Bài 23. Từ thông. Cảm ứng điện từ

Từ thông qua một diện tích S, giới hạn bởi một vòng dây kín phẳng C, đặt trong từ trường đều có cảm ứng từ B là một đại lượng có biểu thức:

Ф =B.S.cosα
Với α là góc giữa B và pháp tuyến n (dương) của mặt S. Đơn vị từ thông là Vêbe (Wb).
(Vectơ pháp tuyến dương có độ dài đơn vị theo một hướng xác định.)
S
α
n
Hình định nghĩa từ thông
(C)
B
Trong hệ SI, đơn vị đo từ thông là Vêbe (Wb).
Trong công thức:
S = 1m²
B = 1 T
 Φ = B.S
Người ta dùng khái niệm từ thông để diễn tả số đường sức từ xuyên qua một diện tích nào đó.
Tính từ thông qua 1 măt phẳng diện tích 50 cm² đặt trong từ trường cảm ứng từ B = 0.4 T nếu vectơ cảm ứng từ làm thành với mặt phẳng góc 60º.
Giải:
Vectơ cảm ứng từ làm thành với mặt phẳng góc 60º thì góc giữa pháp tuyến của mặt với vectơ cảm ứng từ là 30º hay 150º.
Ta chọn góc 30º
Áp dụng công thức tính ta có;
Φ = B.S.cos α
Φ =
Ф > 0
α
n
 Khi α nhọn (cos α > 0) thì Ф>0.
Ф = 0
α
n
 Khi α tù cos (α < 0) thì Ф < 0.
 Từ thông là một đại lượng đại số.
 Khi α= 90(cosα=0) thìФ=0.
Ф= 0
n
α
S
B
(C)
Khi α=0
Φ = B.S
Nam châm chuyển động càng gần đến vòng dây thì số lượng các đường sức từ xuyên qua vòng dây càng tăng nên từ thông xuyên qua vòng dây càng tăng.
S
N
+
o
G
i
(C)
Chuyển động

S
N
+
o
G
i
Chuyển động

(C)
Nam châm chuyển động càng ra xa vòng dây thì số lượng các đường sức từ xuyên qua vòng dây càng giảm nên từ thông xuyên qua vòng dây càng giảm
G
-
+
K
 Khi đóng mạch điện thì kim điện thế bị lắc nhẹ một chút sau đó lại chỉ số 0.
Thí nghiệm Paraday
Vì trong thời gian đóng mạch, dóng điện qua nam châm điện tăng đột ngột từ 0 đến một giá trị xác định nào đó, từ trường do nam châm điện tạo ra nhanh hơn, làm cho từ thông xuyên qua ống dây cũng tăng nhanh, xuất hiện suất điện động cảm ứng tức thời và tạo dòng điện cảm ứng tức thời làm kim lệch hướng.
Khi dòng điện không đổi thì từ trường không biến thiên nên dòng điện cảm ứng mất ngay lập tức.

G
-
+
Thí nghiệm Paraday
Khi thay đổi cường độ dòng điện của nam châm điện bằng cách thay đổi trị số của biến trở, từ trường của nam châm điện biến thiên làm từ thông xuyên qua ống dây ở phía trên cũng biến thiên, khi đó trong ống dây xuất hiện dòng điện cảm ứng và kim điện kế G bị lệch.
! M?i khi t? thơng qua m?ch kín (C) bi?n thi�n thì trong m?ch kín (C) xu?t hi?n m?t dịng ?i?n g?i l� dịng ?i?n c?m ?ng.
! Hi?n t??ng x??t hi?n dĩng ?i?n c?m ?ng trong (C ) g?i l� hi?n t??ng c?m ?ng ?i?n t?.
! Hi?n t??ng c?m ?ng ?i?n t? ch? t?n t?i trong kho?ng th?i gian t? thơng qua m?ch kín bi?n thi�n..
S
N
+
o
G
i
(C)
Chuyển động

 Khi từ thông qua (C) tăng:
Dòng điện cảm ứng i trong mạch kín (C) có chiều ngược với chiều dương trên (C).
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.
S
N
+
o
G
i
Chuyển động

(C)
 Khi từ thông qua (C) giảm:
Dòng điện cảm ứng I trong mạch kín (C) có chiều trùng với chiều dương trên (C).
Nội dung của định luật Len-xơ cho phép ta xác định chiều dòng điện cảm ứng xuất hiện trong mạch kín.
Dòng điện cảm ứng xuất hiện trong mạch kín có chiều sao cho từ trường cảm ứng có tác dụng chống lại sự biến thiên của từ thông ban đầu qua mạch kín.

(Từ trường ban đầu là từ trường của nam châm hay nam châm điện.)
Giai đoạn 1: Nam châm từ trên cao rơi đến sát vòng dây. Vận dụng định luật Len-xơ, ta xác định được dòng điện cảm ứng có chiều ngược chiều kim đồng hồ (nếu nhìn vòng dây từ phía trên xuống).

Giai đoạn 2: Nam châm ra xa vòng dây. Vận dụng định luật Len-xơ, ta xác định được dòng điện cảm ứng có chiều theo chiều kim đồng hồ (nếu nhìn vòng dây từ phía trên xuống).
S
N
+
o
G
i
(C)
Chuyển động

Khi nam châm SN dịch chuyển lại gần (C), dòng điện chạy theo chiều âm và mặt của (C) đối diện với cực Bắc của nam châm là mặt Bắc, mặt này gây ra lực từ đẩy cực Bắc của nam châm.
S
N
+
o
G
i
Chuyển động

(C)
Khi nam châm SN dịch chuyển ra xa (C), dòng điện 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.
Khi từ thông qua (C) biến thiên do kết quả của một chuyển động nào đó thì từ trường cảm ứng có tác dụng chống lại chuyển động nói trên.
 Một phát biểu khác của định luật Len-xơ:
Thực nghiêm chứng tỏ rằng dòng điện cảm ứng cũng xuất hiện trong các khối kim loại khi những khối này chuyển động trong 1 từ trường hoặc được đăt trong 1 từ trường biến thiên theo thời gian. Những dòng điện cảm ứng đó được gọi là dòng điện Fu-cô.
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
Một bánh xe kim loại (đồng hoặc nhôm) có dạng một đĩa tròn quay xung quanh trục O của nó trước 1 nam châm điện.
Một khối kim loại (đồng hoặc nhôm) hình lập phương được đặt giữa 2 cực của 1 nam châm điện. Khối ấy được treo bằng 1 sợi dây có 1 đầu cố định; trước khi đưa khối kim loại vào trong nam châm điện, sợi dây được xoắn nhiều vòng. Nếu chưa có dòng điện đi vào nam châm điện, khi thả ra, khối kim loaị quay 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.
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 lai sự chuyển dời, vì vậy khi chuyển động trong từ trường, trên bánh xe và trên khối kim loại xuất hiên những lực từ có tác dụng cản trở chuyển động của chúng, những lực ấy gọi là lực hãm điện từ.
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.
Dòng điện Fu-cô cũng gây ra hiệu ứng toả nhiệt Jun-Len-xơ. 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, ta có thể tăng điện trở của khối kim loại.
Dòng Fu-cô cũng được ứng dụng trong một số lò tôi kim loại.
Mạch kín (C) không biến dạng trong từ trường đều B . Hỏi trường hợp nào sau đây từ thông qua mạch biến thiên:
(C) chuyển động tịnh tiến
(C) chuyển động quay xung quanh 1 trục cố định vuông góc với mặt phẳng chứa mạch.
(C) chuyển động trong 1 mặt phẳng vuông góc với B
(C) quay quanh trục cố định nằm trong mặt phẳng chứa mạch và trục này không song song với đường sức từ.
 Vì từ thông trong mạch biến thiên khi (C) quay xung quanh 1 trục cố định nằm trong mặt phẳng chứa mạch
N
S
(c )
Tịnh tiến
Dòng điện cảm ứng ngược chiều kim đồng hồ
N
S
Dòng điện cảm ứng theo chiều kim đồng hồ

(c )
Tịnh tiến
Nam châm chuyển động tịnh tiến.
Mạch (C) chuyển động tịnh tiến.
N
S
(c )
Quay
Không có dòng điện cảm ứng
N
S
N
S
( c)
Quay liên tục
Dòng điện cảm ứng luôn đổi chiều mỗi khi nam châm quay dược nủa vòng
Mạch (C) quay
Nam châm quay liên tục