Bài giảng Vật lý 11 - Bài 59: Hiện tượng cảm ứng điện từ trong trường hợp đơn giản

Câu hỏi 1: Trình bày khái niệm lực Lorentxơ và cách xác định phương chiều của lực Lorentxơ ?1Đáp án: Lực Lorentxơ là lực từ tác dụng lên hạt mang điện tích chuyển động trong từ trường. Lực Lorentxơ có phương vuông góc với mặt phẳng chứa véctơ vận tốc của hạt mang điện và véctơ cảm ứng từ .2 Chiều của lực Lorentxơ được xác định theo quy tắc bàn tay trái: Đặt bàn tay trái duỗi thẳng để cho các đường cảm ứng từ đâm xuyên vào lòng bàn tay, chiều từ cổ tay đến các ngón tay trùng chiều với vectơ vận tốc của hạt, khi đó ngón cái choãii ra chỉ chiều của lực Lorentxơ nếu hạt mang điện dương và chỉ chiều ngược lại nếu hạt mang điện âm.3 Trong bài đầu tiên của chương này chúng ta đã nghiên cứu hiện tượng cảm ứng điện từ trong trường hợp tổng quát, nên tôi có câu hỏi thứ 2 cho các em như sau: Hãy cho biết các phương pháp làm xuất hiện dòng điện cảm ứng trong vòng dây ?4Đáp án: Có 3 cách làm xuất hiện dòng điện cảm ứng trong vòng dây, đó là:Thay đổi từ trường qua diện tích của vòng dây.Thay đổi diện tích của vòng dây. Thay đổi góc giữa pháp tuyếncủa vòng dây và vectơ cảm ứng từ5Bài 59:Hiện tượng cảm ứng điện từ trong trường hợp đơn giản6Tn 11.Thí nghiệm: Trường hợp đơn giản ta nói ở đây là trường hợp nào, ta hãy xét trường hợp thí nghiệm được bố trí như sau.7 Vậy tại sao thí nghiệm ở đây lại là trường hợp đơn giản của Hiện tượng cảm ứng điện từ ? Để trả lời câu hỏi này bây giờ tôi tiến hành thí nghiệm:Tn Cho thanh CD chuyển động từ trái sang phải màn hình. Các em hãy dự đoán xem có hiện tượng gì xảy ra ?8Từ thí nghiệm ta thấy: Trong mạch xuất hiện dòng điện cảm ứng. Vậy chúng ta có thể giải thích hiện tượng xảy ra trong thí nghiệm này như thế nào ? Như vậy trong trường hợp này không cần phải có vòng dây kín hay từ thông biến thiên mà vẫn có dòng điện nên nó được gọi là một hợp đơn giản của hiện tượng cảm ứng điện từ.9 Khi đó sẽ xuất hiện lực nào tác dụng lên các điện tích này ? Đó chính là lực Lorent tác dụng lên chúng. Vậy lực Lorent tác dụng lên các điện tích này có phương và chiều như thế nào ? Khi thanh CD chuyển động thì các electron tự do sẽ chuyển động kéo theo thanh với vận tốc bằng vận tốc của thanh. 10+cde Dưới tác dụng của lực Lorent các electron sẽ chuyển động dọc theo dây dẫn theo chiều từ C tới D. Vì mạch ngoài là mạch kín nên sự chuyển động này sẽ tạo thành dòng điện trong mạch. Dựa vào quy tắc bàn tay trái chúng ta sẽ xác định phương và chiều của lực Lorent như hình vẽ. Trong trường hợp này chúng ta lưu ý đây là điện tích âm.11Một thắc mắc được đặt ra là: Dòng điện cảm ứng trong trường hợp này sẽ có chiều như thế nào ? Để giải quyết thắc mắc này chúng ta chuyển sang phần 2 để có thể biết một cách cụ thể.122. Chiều của dòng điện cảm ứng trong thanh: Trong trường hợp thí nghiệm trên, các em có nhận xét gì về chiều của dòng điện cảm ứng chạy trong thanh CD ? Trong trường hợp trên, chiều dòng điện cảm ứng có chiều ngược với chiều dịch chuyển của các electron, tức là dòng điện trong thanh có chiều từ D tới C.13 Để có thể tìm ra quy tắc xác định chiều của dòng điện trong thanh chúng ta hã y xét thí nghiệm thứ 2 như sau: Tôi vẫn sử dụng thí nghiệm trên nhưng bây giờ tôi cho thanh dịch chuyển theo chiều ngược lại. Các em hãy xác định chiều dòng điện trong trường hợp này ?Tn 214 Như vậy dựa vào lực Lorent tác dụng lên các electron mà ta có thể xác định chiều của dòng điện trong trường hợp này có chiều từ C đến D. Vậy dòng điện cảm ứng xuất hiện trong thanh CD có thể xác định theo quy tắc nào ? Từ hai thí nghiệm trên chúng ta có thể rút ra một quy tắc xác định chiều dòng điện trong thanh như sau:15 Quy tắc trên đây gọi là quy tắc bàn tay phải, dùng để xác định chiều của dòng điện cảm ứng trong thanh kim loại chuyển động trong từ trường. Đặt bàn tay phải hứng các đường cảm ứng từ, ngón tay cái choãii ra trùng với chiều chuyển động của thanh thì chiều từ cổ tay đến các ngón tay còn lại chỉ chiều dòng điện cảm ứng trong thanh.16173. Suất điện cảm ứng trong mạch: Trong đó  là từ thông bị quét bởi thanh CD trong thời gian thanh chuyển động.(1) Độ lớn của suất điện động trong trường hợp này có thể tính tương tự như trường hợp tổng quát tức là:18Ta có thể tính  theo công thức sau:  = B. S. Ngoài ra chúng ta còn có công thức thứ hai được suy ra từ công thức trên như sau:Trong đó: S là diện tích hình chữ nhật C’D’CD (CD là vị trí của thanh ở thời điểm , C’D’ là vị trí của thanh ở thời điểm)19 Ta có: S = a.l trong đó l là chiều dài CD, a là quã ng đường thanh CD chuyển động trong thời gian . Như vậy ta sẽ có:20 Nhưng : là vận tốc của thanh CD chuyển động trong từ trường. (2) Do đó ta rút ra biểu thức thứ hai để tính suất điện động cảm ứng trong mạch là:214. Suất điện động của trong một đoạn dây dẫn chuyển động: Công thức (1) và (2) trên đây cho ta cách tính suất điện động cảm ứng trong mạch kín. Thanh CD đóng vai trò như một nguồn điện. Thanh CD vẫn xuất hiện dòng điện khi thanh chuyển động trên hai thanh ray nhưng không tạo thành mạch kín. Và khi đó thanh CD như một nguồn điện để hở.22 Trong trường hợp tổng quát thì suất điện động tự cảm xuất hiện khi thanh chuyển động trên hai thanh ray được tính theo công thức:Trong đó:  là góc hợp bởi vectơ và 5.Suất điện động trong trường hợp vectơ không vuông góc với vectơ :23 Như vậy là chúng ta đã xác định được chiều dòng điện cũng như là suất điện động trong trường hợp thanh chuyển động trong từ trường. Nhưng liệu cứ khi có thanh chuyển động trong từ trường thì sẽ sinh ra trong thanh một dòng điện hay không ?. Các em hãy quan sát thí nghiệm sau và cho biết hiện tượng xảy ra.Tn 24