Bài 23: Từ Thông. Cảm Ứng Điện Từ

Từ thông

Định nghĩa

Từ thông qua một điện tích S đặt trong từ trường đều:

$\Phi = BS\cos \alpha$

Trong đó:

$\Phi$ : từ thông

B : cảm ứng từ

$\alpha$ : góc tạo bởi pháp tuyến $\vec{}$ $\vec{n}$ và $\vec{B}$

Từ thông là một đại lượng đại số hay rõ hơn là thông lượng đường sức từ đi qua một diện tích.
Khi: $\alpha$ $< 90^{\circ}$ ( $\cos \alpha$ $> 0$ ) $\rightarrow \Phi > 0$

$\alpha = 90^{\circ}\left ( \cos \alpha = 0 \right ) \rightarrow \Phi = 0$

$\alpha > 90^{\circ} (\cos \alpha < 0) \rightarrow \Phi < 0$

$\alpha = 0^{\circ} \rightarrow \Phi = BS$

Đơn vị đo từ thông

Trong hệ SI, đơn vị đo từ thông là vêbe (Wb):

$1Wb= 1T.1m^2 \rightarrow 1Wb= \Phi$

Hiện tượng cảm ứng điện từ

(Nguồn vatlypt.com)

Mỗi khi từ thông qua mạch kín (C) biến thiên thì trong mạch kín (C) xuất hiện một dòng điện gọi là dòng điện cảm ứng.
Hiện tượng xuất hiện dòng điện cảm ứng trong (C) gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ.
Hiện tượng cảm ứng điện từ chỉ tồn tại trong khoảng thời gian từ thông qua mạch kín biến thiên.
Để biết dòng điện cảm ứng có xuất hiện hay không, chúng ta có thể sử dụng Ampe kế, nam châm, bóng đèn để nhận biết.

Khi từ thông qua một mạch kín (C) biến thiên thì trong (C) xuất hiện dòng điện cảm ứng.

Định Luật Len-xơ về chiều dòng điện cảm ứng

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.
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.
Định luật Len-xơ có mục đích xác định chiều của dòng điện cảm ứng.

Định luật Len-xơ là hệ quả của định luật bảo toàn năng lượng

Nội dung phát biểu định luật Len-xơ:

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.

Dòng điện Fu-cô (Foucault)

Định nghĩa

Khi các khối kim loại chuyển động trong một từ trường hoặc đặt trong một từ trường biến thiên theo thời gian thì dòng điện điện cảm ứng xuất hiện gọi là dòng điện Fu-cô.

Theo định luật Len-xơ, những dòng điện Fu-cô luôn có tác dụng chống lại sự chuyển động vì vậy xuất hiện những lực từ có tác dụng cản trở chuyển động của chúng, những lực ấy gọi là lực hãm điện từ.

Tính chất

Do tác dụng của dòng điện Fu-cô, mọi khối kim loại chuyển động trong từ trường đều chịu tác dụng của những lực hãm điện từ.

Giải thích thí nghiệm:

Khi tấm kim loại lớn dao động giữa các cực của dòng điện xoáy được tạo ra trong tấm. Theo quy tắc của Lenz, những dòng điện đó tạo ra từ trường, trái ngược với lý do tồn tại của chúng và đó là chuyển động của bản. Đó là lý do tại sao tấm dừng lại. Nếu tấm lớn được thay thế bằng tấm giống như lược, hiệu ứng sẽ yếu hơn, bởi vì dòng điện xoáy yếu hơn. Chuẩn bị, thực hiện và giải thích bởi Giáo sư Oliver Zajkov tại Viện Vật lý tại Ss. Đại học Cyril và Methodius của Skopje , Macedonia

(Nguồn commons.wikimedia.org)

Dòng điện Fu-cô cũng gây ra hiệu ứng tỏa nhiệt Jun – Lenxo

Trong nhiều trường hợp, sự xuất hiện của dòng điện Fu-cô gây nên những tổn hao năng lượng vô ích. Để giảm tác dụng của dòng Fu-cô, người ta tăng điện trở của khối lượng kim loại.

Một số ứng dụng của hiện tượng cảm ứng điện từ.

Nhờ tính chất của dòng điện Fu-cô, con người đã tạo ra các bộ phanh điện từ của những chiếc ô tô hạng nặng.

Lò cảm ứng để nung nóng kim loại.

Bếp từ: một cuộn dây đồng được đặt dưới một vật liệu cách điện và một dòng điện xoay chiều được truyền qua cuộn dây đồng. Từ trường dao động đã tạo ra một từ thông liên tục từ hóa nồi, nồi đóng vai trò như lõi từ của máy biến áp. Chính điều này đã tạo ra dòng Fu-cô lớn ở trong nồi. Sự hoạt động của dòng điện làm nồi chịu tác dụng từ lực hãm điện từ, gây ra hiệu ứng tỏa nhiệt làm nóng đáy nồi và thức ăn bên trong.

Đèn huỳnh quang: trong đèn huỳnh quang, chấn lưu được sử dụng trên nguyên lý điện từ. Tại thời điểm bật đèn, nó tạo ra một áp điện cao trên hai đầu đèn và phóng điện qua đèn. Dòng điện được phóng ra sẽ tạo thành ion, tác động lên lớp bột huỳnh quang làm đèn phát sáng.

Quạt điện: Các quạt điện đều sử dụng động cơ điện nhưng những động cơ này về bản chất lại hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ.
Máy phát điện: Máy phát điện sử dụng năng lượng cơ học để tạo ra điện. Phần quan trọng nhất là quận dây trong từ trường. Khi cuộn dây điện được quay trong từ trường với tốc độ không đổi sẽ tạo ra một dòng điện xoay chiều. Nhưng có cách khác để sử dụng cảm ứng điện từ đó là giữ cho cuộn dây đứng yên, quay nam châm vĩnh cửu xung quanh cuộn dây.
Tàu đệm từ: về bản chất là sử dụng nam châm điện mạnh để tăng tốc độ của tàu lên mức đáng kinh ngạc.

Giữ vai trò vô cùng trong ngành Y học: các thiết bị phương pháp điều trị tăng thân nhiệt cho bệnh nhân ung thư, cấy ghép và chụp cộng hưởng.

Bài tập:

Bài tập 1: Một khung dây hình vuông cạnh 5cm đặt trong từ trường đều có cảm ứng từ $B=8.10^{-4}T$ . Từ thông qua hình vuông đó $\Phi =10^{-6}$ Wb.Góc hợp bởi véc-tơ cảm ứng từ với véc-tơ pháp tuyến của hình vuông đó là bao nhiêu?

Lời giải: Tại đây

Bài tập 2: Mặt bán cầu có đường kính là 2R đặt trong một từ trường đều có cảm ứng từ B song song với trục đối xứng của mặt bán cầu. Tính từ thông qua mặt bán cầu.

Lời giải: Tại đây

Bài tập 3: Một khung dây hình vuông cạnh 5cm đặt trong từ trường đều có B=0,01T. Đường sức từ vuông góc với mặt khung. Quay khung cho mặt phẳng khung song song với các đường sức từ. Tính độ biến thiên của từ thông.

Lời giải: Tại đây

Bài tập 4: Khung dây đồng ABCD hình chữ nhật có 200 vòng dây đặt vào từ trường đều, có B=0,2T. Biết AB=2cm, BC=3cm.Tìm vị trí của khung để từ thông có giá trị bằng 0

Lời giải: Tại đây

Bài tập 5: Một khung dây kín đặt trong một từ trường đều có tốc độ biến thiên của cảm ứng từ B không đổi. Nêu cách để tăng cường độ dòng điện cảm ứng trong khung.

Lời giải: Tại đây