Phương pháp giải dạng bài tập về cảm ứng điện từ, tự cảm, hỗ cảm môn Vật Lý 11 năm 2021-2022

1.1. CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ

a. Hiện tượng cảm ứng điện từ

- Hiện tượng cảm ứng điện từ là hiện tượng xuất hiện suất điện động cảm ứng trong mạch điện kín khi có sự biến đổi của từ thông qua mạch.

- Suất điện động cảm ứng

+ Trong mạch kín: Trong mạch điện kín, độ lớn của suất điện động cảm ứng được xác định bằng định luật Fa-ra-đay; chiều dòng điện cảm ứng được xác định bằng định luật Len-xơ:

* Điện luật Fa-ra-đay: \({{e}_{c}}=-N\frac{\Delta \phi }{\Delta t}\)          (3.1)

(\(\Delta \Phi \) là độ biến thiên của từ thông trong thời gian \(\Delta t\); N là số vòng dây của mạch)

* Định luật Len-xơ: Dòng điện cảm ứng có chiều sao cho từ thông mà nó sinh ra qua mạch kín chống lại sự biến thiên của từ thông đã sinh ra nó

+ Trong đoạn dây có chiều dài l chuyển động với vận tốc v trong từ trường \(\overrightarrow{B}\), chiều dòng điện cảm ứng trong đoạn dây được xác định bằng quy tắc “Bàn tay phải”:

* Độ lớn suất điện động cảm ứng: \({{e}_{c}}=Blv\sin \alpha \,\,\left( \alpha =\left( \overrightarrow{B},\,\,\overrightarrow{v} \right) \right)\)    (3.2)

* Quy tắc “Bàn tay phải”:

Đặt bàn tay phải hứng các đường sức từ, ngón tay cái choãi ra hướng theo chiều chuyển động của đoạn dây dẫn, khi đó chiều từ cổ tay đến các ngón còn lại chỉ chiều dòng điện cảm ứng trong đoạn dây đó.

Chú ý: Có thể coi đoạn dây dẫn như một nguồn điện thì chiều từ cổ tay đến các ngón còn lại chỉ chiều từ cực âm sang cực dương của nguồn điện đó.

b. Dòng điện Fu-cô

Dòng điện Fu-cô là dòng điện cảm ứng sinh ra trong khối vật dẫn chuyển động trong từ trường hay được đặt trong từ trường biến đổi theo thời gian.

1.2. TỰ CẢM

a. Hiện tượng tự cảm

- Hiện tượng tự cảm là hiện tượng cảm ứng điện từ trong một mạch điện do chính sự biến đổi của dòng điện trong mạch đó gây ra.

- Hệ số tự cảm: \(L=\frac{\Phi }{I}\) (3.3)

- Suất điện động tự cảm: \({{e}_{tc}}=-L\frac{\Delta i}{\Delta t}\)            (3.4)

(\(\Delta i\) là độ biến thiên của dòng điện trong mạch trong thời gian \(\Delta t\); L là hệ số tự cảm của mạch điện)

b. Năng lượng từ trường

- Năng lượng từ trường: \(W=\frac{1}{2}L{{i}^{2}}\)       (3.5)

- Mật độ năng lượng từ trường: \(w=\frac{W}{V}\) (3.6)

(V là thể tích vùng không gian từ trường)

1.3. HỖ CẢM

a. Hiện tượng hỗ cảm

- Hiện tượng hỗ cảm là hiện tượng cảm ứng điện từ trong hai mạch điện do sự biến đổi của dòng điện trong hai mạch đó gây ra.

- Hệ số hỗ cảm: \({{M}_{21}}={{M}_{12}}=M=\frac{{{\Phi }_{12}}}{{{i}_{1}}}=\frac{{{\Phi }_{21}}}{{{i}_{2}}}\)         (3.7)

- Suất điện động hỗ cảm:

\({{e}_{hc2}}=-M\frac{\Delta {{i}_{1}}}{\Delta t};\,\,{{e}_{hc1}}=-M\frac{\Delta {{i}_{2}}}{\Delta t}\)           (3.8)

b. Năng lượng hỗ cảm: \({{W}_{12}}=M{{i}_{1}}{{i}_{2}}\)          (3.9)

a. Với dạng bài tập về hiện tượng cảm ứng điện từ. Phương pháp giải là:

- Xác định xem mạch là mạch kín hay đọan dây chuyển động

- Nếu là mạch kín thì:

+ Độ lớn suất điện động cảm ứng: \({{e}_{c}}=-N\frac{\Delta \Phi }{\Delta t}\). N là số vòng dây của mạch.

+ Chiều dòng điện cảm ứng: Áp dụng định luật Len-xơ: \(\overrightarrow{{{B}_{c}}}\) cùng chiều với \(\overrightarrow{B}\) khi \(\Delta \Phi <0\); \(\overrightarrow{{{B}_{c}}}\) ngược chiều với \(\overrightarrow{B}\) khi \(\Delta \Phi >0\).

- Nếu là đoạn dây chuyển động thì:

+ Độ lớn suất điện động cảm ứng: \({{e}_{c}}=Blv\sin \theta ,\,\,\theta =\left( \overrightarrow{B},\,\,\overrightarrow{v} \right)\)

+ Chiều của dòng điện cảm ứng: Áp dụng quy tắc “Bàn tay phải”: \(\overrightarrow{B}\) đâm vào lòng bàn tay, \(\overrightarrow{v}\) hướng theo ngón cái choãi ra, I cùng chiều với các ngón còn lại.

- Một số chú ý:

+ Từ thông của mạch có thể biến thiên do: \(\overrightarrow{B}\) biến thiên (do chuyển động tương đối giữa nam châm và vòng dây, do I trong mạch biến thiên…); S biến thiên (kéo dãn, bóp méo vòng dây…); \(\alpha \) biến thiên (quay vòng dây…).

+ Trường hợp đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường có thể coi đoạn dây dẫn là một nguồn điện, do đó khi áp dụng quy tắc “Bàn tay phải” thì các ngón còn lại chỉ chiều từ cực âm sang cực dương của nguồn.

+ Cần kết hợp với các công thức về định luật Ôm để xác định các đại lượng điện như l, r…: các định luật Niu-tơn để xác định các đại lượng cơ học như v, a, s…

b. Với dạng bài tập về hiện tượng tự cảm. Phương pháp giải là:

- Sử dụng các công thức:

+ Hệ số tự cảm: \(L=\frac{\Phi }{i}\)

+ Suất điện động tự cảm: \({{e}_{tc}}=-L\frac{\Delta i}{\Delta t}\)

+ Năng lượng từ trường: \(W=\frac{1}{2}L{{i}^{2}}\)

+ Mật độ năng lượng từ trường: \(w=\frac{W}{V}\)

(V là thể tích vùng không gian từ trường)

- Một số chú ý:

+ Với ống dây hình trụ

* Hệ số tự cảm của ống dây: \(L=\mu {{\mu }_{0}}{{n}^{2}}V\)

* Năng lượng từ trường của ống dây: \(W=\frac{{{B}^{2}}}{2\mu {{\mu }_{0}}}V\)

* Mật độ năng lượng từ trường của ống dây: \(w=\frac{{{B}^{2}}}{2\mu {{\mu }_{0}}}\)

(\(\mu \) là độ từ thẩm của môi trường trong ống dây, không khí: \(\mu =1;\,\,V=Sl\): Thể tích của ống dây)

+ Kết hợp một số công thức: \(\Phi =BS\cos \alpha ;\,\,B={{\mu }_{0}}nI={{\mu }_{0}}\frac{N}{I}I\).

c. Với dạng bài tập về hiện tượng hỗ cảm. Phương pháp giải là:

- Sử dụng các công thức:

+ Hệ số hỗ cảm: \(M=\frac{{{\Phi }_{12}}}{{{i}_{1}}}\)

+ Suất điện động hỗ cảm: \({{e}_{hc2}}=-M\frac{\Delta {{i}_{1}}}{\Delta t};\,\,{{e}_{hc1}}=-M\frac{\Delta {{i}_{2}}}{\Delta t}\)

+ Năng lượng hỗ cảm: \({{W}_{12}}=M{{i}_{1}}{{i}_{2}}\)

- Một số chú ý: Xem mục Về kiến thức và kĩ năng ở trên.

Câu 1. Một nam châm được đưa lại gần một vòng dây dẫn như hình vẽ. Hỏi dòng điện cảm ứng trong vòng có chiều nào? Vòng dây sẽ di chuyển về phía nào?

Bài giải

- Khi đưa nam châm lại gần thì từ thông tăng nên \(\overrightarrow{{{B}_{0}}}\) ngược chiều với \(\overrightarrow{B}\). Theo quy tắc “Nắm tay phải” thì \({{I}_{c}}\) có chiều như hình vẽ

- Vì mặt bên trái của vòng dây là mặt Bắc (N) nên vòng dây sẽ bị đẩy, di chuyển về bên phải.

Câu 2. Dùng định luật Len-xơ để xác định chiều dòng điện cảm ứng trong khung dây dẫn trong các trường hợp sau:

a) Thanh nam châm rơi đến gần khung dây, sau đó đi qua khung dây và rơi ra xa khung dây.

b) Con chạy của biến trở R di chuyển sang phải.

c) Ngắt khóa K (ban đầu đang đóng)

d) Khung dây trong từ trường ban đầu hình vuông, sau đó được kéo thành hình chữ nhật ngày càng dẹt đi.

e) Đưa khung dây ra xa dòng điện.

f) Giảm cường độ dòng điện trong xô-lê-nô-it

Bài giải

a) Thanh nam châm rơi xuống

- Khi nam châm rơi đến gần khung dây thì từ thông tăng, \(\overrightarrow{{{B}_{c}}}\) ngược chiều với \(\overrightarrow{B}\), dòng điện cảm ứng có chiều: \(A\to D\to C\to B\to A\)

- Khi nam châm đi qua khung dây và rơi ra xa khung dây thì từ thông giảm, \(\overrightarrow{{{B}_{c}}}\) cùng chiều với \(\overrightarrow{B}\), dòng điện cảm ứng có chiều \(A\to B\to C\to D\to A\).

b) Con chạy của biến trở R di chuyển

Ta có: Từ trường \(\overrightarrow{B}\) của dòng điện I có chiều từ trong ra ngoài. Khi con chạy của biến trở R di chuyển sang phải => điện trở tăng, nên cường độ dòng điện I giảm, từ thông qua khung giảm, \(\overrightarrow{{{B}_{0}}}\) cùng chiều với \(\overrightarrow{B}\), dòng điện cảm ứng có chiều: \(A\to B\to C\to D\to A\).

c) Khi ngắt khóa K (ban đầu K đóng):

- Ban đầu K đóng, \(\overrightarrow{B}\) có chiều hướng lên.

- Trong thời gian ngắt K, dòng điện trong cuộn dây giảm nên cảm ứng từ qua khung dây ABCD giảm => từ trường cảm ứng \(\overrightarrow{{{B}_{C}}}\) cùng chiều với \(\overrightarrow{B}\) => dòng điện cảm ứng \({{I}_{c}}\) có chiều \(A\to B\to C\to D\to A\).

d) Kéo khung dây thành hình chữ nhật ngày càng dẹt đi

Khi hai khung dây có cùng chu vi thì hình vuông có diện tích lớn hơn hình chữ nhật. Do đó, trong quá trình kéo thì diện tích của khung giảm dần, dẫn đến từ thông qua khung giảm.

=> Từ trường cảm ứng \(\overrightarrow{{{B}_{c}}}\) cùng chiều với \(\overrightarrow{B}\) => dòng điện cảm ứng \({{I}_{c}}\) có chiều \(A\to B\to C\to D\to A\).

f) Giảm cường độ dòng điện trong xô-lê-nô-it

Khi giảm cường độ dòng điện trong xô-lê-nô-it thì từ thông giảm, \(\overrightarrow{{{B}_{c}}}\) cùng chiều với \(\overrightarrow{B}\)dòng điện cảm ứng có chiều \(A\to D\to C\to B\to A\)

Câu 3. Hai vòng dây dẫn tròn cùng bán kính đặt đồng tâm, vuông góc nhau, cách điện với nhau. Vòng một có dòng điện I đi qua. Khi giảm I, trong vòng hai có dòng điện cảm ứng không? Nếu có hãy xác định chiều dòng điện cảm ứng trên hình vẽ.

Bài giải

Từ trường của dòng điện I trong vòng dây tròn 1 có phương vuông góc với mặt phẳng vòng dây 1, nghĩa là song song với mặt phẳng vòng dây 2. Do vậy khi I biến thiên thì từ trường do I gây ra biến thiên nhưng các đường sức điện song song với mặt phẳng vòng dây 2 nên từ thông qua vòng dây 2 bằng không nên không có dòng điện cảm ứng xuất hiện trong vòng dây 2.

Câu 4. Cuộn dây có N = 100 vòng, diện tích mỗi vòng S = 300 cm² có trục song song với \(\overrightarrow{B}\) của từ trường đều, B = 0,2T. Quay đều cuộn dây để sau ∆t = 0,5s, trục của nó vuông góc với \(\overrightarrow{B}\). Tính suất điện động cảm ứng trung bình trong cuộn dây.

Bài giải

Độ lớn của suất điện động cảm ứng: \(e=\frac{\Delta \Phi }{\Delta t}=\left| \frac{NBS\left( \cos {{\alpha }_{2}}-\cos {{\alpha }_{1}} \right)}{\Delta t} \right|\)

\(\Rightarrow e=\frac{100.0,{{2.300.10}^{i}}}{0,5}=1,2V\)

Vậy: Suất điện động cảm ứng trung bình trong cuộn dây là \(e=1,2V\)

---(Để xem tiếp nội dung đầy đủ của tài liệu các em vui lòng xem Online hoặc Đăng nhập vào HOC247 để tải về máy)--- 

Trên đây là một phần trích đoạn nội dung Tài liệu Phương pháp giải dạng bài tập về cảm ứng điện từ, tự cảm, hỗ cảm môn Vật Lý 11 năm 2021-2022. Để xem toàn bộ nội dung các em đăng nhập vào trang hoc247.net để tải tài liệu về máy tính.

Hy vọng tài liệu này sẽ giúp các em học sinh ôn tập tốt và đạt thành tích cao trong học tập.

Ngoài ra các em có thể tham khảo thêm một số tư liệu cùng chuyên mục sau:

• Ôn tập về Suất điện động cảm ứng môn Vật Lý 11 năm 2021
• Ôn tập về Từ thông và Cảm ứng điện từ môn Vật Lý 11 năm 2021