Bài 16. Từ thông. Hiện tượng cảm ứng điện từ

1. Kiến thức trọng tâm

1.1. Từ thông

• Từ thông là đại lượng đặc trưng cho số lượng đường sức từ xuyên qua một diện tích.

• Kí hiệu: $\Phi$.

• Đơn vị: $1\mathrm{Wb}$(weber).

1.2. Công thức tính từ thông

Xét một khung dây phẳng diện tích $S$ đặt trong từ trường đều có cảm ứng từ $B$, từ thông qua khung dây được xác định bởi:

$\Phi \mathrm{=BS}\cos \mathrm{\alpha }$.

Trong đó:

• $B$: cảm ứng từ (T).

• $S$: diện tích mặt phẳng khung dây (m²).

• $\alpha$: góc giữa vectơ cảm ứng từ $\overrightarrow{B}$ và vectơ pháp tuyến $\overrightarrow{n}$ của mặt phẳng khung dây.

1.3. Trường hợp cuộn dây nhiều vòng (mở rộng thường dùng trong bài tập)

Nếu cuộn dây có $N$ vòng dây giống nhau thì từ thông toàn phần qua cuộn dây là:

${\Phi }_t\mathrm{=N}\Phi \text{=NBS}\cos \mathrm{\alpha }$.

Trong đó:

• $N$: số vòng dây của cuộn dây.

• $\Phi$: từ thông qua một vòng dây.

1.4. Các trường hợp đặc biệt

a) Từ trường vuông góc mặt phẳng khung dây

Khi $\mathrm{\alpha =}{0}^{\circ }$ thì: $\Phi \mathrm{=BS}$.

Từ thông đạt giá trị lớn nhất: ${\Phi }_{\max }\mathrm{=BS}$.

b) Từ trường song song mặt phẳng khung dây

Khi $\mathrm{\alpha =}{90}^{\circ }$ thì: $\Phi \mathrm{=0}$.

Không có đường sức từ xuyên qua mặt phẳng khung dây.

1.5. Hiện tượng cảm ứng điện từ

• Khi từ thông qua một mạch kín biến thiên theo thời gian thì trong mạch xuất hiện dòng điện.

• Hiện tượng xuất hiện dòng điện trong mạch kín do từ thông biến thiên được gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ.

1.6. Dòng điện cảm ứng

• Dòng điện xuất hiện trong mạch kín do hiện tượng cảm ứng điện từ được gọi là dòng điện cảm ứng.

• Dòng điện cảm ứng chỉ tồn tại trong thời gian từ thông qua mạch đang biến thiên.

1.7. Các cách làm biến đổi từ thông

Từ công thức $\Phi \mathrm{=BS}\cos \mathrm{\alpha }$, có thể làm thay đổi từ thông bằng cách:

• Thay đổi cảm ứng từ $B$.

• Thay đổi diện tích $S$ của mạch kín.

• Thay đổi góc $\alpha$ giữa $\overrightarrow{B}$ và pháp tuyến mặt phẳng khung dây.

1.8. Điều kiện xuất hiện dòng điện cảm ứng

Điều kiện để xuất hiện dòng điện cảm ứng là:

• Từ thông qua mạch kín phải biến thiên theo thời gian.

• Nếu từ thông không đổi thì không xuất hiện dòng điện cảm ứng.

1.9. Kết luận của thí nghiệm Faraday

• Khi nam châm chuyển động lại gần hoặc ra xa cuộn dây thì xuất hiện dòng điện cảm ứng.

• Khi nam châm đứng yên so với cuộn dây thì không xuất hiện dòng điện cảm ứng.

Kết luận: Dòng điện cảm ứng xuất hiện trong mạch kín khi từ thông qua mạch kín biến thiên theo thời gian.

1.10. Suất điện động cảm ứng. Định luật Faraday

a) Suất điện động cảm ứng

b) Định luật Faraday

$$\mid e_c\mid =\mid \frac{\mathrm{\Delta \Phi }}{\Delta t}\mid$$

$$e_c=-\frac{\mathrm{\Delta \Phi }}{\Delta t}$$

$$e_c\mathrm{=-N}\frac{\mathrm{\Delta \Phi }}{\Delta t}$$

Trong đó:

2. Giúp hiểu sâu

💡 Nguyên nhân trực tiếp gây ra hiện tượng cảm ứng điện từ là sự biến thiên của từ thông.

💡 Từ trường có thể tồn tại nhưng nếu từ thông không đổi thì không xuất hiện dòng điện cảm ứng.

💡 Chuyển động của nam châm chỉ là một trong những cách làm thay đổi từ thông qua mạch kín.

💡 Muốn tạo dòng điện cảm ứng phải làm cho từ thông qua mạch kín thay đổi theo thời gian.

3. Ghi nhớ nhanh

• Từ thông: $\Phi \mathrm{=BS}\cos \mathrm{\alpha }$.

• Từ thông biến thiên theo thời gian ⇒ xuất hiện dòng điện cảm ứng.

• Định luật Lenz xác định chiều dòng điện cảm ứng.

• Định luật Faraday xác định độ lớn suất điện động cảm ứng:

$$\mid e_c\mid =\mid \frac{\mathrm{\Delta \Phi }}{\Delta t}\mid$$

4. Lưu ý cho học sinh

• Không nhầm góc $\alpha$ là góc giữa mặt phẳng khung dây và $\overrightarrow{B}$; theo SGK, $\alpha$ là góc giữa pháp tuyến mặt phẳng khung dây và $\overrightarrow{B}$.

• Khi mặt phẳng khung dây vuông góc với $\overrightarrow{B}$ thì: $\Phi \mathrm{=BS}$ và từ thông đạt giá trị lớn nhất.

• Khi mặt phẳng khung dây song song với $\overrightarrow{B}$ thì: $\Phi \mathrm{=0}$.

• Muốn xét có xuất hiện dòng điện cảm ứng hay không phải xét sự biến thiên của từ thông, không chỉ xét riêng từ trường.

• Trong bài tập, từ thông có thể thay đổi do thay đổi $B$, $S$ hoặc góc $\alpha$.

• Dòng điện cảm ứng chỉ tồn tại trong thời gian từ thông đang biến thiên; khi từ thông ngừng thay đổi thì dòng điện cảm ứng cũng mất đi.

• Học sinh rất hay nhầm giữa góc của mặt phẳng khung dây với góc của pháp tuyến; cần đổi đúng góc trước khi áp dụng công thức $\Phi \mathrm{=BS}\cos \mathrm{\alpha }$.