Suất điện động Cảm ứng, Công Thức định Luật Faraday ... - HayHocHoi

Bài viết này chúng ta cùng tìm hiểu suất điện động cảm ứng là gì? Công thức định luật Fa-ra-đây (Faraday) về dòng điện cảm ứng được viết ra sao? Suất điện động cảm ứng và định luật Len-xơ (Lenz) có mối quan hệ như thế nào?

I. Suất điện động cảm ứng trong mạch kín

1. Suất điện động cảm ứng là gì?

- Định nghĩa: Suất điện động cảm ứng là suất điện động sinh ra dòng điện cảm ứng trong mạch kín.

2. Định luật Fa-ra-đây (Faraday)

- Xét biến thiên từ thông Δϕ trong thời gian Δt trong mạch kín (C) do sự dịch chuyển của mạch.

- Công do lực từ tác dụng vào mạch: ΔA=i.Δϕ với i là cường động dòng điện cảm ứng.

- Áp dụng định luật Len-xơ, công của ngoại lực sinh ra để gây ra biến thiên từ thông trong mạch là:

 ΔA′=−ΔA=−i.Δϕ (*)

- Công ΔA′ chính là giá trị phần năng lượng bên ngoài cung cấp cho mạch:

 ΔA′=ec.i.Δt (**)

- Trong đó: ec suất điện động cảm ứng (tương tự như điện năng do một nguồn điện sinh ra)

- Từ (*) và (**) ta có, công thức suất điện động cảm ứng là: 

- Nếu chỉ xét về độ lớn thì:

• Định luật Fa-ra-đây: Độ lớn suất điện động cảm ứng xuất hiện trong mạch kín tỉ lệ với tốc độ biến thiên từ thông qua mạch kín đó.

II. Quan hệ giữa suất điện động cảm ứng và định luận Len-xơ

• Sự xuất hiện dấu "-" trong công thức suất điện động cảm ứng là phù hợp với định luật Len-xơ.

- Trước hết mạch kín (C) phải được định hướng. Dựa vào chiều đã chọn trên (C), ta chọn chiều pháp tuyến dương để tính từ thông qua mạch kín.

- Nếu ϕ tăng thì ec <0: Chiều của suất điện động cảm ứng ngược với chiều dòng điện trong mạch.

- Nếu ϕ giảm thì ec > 0: Chiều của suất điện động cảm ứng là chiều của dòng điện trong mạch.

III. Chuyển hóa năng lượng trong hiện tượng cảm ứng điện từ

- Xét mạch kín (C) đặt trong từ trường không đổi, để tạo ra sự biến thiên của từ thông qua mạch (C), phải có một ngoại lực tác dụng vào (C) để thực hiện một dịch chuyển nào đó của (C) và ngoại lực này đã sinh một công cơ học. Công cơ học này làm xuất hiện suất điện động cảm ứng trong mạch, nghĩa là tạo ra điện năng.

- Như vậy, bản chất của hiện tượng cảm ứng điện từ đã nêu ở trên là quá trình chuyển hóa cơ năng thành điện năng.

IV. Bài tập Suất điện động cảm ứng

* Bài 1 trang 152 SGK Vật Lý 11: Phát biểu các định nghĩa:

- Suất điện động cảm ứng.

- Tốc độ biến thiên của từ thông.

° Lời giải bài 1 trang 152 SGK Vật Lý 11:

◊ Suất điện động cảm ứng

- Là suất điện động gây ra dòng điện cảm ứng trong mạch kín.

- Suất điện động cảm ứng trong mạch được xác định bằng biểu thức:

- Dấu (-) trong công thức là phù hợp với định luật Len-xơ, ΔΦ là độ biến thiên từ thông qua mạch (C) trong thời gian Δt.

◊ Tốc độ biến thiên của từ thông:   là tốc độ biến thiên của từ thông qua mạch (C) trong thời gian Δt.

* Bài 2 trang 152 SGK Vật Lý 11: Nêu ít nhất ba ứng dụng của hiện tượng cảm ứng điện từ.

° Lời giải bài 2 trang 152 SGK Vật Lý 11:

◊ Hiện tượng cảm ứng điện từ là cơ sở:

- Chế tạo máy phát điện một chiều, xoay chiều.

- Chế tạo máy biến thế.

- Chế tạo động cơ không đồng bộ 3 pha,...

* Bài 3 trang 152 SGK Vật Lý 11: Phát biểu nào dưới đây là đúng?

Khi một mặt kín phẳng, quay xung quanh một trục nằm trong mặt phẳng chứa mạch trong một từ trường, thì suất điện động cảm ứng đổi chiều 1 lần trong

A.Một vòng quay.

B.2 vòng quay.

C.1/2 vòng quay.

D.1/4 vòng quay.

° Lời giải bài 3 trang 152 SGK Vật Lý 11:

◊ Chọn đáp án: C. 1/2 vòng quay.

- Giả sử, ban đầu từ thông qua mạch bằng không.

- Trong nửa vòng tay đầu, từ thông qua mạch tăng dần đến giá trị cực đại (khi  vuông góc với mặt phẳng của mạch) thì ec < 0: chiều của suất điện động cảm ứng ngược với chiều của mạch.

- Trong nửa vòng quay cuối, từ thông qua mạch giảm dần từ giá trị cực đại xuống 0 thì ec > 0: chiều của suất điện động cảm ứng là chiều của mạch.

⇒ Như vậy suất điện động cảm ứng trong mạch sẽ đổi chiều một lần trong 1/2 vòng quay.

* Bài 4 trang 152 SGK Vật Lý 11: Một mạch kín hình vuông cạnh 10cm, đặt vuông góc với một từ trường đều có độ lớn thay đổi theo thời gian. Tính tốc độ biến thiên của từ trường, biết cường độ dòng điện cảm ứng i=2A và điện trở của mạch r=5Ω.

° Lời giải bài 4 trang 152 SGK Vật Lý 11:

- Suất điện động cảm ứng trong mạch: |ec|=ir=10 (V).

- Độ biến thiên từ thông qua mạch kín:

  

- Kết luận: Tốc độ biến thiên của từ trường là 103 (T/s).

* Bài 5 trang 152 SGK Vật Lý 11: Một khung dây dẫn hình vuông cạnh a=10cm, đặt cố định trong một từ trường đềucó vectơ cảm ứng từ vectơ B vuông góc với mặt khung. Trong khoảng thời gian Δt=0,05s; cho độ lớn của vectơ B tăng từ 0 đến 0,5T. Xác định độ lớn của suất điện động cảm ứng xuất hiện trong khung.

° Lời giải bài 5 trang 152 SGK Vật Lý 11:

- Suất điện động cảm ứng trong khung:

  

- Kết luận: Suất điện động cảm ứng xuất hiện trong khung là 0,1 (V).

* Bài 6 trang 152 SGK Vật Lý 11: Một mạch kín tròn (C) bán kính R, đặt trong từ trường đều, trong đó vectơ cảm ứng từ B lúc đầu có hướng song song với mặt phẳng chứa (C) (hình 24.4). Cho (C) quay đều xung quanh trục Δ cố định đi qua tâm của (C) và nằm trong mặt phẳng chứa (C); tốc độ quay là ω không đổi. Xác định suất điện động cảm ứng cực đại xuất hiện trong (C).

° Lời giải bài 6 trang 152 SGK Vật Lý 11:

- Công thức từ thông:  với α là góc hợp bởi véctơ pháp tuyến  của khung và véctơ cảm ứng từ .

Cho (C) quay đều xung quanh trục ∆ cố định đi qua tâm của (C) và nằm trong mặt phẳng chứa (C) ; tốc độ quay là ω không đổi ⇒ α(t) = ωt.

⇒ Từ thông tại thời điểm t: Φ(t) = BScosωt

- Suất điện động cảm ứng: 

⇒ Suất điện động cảm ứng cực đại là: .