Chương III · Trang 66–71 · Từ thông · Định luật Lenz · Định luật Faraday
Nhận biết vectơ pháp tuyến của diện tích khung, góc \(\alpha\) giữa \(\vec B\) và pháp tuyến; tính \(\Phi=BS\cos\alpha\) với đơn vị Wb.
Dự đoán khi nào dòng điện cảm ứng xuất hiện trong vòng dây dẫn kín, khi nào không; mô tả thí nghiệm đưa nam châm lại gần/ra xa cuộn dây.
Phân biệt chống lại sự biến thiên từ thông với chống lại chính từ trường; xác định chiều dòng điện cảm ứng theo quy tắc nắm tay phải.
Áp dụng \(\mathcal E=-N\Delta\Phi/\Delta t\); đọc độ dốc đồ thị từ thông–thời gian và giải bài tập đoạn thẳng, nhiều giai đoạn.
Trong từ trường đều \(\vec B\), xét mặt phẳng khung có diện tích \(S\) và chọn một chiều pháp tuyến \(\vec n\) cố định. Góc \(\alpha\) là góc từ \(\vec B\) đến \(\vec n\), không phải góc giữa \(\vec B\) và mặt phẳng khung. Từ thông là đại lượng đại số, có thể âm, dương hoặc bằng 0.
\(B\) (tesla, T); \(S\) (m²); \(\alpha\in[0^\circ,180^\circ]\); \(\Phi\) (weber, Wb), \(1\,\mathrm{Wb}=1\,\mathrm{T\cdot m^2}\). Trong bài có N vòng đồng dạng, từ thông liên kết là \(N\Phi\).
Đổi chiều pháp tuyến làm đổi dấu từ thông được quy ước, không làm thay đổi hiện tượng vật lí; dấu suất điện động cũng phụ thuộc chiều quy ước vòng dây.
Thay đổi \(B\), thay đổi \(S\) hoặc thay đổi \(\alpha\) theo thời gian. Chỉ khi từ thông qua mạch kín biến thiên mới có dòng điện cảm ứng. Với mạch hở, vẫn có thể có suất điện động cảm ứng nhưng không có dòng kín duy trì.
Dòng điện cảm ứng có chiều sao cho từ trường do nó tạo ra chống lại sự biến thiên từ thông qua khung. Từ thông đang tăng theo một chiều: từ trường cảm ứng ngược chiều ấy; đang giảm: từ trường cảm ứng cùng chiều ấy.
\(\Phi\) là từ thông qua một vòng, \(N\) là số vòng, \(\Delta t>0\). Công thức cho giá trị trung bình trên khoảng biến thiên; nếu \(\Phi(t)\) khả vi thì \(\mathcal E_c=-N\,d\Phi/dt\). Độ lớn: \(|\mathcal E_c|=N|\Delta\Phi|/\Delta t\) tính bằng V.
Đồ thị \(\Phi(t)\) tăng tuyến tính: suất điện động theo chiều quy ước âm; đường ngang: \(\mathcal E_c=0\); giảm tuyến tính: suất điện động dương. 1 mWb = 10⁻³ Wb; 1 ms = 10⁻³ s.
Quay đều khung trong từ trường đều: \(\Phi=BS\cos(\omega t+\varphi_0)\) với 1 vòng (phần mở rộng), dẫn tới suất điện động biến thiên; không được lấy \(\Delta B\) nếu thực tế đang quay khung.
Từ trường đều trên toàn diện tích, các vòng giống nhau để dùng \(N\Phi\). Không suy trực tiếp dòng điện nếu chưa biết mạch kín và điện trở; khi mạch kín có \(R>0\), \(I=|\mathcal E_c|/R\) theo mô hình đơn giản. Chiều phụ thuộc quy ước hướng nhìn.
| Bước | Thao tác bắt buộc | Lưu ý |
|---|---|---|
| 1. Sơ đồ | Vẽ \(\vec B\), pháp tuyến \(\vec n\), nêu góc \(\alpha\). | Góc với mặt phẳng = \(90^\circ-\alpha\) nếu góc nhọn. |
| 2. Điều kiện | Một hay N vòng; kín hay hở; B đều hay biến thiên. | \(\Phi\) mỗi vòng khác \(N\Phi\). |
| 3. Đơn vị | cm²→m²; mWb→Wb; ms→s. | 1 cm² = 10⁻⁴ m². |
| 4. Độ biến thiên | \(\Delta\Phi=\Phi_2-\Phi_1\), \(\Delta t=t_2-t_1>0\). | Không bỏ dấu trước khi xét chiều. |
| 5. Faraday–Lenz | \(\mathcal E_c=-N\Delta\Phi/\Delta t\); xét chiều trường cảm ứng. | Góc và hướng nhìn phải nêu rõ. |
Khung một vòng có diện tích \(S=200\,\mathrm{cm^2}\), đặt trong \(B=0{,}50\,\mathrm T\), góc giữa \(\vec B\) và pháp tuyến là 60°. Tính từ thông.
Giải: \(S=0{,}020\,\mathrm{m^2}\); \(\Phi=0{,}50\times0{,}020\times\cos60^\circ=0{,}005\,\mathrm{Wb}=5\,\mathrm{mWb}\).
\(B=0{,}20\,\mathrm T\), \(S=0{,}030\,\mathrm{m^2}\). \(\vec B\) hợp với mặt phẳng khung góc 30° và có thành phần cùng chiều pháp tuyến đã chọn. Tính \(\Phi\).
Giải: Góc với pháp tuyến là 60°, \(\Phi=0{,}20\times0{,}030\times\cos60^\circ=0{,}003\,\mathrm{Wb}\).
Khung một vòng có \(BS=0{,}015\,\mathrm{Wb}\). Chọn \(\vec B\) và \(\vec n\) ngược chiều. Tính \(\Phi\).
Giải: \(\alpha=180^\circ\Rightarrow\Phi=-0{,}015\,\mathrm{Wb}\). Giá trị âm không phải từ trường âm.
Qua một vòng, từ thông tăng từ 2 mWb lên 8 mWb trong 0,030 s. Cuộn có 100 vòng giống nhau. Tính suất điện động trung bình theo chiều quy ước và độ lớn.
Giải: \(\Delta\Phi=0{,}006\,\mathrm{Wb}\); \(\mathcal E_c=-100\times0{,}006/0{,}030=-20\,\mathrm V\); độ lớn 20 V.
Khung kín N=50 vòng, S=0,020 m², pháp tuyến cùng chiều B; B giảm từ 0,30 T xuống 0,10 T trong 0,20 s. Tính độ lớn suất điện động.
Giải: \(\Delta\Phi=0{,}020(0{,}10-0{,}30)=-0{,}004\,\mathrm{Wb}\); \(\mathcal E_c=-50(-0{,}004)/0{,}20=+1\,\mathrm V\).
Khung một vòng, B=0,25 T, S=0,040 m², pháp tuyến quay từ α₁=0° sang α₂=90° trong 0,10 s. Tính độ lớn suất điện động trung bình.
Giải: \(\Phi_1=0{,}010\,\mathrm{Wb}\), \(\Phi_2=0\); \(|\mathcal E|=0{,}010/0{,}10=0{,}10\,\mathrm V\).
Người quan sát ở phía nam châm nhìn thẳng trục cuộn dây. Cực Bắc tiến gần đầu cuộn dây. Chiều dòng cảm ứng nhìn từ phía nam châm?
Giải: Từ trường xuyên qua khung hướng xa người quan sát đang tăng; trường cảm ứng hướng về người quan sát để chống tăng. Quy tắc bàn tay phải: dòng ngược chiều kim đồng hồ nhìn từ phía nam châm.
Cuộn 200 vòng. Từ thông một vòng tăng đều 0→4 mWb trong 0,20 s; giữ 4 mWb trong 0,10 s; giảm đều về 0 trong 0,40 s. Tính suất điện động có dấu theo ba giai đoạn.
Giải: Giai đoạn tăng: \(-200\times0{,}004/0{,}20=-4\,\mathrm V\); không đổi: 0; giảm: \(-200(-0{,}004)/0{,}40=+2\,\mathrm V\).
Hình minh họa dựng bằng SVG/canvas, ký hiệu quy ước được ghi rõ. Phần đo điện áp là mô hình định luật Faraday, không phải kết quả đo từ thiết bị thật.
Trong hình bên trái là góc α giữa vectơ B và pháp tuyến n. Hình bên phải là đồ thị Φ theo α; phép biểu diễn hình học mang tính quy ước, không phải phối cảnh 3D chính xác.
Quy ước quan sát: Người quan sát đứng phía nam châm, nhìn thẳng vào mặt cuộn dây. ⊙ = hướng về mắt người quan sát; ⊗ = hướng ra xa mắt. Ở chế độ đứng yên, từ thông không đổi nên không có dòng cảm ứng.
\(\Phi(t)\) là từ thông qua một vòng. Trục suất điện động có dấu theo chiều vòng dây đã chọn; tại các điểm gãy lý tưởng, dùng giá trị bên trong từng giai đoạn. Dữ liệu mô phỏng được tính từ các đoạn tuyến tính xác định.
Các bài tập nêu rõ số vòng, góc với pháp tuyến, mặt khung, hướng nhìn, trạng thái kín/hở, đơn vị và thời gian đo. Nhập kết quả không kèm đơn vị. Bài tự luyện có lời giải riêng; bài kiểm tra chỉ hiển thị đáp án sau khi nộp.
8 câu ABCD (2 điểm) · 4 câu Đúng/Sai bốn ý (4 điểm) · 8 câu trả lời ngắn (2 điểm) · 2 câu tự luận (2 điểm). Giáo viên/học sinh đánh giá tự luận theo rubric; các phần còn lại được chấm tự động.
Cuộn dây và nam châm chuyển động tương đối làm từ thông thay đổi, tạo suất điện động cảm ứng. Cần cơ năng cung cấp từ tua-bin hoặc nguồn khác; dòng điện không “tự sinh ra năng lượng”.
Dòng điện biến thiên trong cuộn phát tạo từ trường biến thiên, gây suất điện động cảm ứng ở cuộn thu. Khoảng cách và định hướng hai cuộn ảnh hưởng hiệu suất.
Dòng điện xoáy trong vật dẫn chuyển động có tác dụng cản chuyển động theo định luật Lenz; cơ năng một phần biến thành nội năng.
Cảm biến điện áp ghi hai xung suất điện động trái dấu khi nam châm đi vào và ra khỏi cuộn, nếu cùng chiều pháp tuyến quy ước.