Từ Thông Là Gì? Công Thức Tính Từ Thông, Cảm Ứng Điện Từ Lớp 11

82

Cách hoạt động của bếp điện từ, trạm biến áp,.. Đều dựa trên hiện tượng vật lý là từ thông và cảm ứng điện từ. Trong bài viết này, các em học sinh cùng VUIHOC sẽ tìm hiểu về nguyên lý hình thành từ thông và áp dụng công thức tính từ thông, cảm ứng điện từ để giải các bài tập.

1. Từ thông là gì?

Thông lượng từ trường, hay còn được gọi là từ thông, là một đại lượng vật lý đặc trưng cho “lượng” từ trường đi qua một tiết diện được giới hạn bởi đường cong kín. Để hiểu một cách đơn giản, từ thông là từ trường được tạo ra từ một khung dây đồng cuốn thành hình vòng tròn. Số vòng dây này sẽ đi qua một thanh nam châm vĩnh cửu, và số vòng tuỳ thuộc vào mục đích ứng dụng.

Nguyên tắc của từ thông là biểu thị cho hiện tượng từ đi qua nam châm vĩnh cửu. Khi nam châm tạo ra từ trường mạnh mẽ, lượng từ thông được tạo ra cũng tăng lên.

2. Đơn vị của từ thông là gì? Ví dụ và nguyên lý tạo ra từ thông

Đơn vị của từ thông là “phi”, ký hiệu là .

Ngoài ra, còn có thuật ngữ “vê be” được sử dụng để chỉ từ thông, với ký hiệu là Wb. Tuy nhiên, đơn vị phổ biến để biểu thị từ thông là từ thông.

Từ thông được tạo ra bởi nguyên tắc như sau:.

Xét một phần diện tích được gọi là S được giới hạn bởi đường cong ©.

Khi từ trường đi qua S tăng lên, số lượng từ trường đi qua nó tăng lên và Φ tăng tỉ lệ với S.

Từ thông đặc trưng cho “lượng” từ trường ⇒ hiển nhiên Φ tỉ lệ với cảm ứng từ B (đại lượng đặc trưng cho độ mạnh hay yếu của từ trường).Output: Từ thông đặc trưng cho “lượng” từ trường, vốn hiển nhiên tỉ lệ với cảm ứng từ B, đại diện cho độ mạnh hay yếu của từ trường.

Khi đi qua mặt phẳng của tiết diện S, ta thấy rằng số đường cảm ứng từ đi qua S là nhiều nhất trong trường hợp vectơ B vuông góc với mặt phẳng S và không có đường cảm ứng nào đi qua S khi vectơ B song song với mặt phẳng S. Do đó, “lượng” từ trường qua mặt S phụ thuộc vào góc α tạo bởi vectơ pháp tuyến của mặt S và $\vec{B}$. Tỷ lệ của Φ với cos α.

3. Công thức tính từ thông

3.1. Công thức tính từ thông qua khung dây

Công thức tính được từ thông qua khung dây là: Φ = N.B.S.Cosα.

Trong đó:.

Φ: từ thông được hình thành từ hiện tượng cảm ứng điện từ.

N: tổng số vòng dây hình thành khung dây.

B: các dòng từ cảm ứng.

S: diện tích.

Α: góc được tạo ra bởi 2 vectơ pháp tuyến của cảm ứng từ và khung dây.

Chú ý rằng, để đảm bảo rằng góc α luôn là góc nhọn, từ thông sẽ luôn ở trạng thái dương.

3.2. Công thức tính từ thông cực đại

Khi góc α là 0º hoặc 180º, sẽ sinh ra từ thông cực đại. Trong trường hợp này, cảm ứng điện từ và từ trường tiết diện S sẽ chạy song song và không tạo ra góc.

Công thức tính từ thông tối đa là: Φmax = B.S.

2.3. Công thức từ thông cực tiểu

Khi góc α là 90 độ và góc n tạo với B là góc vuông, sự hiện diện của từ thông không xuất hiện.

4. Hiện tượng cảm ứng điện từ

4.1. Dòng điện cảm ứng là gì?

Để hiểu hiện tượng cảm ứng từ, ta cần hiểu định nghĩa về dòng điện cảm ứng. Theo lý thuyết, dòng điện cảm ứng được tạo ra khi có tác động giữa số vòng dây quấn và nam châm vĩnh cửu. Khi nam châm di chuyển xa hoặc gần số vòng dây ở một khoảng cách cố định, điện và từ trong khung dây sẽ được tạo ra. Điều này tạo điều kiện cho sự xuất hiện của dòng điện cảm ứng.

4.2. Định luật Faraday về cảm ứng điện từ

Định luật Faraday được miêu tả qua thí nghiệm.

Thí nghiệm 1: Bằng cách sử dụng 1 nam châm và 1 ống dây kết nối với một mắc điện kế, chúng ta có thể phát hiện được dòng điện sinh ra trong ống dây. Khi nam châm và ống dây đứng yên, không có dòng điện xuất hiện trong ống dây. Tuy nhiên, khi nam châm và ống dây chuyển động so với nhau, trong quá trình chuyển động, dòng điện sẽ được tạo ra trong ống dây.

Kết quả: Khi thực hiện thí nghiệm, chúng ta đã nhận thấy rằng từ trường không tạo ra dòng điện ban đầu. Tuy nhiên, khi chúng ta thay đổi dòng điện thông qua ống dây, dòng điện sẽ xuất hiện và chạy qua ống dây.

Thí nghiệm 2: Một mạch điện được tạo thành từ một cuộn dây được lồng vào trong vòng dây có kim điện kế. Khi mạch điện được mở hoặc đóng, hoặc khi biến trở được điều chỉnh, dòng điện trong mạch sẽ thay đổi. Khi điều này xảy ra, một dòng điện sẽ chạy qua vòng dây và gây ra sự biến đổi trong số đường sức từ đi xuyên qua ống dây.

4.3. Định luật Lenz về chiều dòng điện cảm ứng

Định luật Lenz nêu rõ rằng, dòng điện cảm ứng phải có chiều điện sao cho từ trường do nó tạo ra có khả năng chống lại nguyên nhân tạo ra nó. Nói một cách đơn giản, khi có sự tăng của từ thông qua mạch, từ trường cảm ứng sẽ được tạo ra để chống lại sự tăng đó. Lúc này, từ trường cảm ứng sẽ có định hướng ngược với từ trường bên ngoài.

Hình minh họa phía dưới giải thích định luật Lenz bằng quy tắc “Quy tắc bàn tay phải”:.

Trường hợp 1: Di chuyển gần sợi dây.

Từ thông sẽ được tăng lên thông qua cuộn dây, dẫn đến sự tạo ra dòng điện cảm ứng. Dòng điện này có chiều và từ trường tạo ra bởi dòng điện cảm ứng sẽ ngăn cản từ thông ban đầu.

Trường hợp 2: Nam châm di chuyển xa từ cuộn dây.

Khi từ thông đi qua cuộn dây giảm, kim của điện kế lệch sang bên trái. Áp dụng quy tắc bàn tay phải, ta thấy rằng dòng điện tạo ra một từ trường cùng chiều với chiều từ trường của nam châm. Nghĩ là dòng điện sinh ra có tác dụng chống lại sự giảm của từ thông khi ta di chuyển nam châm ra xa cuộn dây.

4.4. Dòng điện Fu – cô

Thực nghiệm đã chứng minh rằng khi các khối kim loại di chuyển trong một từ trường hoặc được đặt bên trong một từ trường có biến thiên theo thời gian, một dòng điện cảm ứng sẽ xuất hiện. Dòng điện này được gọi là dòng điện Fu – cô. Dòng điện Fu – cô, cũng giống như dòng điện cảm ứng, có khả năng chống lại sự di chuyển tương đối của khối kim loại và có thể tạo ra nhiệt để làm nóng khối kim loại đó.

Có thể gửi điện Fu, có thể gây cháy nổ máy biến áp hoặc làm phanh điện từ ô tô hoạt động, cũng có thể dùng để đốt nóng kim loại trong lò tô.

5. Ý nghĩa của từ thông và ứng dụng của cảm ứng điện từ

5.1. Trong đời sống

Trong cuộc sống, từ thông và cảm biến điện từ có nhiều ứng dụng trong các thiết bị điện như:

Bếp từ hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ. Khi nguồn điện được kết nối, dòng điện xoay chiều được truyền qua cuộn dây đồng và tạo ra từ trường biến thiên. Khi đặt nồi lên bếp từ, đáy nồi tạo ra từ trường và dòng điện Fu – cô được sinh ra. Từ đó, hiệu ứng tỏa nhiệt Jun – Lenxơ xuất hiện và làm nóng đáy nồi, giúp chín thức ăn.

Mời đọc  Tính chiếm hữu là gì? Khác biệt giữa tình yêu đích thực và chiếm hữu

Các loại quạt điện và các thiết bị làm mát hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ. Khi dòng điện thay đổi, nó tạo ra một từ trường, làm cho động cơ hoạt động và cánh quạt quay.

5.2. Trong công nghiệp

Máy phát điện được tạo ra bằng cách tạo ra một dòng điện xoay chiều. Cấu tạo chính của máy phát điện bao gồm việc quấn các dây dẫn điện trên một lõi sắt (gọi là Stato) và kết hợp với một nam châm vĩnh cửu. Dòng điện Fu-cô chạy qua các kim loại, cho phép chuyển đổi năng lượng cơ thành năng lượng điện. Nguồn cơ năng chính để tạo ra dòng điện là động cơ tua bin sử dụng gió, nước, hơi hoặc còn có thể sử dụng động cơ đốt trong và các nguồn cơ năng khác.

Máy biến dòng, còn được gọi là máy biến dòng điện hoặc C.T, là một thiết bị được sử dụng để chuyển đổi dòng điện từ giá trị cao thành dòng điện chuẩn với giá trị 5A và 10A.

Máy biến điện (Máy biến áp): Sử dụng cảm ứng điện tử để biến đổi dòng điện xoay chiều. Máy biến áp là một thiết bị thay đổi năng lượng điện xoay chiều từ cấp điện áp này sang cấp khác bằng cách tạo ra từ trường. Máy biến áp có thể làm giảm áp (điện áp sơ cấp cao hơn điện áp thứ cấp) hoặc tăng áp. Các công ty điện lực sử dụng máy biến áp tăng áp để đạt được điện áp 100kV, từ đó giảm dòng điện và giảm thiểu tổn thất điện năng trong các đường truyền. Ngược lại, các mạch điện gia đình sử dụng máy biến áp giảm áp để giảm điện áp xuống mức 220V, phù hợp cho việc sử dụng thiết bị điện trong nhà.

Các loại cảm biến đo lưu lượng điện từ được cấu tạo bởi một đường ống cách điện, trong đó có chất lỏng đang chảy. Theo định luật Faraday, suất điện động cảm ứng được tạo ra trong ống tỷ lệ thuận với tốc độ của chất lỏng chảy. Từ suất điện động này, ta có thể suy ra vận tốc của chất lỏng chảy trong đường ống.

5. Bài tập từ thông

Bài 1: Có một vòng dây phẳng có diện tích giới hạn là 5cm2. Đặt vòng dây trong một từ trường đều và có cảm ứng từ B = 0,1T. Mặt phẳng của vòng dây tạo một góc 30 độ với vectơ B. Tính giá trị của từ thông qua diện tích đã cho.

Giải:.

$\Alpha=(\vec{n},\vec{B})=60^{\circ}$.

$\Phi=N.BS.Cos\alpha=25.10^{ -6}Wb$.

Tính giá trị bán kính của vòng dây khi cho 1 khung dây đặt bên trong vùng từ trường đều xuất hiện cảm ứng từ B = 0,06T. Khung dây được đặt vuông góc so với các đường sức từ và có từ thông qua khung dây có giá trị 1,2.10-5 Wb.

Giải:.

$\Alpha=(\vec{n},\vec{B})=0^{\circ}$.

$\Phi=N.BS.Cos\alpha=B\pi R^{2}cos\alpha \Rightarrow R=8.10^{ -3}m$.

Bài 3: Trong một khung dây phẳng có diện tích giới hạn là 5 cm2, ta quấn 20 vòng dây vào khung dây đó và đặt nó trong một vùng có từ trường đều, cảm ứng từ B = 0,1T. Khung dây được đặt trong mặt phẳng sao cho nó hợp với vectơ cảm ứng từ với một góc 60 độ. Ta cần tính giá trị từ thông qua diện tích giới hạn trên.

Giải:.

$\Alpha=(\vec{n},\vec{B})=30^{\circ}$.

$\Phi=N.BS.Cos\alpha=8,7.10^{ -4} Wb$.

Bài 4: Có một khung dây hình vuông cạnh 5 cm. Đặt khung dây vào trong một vùng từ trường đều với cảm ứng từ B = 8.10-4 T. Giá trị của từ thông qua hình vuông đó là 8.10-6 Wb. Tính giá trị góc hợp giữa vectơ pháp tuyến của hình vuông và vectơ cảm ứng từ.

Giải:.

$\Phi=N.BS.Cos\alpha \Rightarrow cos\alpha = 0,5 \Rightarrow = 60^{\circ}$.

Bài 5: Đặt một thanh nam châm thẳng gần khung dây kín hình chữ nhật ABCD. Xác định chiều dòng điện cảm ứng trong khung dây 2 trong các trường hợp sau:

A/ Đưa nam châm lại gần với cấu trúc dây hình chữ nhật.

B/ Kéo từ nam châm ra xa khỏi khung dây.

Giải:.

A/ Khi đưa nam châm gần khung dây, từ thông đi qua khung dây tăng lên và tạo ra dòng điện cảm ứng. Dòng điện này tạo ra từ trường cảm ứng ngược chiều với từ trường của nam châm. Do đó, dòng điện cảm ứng chạy trên cạnh AB từ B đến A (xác định theo quy tắc bàn tay phải).

Khi di chuyển nam châm ra khỏi khung dây, dòng điện cảm ứng trong khung dây giảm và từ thông xuyên qua khung dây cũng giảm. Tuy nhiên, một dòng điện cảm ứng mới xuất hiện trong khung dây, sinh ra từ trường cảm ứng cùng chiều với từ trường bên ngoài. Điều này làm ngăn chặn sự giảm của từ thông qua khung dây. Do đó, dòng điện cảm ứng chạy từ A đến B trên đoạn AB.

Trong bài 6, chúng ta có một ống dây được quấn trên một lõi thép và có dòng điện chạy qua. Đặt ống dây gần một khung dây kín ABCD. Chúng ta sử dụng một biến trở có cực trị R để điều chỉnh cường độ dòng điện trong ống dây. Bài toán yêu cầu chúng ta xác định chiều dòng điện cảm ứng trong các trường hợp sau đây:

A/ Di chuyển đứa trẻ chạy về hướng điểm N.

B/ Di chuyển con chạy về hướng điểm M.

Giải:.

Chiều của từ trường trong ống dây có hình dạng như được mô tả trong hình vẽ khi sử dụng quy tắc bàn tay phải.

Khi con chạy R di chuyển về điểm M, cường độ dòng điện tăng, điện trở của biến trở giảm. Từ trường và từ thông qua khung dây cũng tăng. Khi đó, dòng điện cảm ứng xuất hiện trong khung dây và tạo ra từ trường cảm ứng ngược chiều với từ trường bên ngoài (hiện tượng chống lại sự tăng của từ thông). Do đó, dòng điện cảm ứng chạy trên đoạn AB theo chiều từ B đến A.

Khi con chạy R di chuyển về phía điểm N, cường độ dòng điện qua ống dây giảm, điện trở của biến trở tăng lên, từ thông và từ trường giảm. Lúc này, dòng điện cảm ứng xuất hiện trong khung dây sẽ tạo ra từ trường cảm ứng, cùng chiều với từ trường ngoài (hiện tượng chống lại sự giảm của từ thông). Do đó, dòng điện cảm ứng chạy trên AB theo chiều từ điểm A đến điểm B.

Bài 7: Xác định hướng của dòng điện từ trường trong các hình sau:

Giải:

Bài 8: Tìm phương pháp di chuyển nam châm để tạo ra dòng điện cảm ứng giống như trong hình ảnh.

Giải:.

Hình a: Nam châm di chuyển lên xuống gần dây cuộn.

Hình b: Nam châm di chuyển lên xa khỏi vòng dây.

Hình c: Nam châm tiếp cận và rời xa từ gần vòng dây.

Hình dạng: Nam châm di chuyển lên và tiếp tục đến gần vòng này.

Hình e: Nam châm đi xuống và di chuyển xa khỏi vòng dây.

Hình f: Nam châm rơi xuống và di chuyển xa khỏi vòng dây.

Bài 9: Xác định điểm cực của nam châm trong các hình sau:.

Giải:.

Hình a: S bên trái, N bên phải.

Hình b: N nằm bên trái, S nằm bên phải.

Hình c: N phía bên trái, S phía bên phải.

Hình Đông bên trái, Nam bên phải.

Hình minh họa: S ở phía trên, N ở phía dưới.

Hình f: S trên, N dưới.

Hình g: Bắc ở trên, Nam ở dưới.

Hình h: Bắc ở trên, Nam ở dưới.

Bài 10: Xác định hướng dòng điện tạo ra từ trường cảm ứng trong trường hợp khung dây kín ABCD sau khi biết trường cảm ứng từ B đang giảm dần.

Giải:.

Với sự giảm từ thông do cảm ứng từ B giảm, cảm ứng từ Bc sẽ đi theo chiều giảm của cảm ứng từ B.

Áp dụng quy tắc bàn tay phải, ta suy ra được chiều của dòng điện cảm ứng cùng chiều kim đồng hồ.

Bài viết đã tập trung tất cả kiến thức về từ thông và cảm ứng điện từ, cùng các dạng bài tập tương ứng. Hy vọng rằng học sinh có thể tổng hợp được những kiến thức quan trọng nhất về từ thông – cảm ứng điện từ. Để tìm hiểu thêm và nắm vững kiến thức ôn thi THPT Quốc gia, hãy truy cập trang web giáo dục Vuihoc.Vn hoặc liên hệ với trung tâm hỗ trợ.