Giải chi tiết Vật lí 12 Cánh diều bài 3 Cảm ứng điện từ

MỞ ĐẦU 

Dòng điện tạo ra từ trường ở không gian xung quanh nó. Từ trường có gây ra dòng điện được không?

Bài làm chi tiết:

Mỗi khi từ thông qua mặt giới hạn bởi mạch điện kín biến thiên theo thời gian thì trong mạch xuất hiện dòng điện.

Dòng điện xuất hiện khi có sự biến thiên từ thông qua mạch điện kín được gọi là dòng điện cảm ứng. Suất điện động sinh ra dòng điện cảm ứng trong mạch kín được gọi là suất điện động cảm ứng.

Như vậy, ta cũng có thể nói khi có sự biến thiên của từ thông qua một mặt giới hạn bởi một mạch kín thì trong mạch xuất hiện suất điện động cảm ứng.

Hiện tượng xuất hiện suất điện động cảm ứng là hiện tượng cảm ứng điện từ và hiện tượng này chỉ tồn tại trong khoảng thời gian từ thông qua mạch kín biến thiên.

Hiện tượng cảm ứng điện từ được Michael Faraday (Mai-con Fa-ra-đây), người Anh tìm ra năm 1831.

I. TỪ THÔNG

Câu 1: Một vòng dây dẫn phẳng có diện tích 0,10 m² được đặt vuông góc với từ trường có độ lớn cảm ứng từ là 2,0.10^-3 T. Tính từ thông qua vòng dây này. 

Bài làm chi tiết:

Để tính từ thông, ta áp dụng công thức là Φ = NBS. cosα. Trong đó, Φ là giá trị của từ thông, N là số vòng dây, B là mật độ từ trường hay cảm ứng từ, S là diện tích bề mặt và α là góc giữa từ trường và vecto pháp tuyến của diện tích ấy.

Do đó Φ = NBS. cosα  = 1.2,0.10^-3. 0,10.cos0 = 2,0.10^-4 Wb.

II. HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ

Câu 2: Lập phương án và thực hiện phương án thí nghiệm minh hoạ được hiện tượng cảm ứng điện từ với các dụng cụ thực hành ở trường của bạn.

Bài làm chi tiết:

Một điện kế có vạch số 0 ở giữa được mắc vào hai đầu một ống dây tạo thành mạch kín (Hình 3.2)

- Đưa cực bắc của nam châm lại gần ống dây thì kim của điện kế bị lệch đi (Hình 3.3a). Điều này chứng tỏ trong mạch có dòng điện.

– Khi nam châm đứng yên, kim điện kế quay lại vị trí vạch - số 0. Điều này chứng tỏ trong mạch không có dòng điện.

– Đưa cực bắc của nam châm ra xa ống dây thì kim của điện kế bị lệch theo chiều ngược lại (Hình 3.3b). Điều này chứng tỏ dòng điện đổi chiều.

– Tương tự như vậy, nếu cho nam châm đứng yên và dịch chuyển ống dây lại gần hay ra xa nam châm thì trong ống dây cũng xuất hiện dòng điện.

Câu 3: Ở thí nghiệm (Hình 3.3), từ thông qua ống dây biến thiên như thế nào trong hai trường hợp sau đây?

- Khi đưa cực bắc của nam châm lại gần ống dây.

- Khi đưa cực bắc của nam châm ra xa ống dây.

Bài làm chi tiết:

Từ thông qua ống dây biến thiên trong hai trường hợp trên được giải thích như sau: 

+ TH1: Khi đưa cực bắc của nam châm lại gần ống dây, do càng gần về đầu của nam châm thì mật độ đường sức càng lớn nên khi đó mật độ đường sức qua diện tích các vòng dây sẽ tăng dẫn tới từ thông qua ống dây cũng sẽ tăng.

+ TH2: Khi đưa cực Bắc của nam châm ra xa ống dây thì tương tự, mật độ đường sức qua diện tích các vòng dây sẽ giảm do ra xa đầu cực Bắc của nam châm, do đó từ thông qua ống dây sẽ giảm.

Vì khi lại gần hoặc ra xa, từ thông qua ống dây đều có sự biến thiên tăng hoặc giảm, do đó trong dây dẫn sẽ xuất hiện dòng điện cảm ứng tương ứng trong mạch.

Câu 4: Nêu điểm giống và khác nhau giữa thí nghiệm ở Hình 3.3 và thí nghiệm ở Hình 3.4.

Bài làm chi tiết:

Điểm giống và khác nhau giữa thí nghiệm ở Hình 3.3 và thí nghiệm ở Hình 3.4 là: 

Giống nhau: Đều chứng minh được khi có sự biến thiên của từ thông qua mạch điện kín thì trong mạch sẽ xuất hiện dòng điện gọi là dòng điện cảm ứng.

Khác nhau: Thay vì sử dụng nam châm vĩnh cửu như ở Hình 3.3, thí nghiệm ở hình 3.4 đã sử dụng từ trường của ống dây mang điện để tạo ra sự biến thiên từ thông qua mạch kín của ống dây đang khảo sát.

Câu 5: Ở thí nghiệm Hình 3.6, nếu đưa cực của nam châm của nam châm lại gần đầu 1 của ống dây thì đầu 1 là cực nào của ống dây?

Bài làm chi tiết:

Ở thí nghiệm Hình 3.6, khi đưa nam châm lại gần ống dây, độ lớn của từ thông qua ống dây tăng và từ trường của dòng điện cảm ứng trong ống dây ngược chiều với từ trường của nam châm. Khi đó, từ trường của dòng điện cảm ứng ngăn cản nam châm lại gần nó. Vì vậy, muốn đưa được nam châm lại gần ống dây ta phải tốn một công để thắng sức cản này, hay nói cách khác, ống dây đang đẩy thanh nam châm ra xa, do đó đầu 1 của ống dây sẽ là cực bắc.

Luyện tập 1: Khung dây MNPQ quay trong từ trường đều. Tìm chiều của dòng điện cảm ứng trong khung dây tại thời điểm mặt phẳng khung dây song song với phương của đường sức từ (Hình 3.7).

Bài làm chi tiết:

Tại thời điểm mặt phẳng khung dây song song với phương của đường sức từ,  ta thấy từ thông qua mạch kín đang bằng 0 Wb do vecto cảm ứng từ đang vuông góc với vecto pháp tuyến của mặt phẳng khung dây, do đó khi quay khung dây theo chiều như hình vẽ, từ thông qua mạch MNPQ sẽ tăng và biến thiên, khi đó trong mạch MNPQ sẽ xuất hiện dòng điện cảm ứng sao cho từ trường của dòng điện này sinh ra có tác dụng chống lại sự biến thiên của từ thông qua mạch đó nên từ trường do khung dây sinh ra sẽ hợp với từ trường ban đầu một góc tù, hay trong trường hợp này nó sẽ hướng xuống dưới (do khung dây đang quay sang phải), áp dụng quy tắc nắm tay phải (quy tắc này vẫn đúng trong trường hợp khung dây) ta xác định được chiều của dòng điện cảm ứng trong mạch sẽ theo chiều MNPQ.

III. VẬN DỤNG ĐỊNH LUẬT LENZ VÀ ĐỊNH LUẬT FARADAY

IV. GIẢI THÍCH MỘT SỐ ỨNG DỤNG HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ

Câu 6: Nếu thay đĩa kim loại đặc trong Hình 3.11 bằng đĩa có xẻ rãnh (Hình 3.12) thì dao động sẽ diễn ra lâu hơn. Giải thích tại sao.

Bài làm chi tiết:

Giải thích: Khi đĩa đi vào từ trường, nó cắt các đường sức từ và do đó trong đĩa xuất hiện suất điện động cảm ứng. Vì đĩa là chất dẫn điện nên suất điện động cảm ứng tạo ra dòng điện trong đĩa. Những dòng điện này được gọi là dòng điện xoáy (dòng điện Foucault, Fu-cô). Chúng có đặc điểm là chạy theo các đường cong kín trong khối vật dẫn. Theo định luật Lenz, các dòng điện cảm ứng chạy trong đĩa sẽ tạo ra lực cản trở chuyển động, làm cho dao động bị tắt dần nhanh.

Trong đĩa kim loại đặc, dòng điện được tạo ra chủ yếu trên bề mặt của kim loại.

Trong đĩa có xẻ rãnh, dòng điện được tạo ra không chỉ trên bề mặt mà còn phải vượt qua không gian trong các xẻ rãnh. Do đó, dòng điện trong trường hợp này sẽ gặp phải điều kiện dẫn điện khó khăn hơn, dẫn đến sự giảm tốc độ tạo ra dòng điện, khi đó sẽ làm giảm khả năng cản trở chuyển động.

Do đó dao động sẽ diễn ra lâu hơn khi sử dụng đĩa có xẻ rãnh thay vì đĩa kim loại đặc.

Luyện tập 2: Hình 3.13 mô tả sơ lược sơ đồ nguyên lý hoạt động của một loại đàn ghita điện.

Phía dưới mỗi dây đàn có một nam châm được đặt bên trong một cuộn dây dẫn. Cuộn dây dẫn được nối với máy tăng âm.

Đoạn dây đàn ở sát bên trên nam châm bị từ hoá. Khi gảy đàn thì trong cuộn dây có dòng điện cảm ứng. Dòng điện cảm ứng này được biến đổi qua máy tăng âm và loa làm ta nghe được âm do dây đàn phát ra.

Giải thích vì sao khi gây đàn thì trong cuộn dây có dòng điện cảm ứng.

Bài làm chi tiết:

Khi gây đàn thì trong cuộn dây có dòng điện cảm ứng vì phía dưới mỗi dây đàn có một nam châm được đặt bên trong một cuộn dây dẫn. Khi một dây đàn điện cung cấp bởi một nguồn năng lượng bên ngoài (ví dụ: bằng cách gảy dây đàn), các dây đàn này tạo ra từ trường xung quanh chúng.

Nam châm bên dưới phản ứng với từ trường tạo ra từ dây đàn, tạo ra một dòng điện trong cuộn dây dẫn.

Sự thay đổi của từ trường từ nam châm (do độ gần của dây đàn khi được gảy thay đổi) tạo ra một dòng điện trong cuộn dây dẫn.

Theo nguyên lý cảm ứng điện từ của Faraday, khi một dòng từ trường thay đổi qua một cuộn dây dẫn, nó tạo ra một điện áp (hoặc điện thế) trong cuộn dây đó.

Câu 7: Tại sao lõi biến áp như Hình 3.14 lại làm giảm được cường độ dòng điện xoáy trong nó?

Bài làm chi tiết:

Người ta không dùng lõi sắt dạng khối liền, mà dùng những lá thép silicon mỏng có phủ lớp sơn cách điện ghép sát với nhau để giảm tác hại của dòng điện xoáy (Hình 3.14). Ngoài ra, những lá mỏng này lại được đặt song song với đường sức từ. Bằng cách đó, tuy không loại bỏ được hoàn toàn dòng điện xoáy, nhưng làm giảm được cường độ của nó một cách đáng kể.

V. MÔ HÌNH SÓNG ĐIỆN TỪ

Câu 8: Từ lớp 11, bạn đã biết, trong vùng không gian bao quanh một điện tích có điện trường. Liệu quanh điện tích đó có cả điện trường và từ trường không?

Bài làm chi tiết:

Giải thích: 

Khi một từ trường biến thiên theo thời gian sẽ sinh ra một điện trường xoáy trong không gian xung quanh và ngược lại, khi một điện trường biến thiên theo thời gian sẽ sinh ra một từ trường biến thiên theo thời gian trong không gian xung quanh.

Như đã biết, bao quanh một điện tích đứng yên sẽ xuất hiện điện trường và tác dụng lên các điện tích đặt trong điện trường đó, nếu điện tích đó di chuyển, có nghĩa là sẽ có sự biên thiên của điện trường xung quanh điện tích, khi đó sẽ xuất hiện một từ trường xoáy bao quanh điện tích. 

Câu 9: Sóng điện từ là gì?

Hãy lấy ví dụ về công cụ có thể thu và phát sóng điện từ thường được dùng trong cuộc sống.

Bài làm chi tiết:

Khái niệm sóng điện từ: 

Sóng điện từ là điện từ trường lan truyền trong không gian, trong đó các trường điện và từ trường dao động vuông góc với nhau và lan truyền theo phương vuông góc với phương của điện trường và từ trường. Sóng điện từ có thể tồn tại ở nhiều dải tần số khác nhau, từ sóng dài (đối với sóng AM radio) đến sóng ngắn (đối với sóng SW radio), sóng trung (đối với sóng FM radio), sóng microwave, và sóng hồng ngoại và sóng siêu tần.

Ví dụ về công cụ có thể thu và phát sóng điện từ thường được sử dụng trong cuộc sống là radio. Radio có thể thu sóng điện từ từ các trạm phát sóng và chuyển đổi chúng thành âm thanh để người dùng có thể nghe. Nó cũng có khả năng phát sóng điện từ bằng cách biến đổi âm thanh thành sóng điện từ để truyền đi thông qua không gian, cho phép người nghe ở xa có thể nhận được và nghe. Điều này làm cho radio trở thành một công cụ quan trọng trong việc truyền thông và giải trí hàng ngày.

Câu 10: Sử dụng mô hình sóng điện từ, chứng tỏ rằng sóng điện từ lan truyền được trong chân không.

Bài làm chi tiết:

Trong chân không (không có vật chất), phương trình sóng điện từ cho thấy rằng sóng điện từ có thể lan truyền thông qua không gian mà không cần một phương tiện truyền truyền thống như chất lỏng hoặc chất rắn. Trường điện và từ trường biến đổi theo thời gian và không gian, tạo ra sóng điện từ. Do tốc độ của sóng điện từ trong chân không là một giá trị cố định, nên không cần một vật chất truyền, như không khí hoặc nước, để sóng điện từ lan truyền, vậy nên sóng điện từ có thể lan truyền được trong chân không.

Vận dụng: Ở hai vị trí A và B cách nhau 1 km có hai nguồn phát sóng điện từ giống hệt nhau. Tín hiệu mà máy thu sóng nhận được có như nhau tại các vị trí khác nhau không? Tại sao?

Bài làm chi tiết:

Tín hiệu mà máy thu sóng nhận được có thể khác nhau tại các vị trí khác nhau (vị trí A và vị trí B) trong trường hợp các nguồn phát sóng điện từ giống hệt nhau vì sự phản xạ và giao thoa sóng điện từ.

Phản xạ sóng:

+ Khi sóng điện từ gặp phải một bề mặt phản xạ, như mặt đất hoặc các cấu trúc như tòa nhà, một phần của năng lượng sóng sẽ bị phản xạ và điều này có thể tạo ra các hiện tượng giao thoa và tạo ra một điểm pha mới.

+ Ở vị trí A và vị trí B, sự phản xạ từ các vật thể xung quanh có thể khác nhau, dẫn đến sự khác biệt trong tín hiệu thu nhận được.

Giao thoa sóng:

+ Khi hai sóng điện từ từ hai nguồn phát cùng pha gặp nhau, chúng có thể tạo ra hiện tượng giao thoa. Tại một số điểm, sự giao thoa có thể làm tăng cường tín hiệu, trong khi ở các điểm khác, nó có thể dẫn đến sự suy giảm hoặc hủy bỏ tín hiệu.

+ Tại các vị trí khác nhau như A và B, sự kết hợp của các sóng từ hai nguồn phát có thể dẫn đến sự thay đổi trong tín hiệu thu nhận được.

Do các yếu tố phức tạp như phản xạ và giao thoa sóng, tín hiệu thu nhận được có thể khác nhau tại các vị trí khác nhau (vị trí A và vị trí B) trong trường hợp hai nguồn phát sóng điện từ giống hệt nhau.