phải:

Quy tắc bàn tay phải là một quy tắc đơn giản nhưng hữu ích để xác định hướng của các lực từ trường khi có một dòng điện chạy qua một dây. Để áp dụng quy tắc này, bạn chỉ cần giơ bàn tay phải của bạn lên và để ngón tay cái của bạn chỉ ra hướng của dòng điện. Sau đó, các ngón tay còn lại sẽ chỉ ra hướng của từ trường xung quanh dây. Quy tắc bàn tay phải có thể giúp bạn hiểu cách hoạt động của các thiết bị như động cơ điện, loa và nam châm. Quy tắc bàn tay phải cũng có thể được sử dụng để xác định hướng của lực Lorentz, lực tác dụng lên một vật chuyển động trong một trường từ. Trong trường hợp này, bạn cần để ngón tay cái của bạn chỉ ra hướng của vận tốc của vật, ngón trỏ chỉ ra hướng của từ trường, và ngón giữa chỉ ra hướng của lực Lorentz. 

Lòng bàn tay phải hứng các đường cảm ứng từ, ngón cãi choãi ra 90o chỉ chiều của khi đó chiều từ cổ tay đến các ngón tay là chiều dòng điện từ cực âm sang cực dương của nguồn điện trong đoạn dây chuyển động.

Lưu ý:

– Khi mạch được nối kín thì trong mạch có dòng điện cảm ứng ic

– Bên trong nguồn điện, dòng điện có chiều từ cực âm sang cực dương, bên ngoài thì ngược lại.

Lực Lorentz là lực mà một vật chuyển động trong một trường từ phải chịu do sự tương tác giữa vận tốc của vật và từ trường. Lực Lorentz có thể làm thay đổi hướng và tốc độ của vật, tùy thuộc vào góc giữa vận tốc và từ trường. Lực Lorentz có vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng như gia tốc hạt, máy phát xạ và máy cộng hưởng từ. Quy tắc bàn tay phải là một công cụ quan trọng trong vật lý và kỹ thuật điện.

3.3. Công thức suất điện động cảm ứng trong đoạn dây

Xét trường hợp vuông góc với mặt phẳng khung dây

Công thức tính suất điện động cảm ứng trong khung dây là:

 

Tổng quát: 

 

Trong đó:

– : suất điện động cảm ứng của đoạn dây (đơn vị là volt – V)

– B: cảm ứng từ (đơn vị là tesla – T)

– l: chiều dài đoạn dây (m)

– v: vận tốc của đoạn dây (đơn vị là radian trên giây – rad/s)

– α: góc hợp bởi và (đơn vị là radian – rad)

4. Bài tập vận dụng liên quan: 

Câu 1: Phát biểu nào sau đây không đúng? Suất điện động cảm ứng trong mạch:

A. Tỷ lệ với tốc độ biến thiên từ thông qua mạch 

B. Chỉ xuất hiện khi có sự biến thiên từ thông qua mạch 

C. Chỉ xuất hiện khi có từ thông qua mạch 

D. Có thể tồn tại mà không sinh ra dòng điện cảm ứng trong mạch đó

Đáp án: C. Chỉ xuất hiện khi có từ thông qua mạch 

Khi từ thông qua một mạch kín (C) biến thiên thì trong mạch kín đó xuất hiện suất điện động cảm ứng và do đó tạo ra dòng điện cảm ứng.

+ Suất điện động cảm ứng có giá trị cho bởi:

Dấu (-) trong công thức là để phù hợp với định luật Len-xơ.

∆Φ là độ biến thiên từ thông qua mạch (C) trong thời gian ∆t.

Nếu mạch có N vòng dây giống nhau thì:

+ Suất điện động cảm ứng trong một mạch có thể tồn tại mà không sinh ra dòng điện cảm ứng trong mạch đó trong trường hợp mạch hở.

Câu 2: Suất điện động cảm ứng trong mạch tỉ lệ với:

A. Thời gian xảy ra sự biến thiên từ thông qua mạch 

B. Độ lớn của cảm ứng từ 

C. Tốc độ biến thiên của từ thông qua mạch 

D. Độ lớn của từ thông qua mạch

Đáp án: C. Tốc độ biến thiên của từ thông qua mạch 

Câu 3: Khi cho nam châm chuyển động qua một mạch kín, trong mạch xuất hiện dòng điện cảm ứng. Điện năng của dòng điện được chuyển hóa từ:

A. hoá năng

B. quang năng

C. cơ năng

D. nhiệt năng

Đáp án: C. cơ năng

Câu 4: Một nam châm thẳng có từ trường hướng vào lòng ống dây. Trong trường hợp nào dưới đây suất điện động trong ống dây lớn nhất: 

A. Ống dây tiến lại gần nam châm với tốc độ v 

B. Nam châm tiến lại gần ống dây với tốc độ v 

C. Nam châm và ống dây tiến lại gần nhau với tốc độ v

D. Nam châm và ống dây tiến ra xa với tốc độ V

Đáp án: C. Nam châm và ống dây tiến lại gần nhau với tốc độ v nghĩa là chúng chuyển động ngược chiều nhau Do đó, vận tốc tương đối của chúng là 2v, làm từ thông biến thiên nhanh nhất, suất điện động trong ống dây lớn nhất.

Câu 5: Một khung dây dẫn diện tích S đặt vuông góc với đường sức của từ trường đều có cảm ứng từ B. Nếu trong thời gian 2 giây cảm ứng từ giảm đi một nửa thì suất điện động cảm ứng trong khung có độ lớn là:

A. ec = B.S

B. ec = B.S/2

C. ec = B.S/4

D. ec = 2.B.S.

Đáp án: C Độ lớn của suất điện động cảm ứng:

Câu 6: Khi từ trường qua một cuộn dây gồm 100 vòng dây biến thiên, suất điện động cảm ứng xuất hiện trên mỗi vòng dây là 0,02mV. Suất điện động cảm ứng xuất hiện trên cuộn dây có giá trị là

A. 2mV

B. 0,2mV

C. 20mV

D. 2V

Đáp án: A Suất điện động cảm ứng xuất hiện trên cuộn dây có giá trị là:

Câu 7: Một khung dây dẫn tròn có diện tích 60cm2, đặt trong từ trường đều. Góc giữa và mặt phẳng khung dây là 30o. Trong thời gian 0,01s từ trường tăng đều từ 0 lên 0,02T. Suất điện động cảm ứng xuất hiện trong vòng dây có độ lớn là 0,6V. Khung dây trên gồm.

A. 173 vòng

B. 1732 vòng

C. 100 vòng

D. 1000 vòng.

Đáp án: C Mặt phẳng khung dây tạo với các đường sức từ một góc 30o nên