Cảm ứng điện từ
Theo dõi chuỗi từ thông biến thiên -> suất điện động -> dòng cảm ứng, xác định chiều bằng Lenz và giải thích máy phát, máy biến áp, truyền tải bằng năng…
VẬT LÍ 9 · ĐIỆN TỪ HỌC
Cảm ứng điện từ
Không phải “có nam châm” là có dòng điện. Dòng cảm ứng xuất hiện khi từ thông qua mạch kín thay đổi. Ta theo chuỗi nguyên nhân: chuyển động tương đối → từ thông đổi → suất điện động → dòng có chiều chống lại biến thiên.
KHTN 9 Từ thông thay đổi Mức độ 3/5 35–50 phút Máy phát điện
Chuỗi nguyên nhân của dòng cảm ứng. Có nam châm nhưng \Phi không đổi thì không có dòng lâu dài.
Chuẩn năng lực: nhận biết khi nào có dòng cảm ứng; mô tả ảnh hưởng của tốc độ, số vòng và độ biến thiên từ thông; xác định chiều theo quy tắc Lenz; giải thích máy phát xoay chiều và máy biến áp bằng chuyển đổi năng lượng, đơn vị V–Wb–s.
Sáu điểm neo của cảm ứng
1 Mạch kín Có suất điện động chưa chắc có dòng nếu mạch hở.
2 Từ thông đổi Đổi B, diện tích, góc hoặc vị trí tương đối.
3 Nhanh hơn Cùng độ biến thiên trong thời gian ngắn hơn cho |E| lớn hơn.
4 Nhiều vòng |E| tỉ lệ N khi mỗi vòng nhận cùng biến thiên.
5 Lenz Từ trường cảm ứng chống lại sự biến thiên từ thông.
6 Năng lượng Máy phát đổi cơ năng thành điện năng, không tạo năng lượng từ không.
Năm lớp từ thí nghiệm đến thiết bị
Bốn cách làm từ thông thay đổi. Từ thông cực đại khi pháp tuyến song song B.
1. Điều kiện xuất hiện dòng cảm ứng: phải có biến thiên
Faraday: cùng biến thiên, thời gian ngắn hơn. Giảm thời gian một nửa làm suất điện động gấp đôi.
Đặt nam châm đứng yên trước cuộn dây đứng yên: kim điện kế trở về 0 dù từ trường tồn tại. Đẩy nam châm lại gần hoặc kéo ra xa: kim lệch trong thời gian chuyển động. Giữ nam châm ở vị trí mới: kim lại về 0. Đại lượng quyết định là sự thay đổi từ thông qua cuộn dây.
Cực bắc nam châm tiến lại gần cuộn dây và tạo dòng cảm ứng. Cực bắc ở bên trái chuyển động sang phải tới cuộn dây; từ thông hướng sang phải tăng, nên cuộn tạo từ trường cảm ứng hướng sang trái và mặt gần nam châm trở thành cực bắc.
Khi cực N tiến gần, từ thông theo hướng từ nam châm vào cuộn tăng. Theo Lenz, cuộn tạo từ trường ngược biến thiên, nên mặt gần nam châm cũng là N để đẩy lại chuyển động tiếp cận.
Không nói “chống lại từ trường”: chiều cảm ứng chống lại sự thay đổi của từ thông. Nếu từ thông đang giảm, từ trường cảm ứng cùng chiều từ trường cũ để chống sự giảm.
2. Bốn cách làm từ thông thay đổi và một công thức mở rộng
Cực N tiến lại và rời xa cuộn dây. Lenz chống sự thay đổi từ thông, không chống từ trường.
Từ thông qua một vòng có thể viết \Phi=BS cos\alpha trong trường đều, với \alpha là góc giữa vectơ B và pháp tuyến mặt vòng. Vì vậy có bốn con đường: thay B; thay S; quay làm \alpha đổi; hoặc di chuyển để phần vòng nằm trong vùng từ trường đổi.
|E|=N|\Delta\Phi|/\Delta t.
MỞ RỘNG ĐỊNH LƯỢNG
Cuộn N=200 vòng, từ thông qua mỗi vòng giảm đều từ 3,0\times 10^{-4} Wb về 0 trong 0,050 s. Tính độ lớn suất điện động trung bình.
|E|=200\cdot 3,0\times 10^{-4}/0,050=1,20 V. Đơn vị Wb/s=V.
Nếu cùng biến thiên xảy ra trong 0,025 s, |E| tăng gấp đôi thành 2,40 V. Nếu mạch hở, vẫn có suất điện động giữa hai đầu nhưng không có dòng điện kín liên tục.
Thay đổi · Hệ quả nếu yếu tố khác giữ nguyên · Điểm cần nói rõ
Tăng N · |E| tăng tỉ lệ · Các vòng cùng nhận biến thiên
Giảm \Delta t · |E| tăng · Cùng |\Delta\Phi|
Nam châm đứng yên · Có thể E=0 · Nếu \Phi không đổi
Mạch hở · Có E nhưng I=0 · Không có đường kín
3. Quy tắc Lenz và chiều dòng: dùng hai bước, không học mũi tên rời
Máy biến áp lý tưởng truyền công suất. Hạ điện áp không có nghĩa làm mất phần lớn năng lượng.
- Xác định từ thông ngoài qua vòng đang tăng hay giảm và theo hướng nào.
- Chọn từ trường cảm ứng chống biến thiên: ngược hướng nếu thông đang tăng, cùng hướng nếu đang giảm.
- Dùng quy tắc nắm tay phải: ngón cái chỉ B cảm ứng, bốn ngón cho chiều dòng trong vòng.
Cực N nam châm tiến tới mặt cuộn: mặt gần phải thành N. Nhìn từ phía nam châm vào cuộn, dòng chạy ngược chiều kim đồng hồ để mặt đó là cực N. Khi cực N rời xa, từ thông sang phải giảm; mặt gần trở thành S để hút N, dòng đổi sang chiều kim đồng hồ.
ĐỔI MỘT ĐIỀU KIỆN
Nếu vẫn là chuyển động tiến lại nhưng quay nam châm để cực S hướng vào cuộn, chiều dòng có đổi không?
Có. Hướng từ thông ngoài đảo, nên hướng B cảm ứng và chiều dòng cũng đảo. Mặt gần cuộn trở thành S để đẩy cực S đang tiến tới.
Góc nhìn bắt buộc: “thuận chiều kim đồng hồ” phải kèm vị trí người quan sát. Nhìn từ hai phía sẽ thấy hai chiều gọi tên ngược nhau.
4. Máy phát điện và máy biến áp: đọc đúng dòng năng lượng
Một vòng quay của máy phát xoay chiều. Cực đại từ thông không đồng thời cực đại suất điện động.
Máy phát xoay chiều
Quay cuộn dây trong từ trường làm góc \alpha thay đổi tuần hoàn, nên \Phi biến thiên và suất điện động đổi dấu tuần hoàn. Tác nhân cơ học phải thực hiện công chống mômen điện từ; cơ năng chuyển thành điện năng và một phần nhiệt.
Máy biến áp lý tưởng
U_{2}/U_{1}=N_{2}/N_{1}; U_{1}I_{1}\approx U_{2}I_{2}.
BÀI TÍNH
Cuộn sơ cấp 1100 vòng nối nguồn xoay chiều 220 V; cuộn thứ cấp 100 vòng. Tính U_{2} lý tưởng.
U_{2}=220\cdot 100/1100=20,0 V. Đây là máy hạ áp vì N_{2}<N_{1}.
Máy biến áp cần từ thông biến thiên, nên không hoạt động ổn định với nguồn một chiều không đổi. Trong máy thật, công suất ra nhỏ hơn vào do tổn hao đồng, dòng xoáy và từ trễ.
Bảo toàn năng lượng: hạ điện áp không có nghĩa mất gần hết năng lượng; trong mô hình lý tưởng, dòng thứ cấp tăng tương ứng để công suất xấp xỉ giữ nguyên.
5. Luyện phân tầng và checklist nguyên nhân–chiều–đơn vị
Biên độ và giá trị hiệu dụng của máy phát. Không trộn 62,83 V cực đại với 44,43 V hiệu dụng.
BÀI 1
Nam châm và cuộn dây cùng chuyển động với cùng vận tốc, khoảng cách và hướng không đổi. Có dòng cảm ứng do chuyển động không?
Giải: Không nhất thiết. Nếu từ thông qua cuộn không đổi thì suất điện động cảm ứng bằng 0 dù cả hai đang chuyển động so với phòng.
BÀI 2
Cùng một nam châm, đẩy vào nhanh gấp đôi. Điều gì tăng?
Giải: Nếu |\Delta\Phi| tương tự nhưng \Delta t giảm một nửa, độ lớn suất điện động trung bình tăng xấp xỉ hai lần.
BÀI 3
Máy biến áp có N_{1}=500, N_{2}=2000, U_{1}=12 V. Tính U_{2} lý tưởng.
Giải: U_{2}=12\cdot 2000/500=48 V, máy tăng áp.
BÀI 4
Vì sao kéo nam châm ra khỏi cuộn làm kim điện kế lệch ngược so với đẩy vào?
Giải: Dấu của \Delta\Phi đảo, nên suất điện động và dòng cảm ứng đảo để chống sự biến thiên mới.
□ Đã hỏi từ thông có thay đổi không
□ Mạch kín trước khi kết luận có dòng
□ Chiều Lenz chống biến thiên
□ Góc nhìn được nêu khi gọi chiều quay
□ Wb/s đổi đúng thành V
□ Máy phát có nguồn cơ năng
Một câu chốt: hãy kể đủ chuỗi “cái gì thay đổi → từ thông đổi theo hướng nào → B cảm ứng hướng nào → dòng chạy theo chiều nào”.
Hồ sơ kiểm chứng điện từ: thí nghiệm, chu kì và năng lượng
Ma trận bốn thí nghiệm
Nam châm · Cuộn dây · Từ thông · Điện kế
Đứng yên · Đứng yên · Không đổi · Không lệch lâu dài
Tiến lại · Đứng yên · Độ lớn tăng · Lệch một chiều
Rời xa · Đứng yên · Độ lớn giảm · Lệch chiều ngược
Đứng yên · Cuộn tiến lại · Độ lớn tăng · Giống chuyển động tương đối tương ứng
Bảng cho thấy không cần nam châm là vật chuyển động; cuộn dây chuyển động cũng tạo biến thiên tương đối. Cũng có thể giữ cả hai đứng yên nhưng thay cường độ từ trường bằng dòng điện biến thiên trong cuộn khác.
Một chu kì máy phát
Với cuộn quay đều, \Phi=NBAcos\omega t nếu chọn gốc thích hợp. Suất điện động cảm ứng e=NBA\omega sin\omega t đổi dấu mỗi nửa vòng. Khi mặt phẳng cuộn vuông góc B, |\Phi| cực đại nhưng tốc độ biến thiên tức thời bằng 0 nên e=0; khi mặt phẳng cuộn song song B, \Phi=0 nhưng biến thiên nhanh nhất nên |e| cực đại.
Cực đại từ thông không đồng thời là cực đại suất điện động.
Kiểm công suất máy biến áp
Máy lý tưởng hạ 220 V xuống 22 V, tải lấy 2,0 A. Công suất ra P_{2}=44 W. Do P_{1}=P_{2}, dòng sơ cấp I_{1}=44/220=0,20 A. Điện áp giảm 10 lần thì dòng tăng 10 lần ở cùng công suất. Máy thật cần I_{1} lớn hơn một chút vì có tổn hao.
Lenz và công của lực ngoài
Khi đẩy nam châm vào cuộn kín, ta cảm thấy lực cản. Dòng cảm ứng tạo từ trường chống biến thiên; lực ngoài phải thực hiện công. Điện năng và nhiệt trong mạch đến từ công cơ học này. Nếu Lenz “hỗ trợ” biến thiên, hệ sẽ tự tăng dòng và năng lượng mà không cần nguồn, trái bảo toàn năng lượng.
Hai bài định lượng bổ sung
Bài A: N=500, |\Delta\Phi|=2,0\times 10^{-5} Wb trong 0,010 s. |E|=500\cdot 2,0\times 10^{-5}/0,010=1,0 V.
Bài B: cùng cuộn, nếu biến thiên chỉ còn một nửa và thời gian gấp đôi, |E| giảm bốn lần còn 0,25 V.
Chuỗi kiểm đơn vị: \Phi dùng Wb; \Delta\Phi/\Delta t dùng Wb/s=V; nhân số vòng không đổi đơn vị vì N là số đếm không thứ nguyên.
An toàn thí nghiệm: không nối trực tiếp cuộn dây điện trở nhỏ lâu vào nguồn mạnh; không để nam châm mạnh gần thiết bị nhạy; với máy biến áp phải dùng nguồn xoay chiều đúng định mức và cách điện.
Ba tầng kiểm định lượng: từ thông, điện áp, truyền tải
Góc trong từ thông đo với pháp tuyến
\Phi=BS cos\alpha dùng \alpha là góc giữa B và pháp tuyến của mặt vòng. Nếu mặt vòng vuông góc với B thì pháp tuyến song song B, \alpha=0^{\circ} và |\Phi|=BS cực đại. Nếu mặt vòng song song B thì \alpha=90^{\circ} và \Phi=0. Nhầm góc với mặt phẳng sẽ đảo hai cực trị.
QUAY 90^{\circ}
Một vòng diện tích 0,020 m^{2} đặt trong B=0,30 T, ban đầu pháp tuyến cùng hướng B rồi quay để pháp tuyến vuông góc B trong 0,10 s. Tính |E| trung bình của cuộn 50 vòng.
\Phi đầu=BS=0,0060 Wb mỗi vòng; \Phi cuối=0. |E|=50·0,0060/0,10=3,0 V. Nếu quay ngược từ vị trí cuối về đầu trong cùng thời gian, độ lớn vẫn 3,0 V nhưng dấu suất điện động đảo.
Biên độ của máy phát quay đều
Trong phần mở rộng, cuộn N=100 vòng, B=0,20 T, S=0,010 m^{2} quay với f=50 Hz có \omega=100\pi rad/s. Với \Phi liên kết cực đại NBS, biên độ suất điện động E_{0}=NBS\omega\approx 62,83 V. Giá trị hiệu dụng của dạng sin là E=E_{0}/\sqrt{2}\approx 44,43 V.
Hai con số không được trộn: 62,83 V là cực đại tức thời, 44,43 V là hiệu dụng. Tăng tốc độ quay gấp đôi làm \omega và E_{0} gấp đôi nếu N,B,S giữ nguyên; nó không làm từ thông cực đại NBS thay đổi.
Vì sao tăng áp giúp giảm hao phí đường dây
Truyền cùng công suất P qua đường dây điện trở R d , dòng xấp xỉ I=P/U và hao phí nhiệt P hp =I^{2}R d . Với P=1000 W và R d =2,0 \Omega, ở 100 V ta có I=10 A, hao phí 200 W. Nâng lên 1000 V cho I=1,0 A, hao phí chỉ 2,0 W.
Điện áp tăng 10 lần → dòng giảm 10 lần → hao phí I^{2}R giảm 100 lần.
Máy biến áp không tự tạo công suất; nó đổi tỉ lệ điện áp–dòng để việc truyền tải hiệu quả hơn. Sau đường dây cần hạ áp về mức phù hợp thiết bị. Trong máy thật, luôn có tổn hao nên công suất ra nhỏ hơn công suất vào.
Đổi thao tác · Đại lượng đổi · Điều kiện giữ nguyên
Tăng số vòng gấp 2 · |E| gấp 2 · Cùng \Delta\Phi mỗi vòng, \Delta t
Quay nhanh gấp 2 · E_{0} gấp 2 · Cùng N,B,S
Đảo chuyển động · Dấu E đảo · Cùng độ biến thiên và thời gian
Mở mạch · I về 0 · Vẫn có thể còn E
Tăng áp truyền tải 10 lần · Hao phí giảm 100 lần · Cùng P,R d
Trình tự giải định lượng: xác định \Phi đầu–cuối mỗi vòng, lấy độ biến thiên, chia thời gian, nhân N, rồi mới xét mạch kín và chiều. Trình tự này ngăn việc đưa điện trở vào khi đề chỉ hỏi suất điện động.
Phạm vi kiến thức: Phần định lượng Faraday được trình bày như mở rộng có kiểm đơn vị, còn kết luận cốt lõi giữ đúng mức THCS.
Tăng áp 10 lần, hao phí giảm 100 lần. Máy biến áp đổi tỉ lệ U–I, không tự tạo công suất.
Năng lực đích: phân biệt được “có từ trường” với “từ thông đang đổi”, xác định chiều bằng Lenz và giải thích thiết bị bằng dòng năng lượng rõ ràng.