TỰ CẢM
1. Các thí nghiệm:
- Thí nghiệm 1: Khóa K1 và K2 đóng, K3 mở. Khí đóng khóa K, đèn 2 sáng lên ngay còn đèn 1 sáng lên chậm hơn đèn 2.
* Giải thích: Khi đóng khóa K, dòng điện qua ống dây tăng lên đột ngột trong khoảng thời gian ngắn [cường độ dòng điện tăng từ 0 - I] làm cho từ trường qua ống dây tăng lên => từ thông qua cuộn dây tăng lên
Trong khoảng thời gian từ thông qua cuộn dây biến thiên sinh ra dòng điện cảm ứng theo định luật Lenxơ, dòng điện cảm ứng có chiều chống lại sự tăng của từ thông => nó làm giảm cường độ dòng điện qua đèn 1, làm đèn 1 sáng chậm hơn đèn 2.
- Thí nghiệm 2: Khóa K1, K3 đóng, K2 mở. Khi ngắt khóa K, đèn 3 đang tắt bỗng sáng vụt lên rồi tắt ngay.
*Giải thích: Khi ngắt khóa K, dòng điện đột ngột giảm trong khoảng thời gian ngắn [cường độ từ I - 0] => từ trường qua cuộn dây L giảm => từ thông qua cuộn dây L biến thiên giảm.
Từ thông qua cuộn dây L biến thiên giảm => sinh ra dòng điện cảm ứng qua cuộn dây có chiều chống lại sự giảm => dòng điện cảm ứng này qua đèn 3 làm đèn 3 sáng vụt lên. Sau khoảng thời gian ngắt mạch không còn sự biến thiên từ thông => dòng điện cảm ứng mất đi => đèn 3 vụt tắt
2. Kết luận:
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
II- SUẤT ĐIỆN ĐỘNG TỰ CẢM
1. Hệ số tự cảm
- Từ thông: \[\Phi = Li\]
Với L: hệ số tự cảm
- Hệ số tự cảm của một ống dây dài đặt trong không khí: \[L = 4\pi {.10^{ - 7}}{n^2}V = 4\pi {.10^{ - 7}}\frac{{{N^2}}}{l}S\]
Trong đó:
+ n: số vòng dây trên một đơn vị chiều dài của ống \[[n = \frac{N}{l}]\]
+ V: thể tích của ống \[[V = lS]\]
+ S: tiết diện của ống dây [m2]
- Đơn vị của hệ số tự cảm: Henri [H]
2. Suất điện động tự cảm
Suất điện động được sinh ra do hiện tượng tự cảm gọi là suất điện động tự cảm
\[{e_{tc}} = - L\frac{{\Delta i}}{{\Delta t}}\]
Trong đó:
+ \[{e_{tc}}\]: suất điện động tự cảm
+ L: hệ số tự cảm
+ ∆i: Độ biến thiên cường độ dòng điện [A]
+ ∆t: Thời gian biến thiên cường độ dòng điện [s]
+ \[\frac{{\Delta i}}{{\Delta t}}\] : tốc độ biến thiên cường độ dòng điện [A/s]
Dấu “-“ giống như công thức tính suất điện động cảm ứng theo định luật Faraday chỉ chiều dòng điện cảm ứng tuân theo định luật Lenxơ
Về mặt độ lớn, suất điện động tự cảm được tính theo biểu thức: \[{e_{tc}} = L\frac{{\left| {\Delta i} \right|}}{{\Delta t}}\]
III- NĂNG LƯỢNG TỪ TRƯỜNG
- Năng lượng từ trường của cuộn dây:
\[{\rm{W}} = \frac{1}{2}L{i^2}\]
Trong đó:
+ W: năng lượng từ trường của cuộn dây
+ L: hệ số tự cảm của cuộn dây [H]
+ i: Cường độ dòng điện tự cảm [A]
- Mật độ năng lượng từ trường:
\[{\rm{w}} = \frac{1}{{8\pi }}{10^7}{B^2}\]
IV- ỨNG DỤNG CỦA HIỆN TƯỢNG TỰ CẢM
Hiện tượng tự cảm có nhiều ứng dụng trong các mạch điện xoay chiều.
Cuộn cảm là một phần tử quan trọng trong các mạch điện xoay chiều có mạch dao động và các máy biến áp.
Sơ đồ tư duy về tự cảm
Các công thức tính từ trường là một trong những kiến thức quan trọng nhất trong chương 4 từ trường, giúp chúng ta hiểu được nguyên lý của các hiện tượng vật lý. Bên cạnh đó góp phần không nhỏ vào giải bài tập, tính toán và thực hành các thí nghiệm liên quan đến chương này.
>>> Khóa học Lý thầy Ngọ 11 – 2006 – Học kỳ 1 – Kiengurulive.vn
Trong bài viết này, đầu tiên Kiến Guru sẽ tổng hợp tất cả các công thức tính từ trường mà chúng ta đã được học. Tiếp theo là những bài tập trắc nghiệm vận dụng các công thức và cuối cùng chúng ta sẽ tìm đến được đáp án và check lời đáp án của mình nhé.
I. Hệ thống công thức tính từ trường
1. Lực từ sẽ tác dụng lên dây dẫn mang dòng điện với công thức là:
F: lực từ tác dụng lên dây dẫn [N]
B: cảm ứng từ [T]
I: cường độ dòng điện [A]
l : chiều dài dây dẫn[m]
2. Từ trường của dòng điện trong các mạch mà chúng có dạng khác nhau:
Từ trường của dòng điện sẽ mang trong dây dẫn thẳng dài:
I: cường độ dòng điện [A]
r: khoảng cách từ M đến dây dẫn[m]
Từ trường của dòng điện trong khung dây tròn:
I: cường độ dòng điện qua mỗi vòng dây [A]
R: bán kính khung dây [m]
N: số vòng dây
Từ trường của dòng điện trong lòng ống dây dài: là từ trường đều
B : cảm ứng từ tại một điểm trong lòng ống dây
I: cường độ dòng điện qua mỗi vòng dây[A]
l : chiều dài ống dây [m]
n: số vòng dây trên 1 mét chiều dài ống dây[vòng/m]
N: số vòng dây trên ống dây[vòng]
Nguyên lí chồng chất từ trường:
3. Tương tác giữa hai dây dẫn song song mang dòng điện:
F :lực tương tác giữa hai dây dẫn mang dòng điện[N]
I: cường độ dòng điện qua dây dẫn[A]
l : chiều dài dây [m]
r: khoảng cách giữa hai dây dẫn[m]
4. Lực Lorenxơ:
q: điện tích hạt tải điện [C]
v: tốc độ chuyển động của hạt tải điện[m/s]
B: cảm ứng từ [T] θ = v B]
Nếu hạt tải điện chuyển động trên quỹ đạo tròn:
m: khối lượng hạt tải điện [kg]
R: bán kính quỹ đạo[m]
5. Momen ngẫu lực từ:
N: số vòng dây của khung dây
I: cường độ dòng điện qua mỗi vòng dây.[A]
B cảm ứng từ [T]
S: diện tích mỗi vòng dây [m2]
II. Trắc nghiệm phần công thức tính từ trường
1. Một dòng điện chạy trong dây dẫn thẳng và dài. Tại điểm A cách dây 10 [cm] cảm ứng từ do dòng điện gây ra có độ lớn
A. 10 [A]
B. 20 [A]
C. 30 [A]
D. 50 [A]
2. Một ống dây dài 50 [cm], cường độ dòng điện chạy qua mỗi vòng dây là 2 [A]. cảm ứng từ bên trong ống dây có độ lớn
A. 250
B.320
C.418
D.497
3. Một dây dẫn rất dài căng thẳng, ở giữa dây được uốn thành vòng tròn bán kính R = 6 [cm], tại chỗ chéo nhau dây dẫn được cách điện. Dòng điện chạy trên dây có cường độ 4 [A]. Cảm ứng từ tại tâm vòng tròn do dòng điện gây ra có độ lớn là:
4. Một electron bay vào không gian có từ trường đều có cảm ứng từ B = 0,2 [T] với vận tốc
ban đầu v0 = 2.105 [m/s] vuông góc với B . Lực Lorenxơ tác dụng vào electron có độ lớn là:
5. Khung dây dẫn hình vuông cạnh a = 20 [cm] gồm có 10 vòng dây, dòng điện chạy trong mỗi vòng dây có cường độ I = 2 [A]. Khung dây đặt trong từ trường đều có cảm ứng từ B = 0,2 [T], mặt phẳng khung dây chứa các đường cảm ứng từ. Mômen lực từ tác dụng lên khung dây có độ lớn là:
A. 0 [Nm]
B. 0,016 [Nm]
C. 0,16 [Nm]
D. 1,6 [Nm]
III. Đáp án và hướng dẫn giải trắc nghiệm công thức tính từ trường.
1. Chọn: A
Hướng dẫn: Áp dụng công thức tính cảm ứng từ do dòng điện thẳng dài gây ra tại một điểm trong từ trường, cách dòng điện một khoảng r là
2. Chọn: D
Hướng dẫn: Áp dụng công thức B = 4.π.10-7.n.I và N = n.l với n là số vòng dây trên một đơn vị dài, N là số vòng của ống dây
3. Chọn: C
Hướng dẫn:
Cảm ứng từ do dòng điện thẳng gây ra tại tâm O của vòng dây là:
Cảm ứng từ do dòng điện trong vòng dây tròn gây ra tại tâm O của vòng dây là:
Áp dụng quy tắc vặn đinh ốc để xác định chiều của vectơ cảm ứng từ ta thấy hai vectơ B1 và B2 cùng hướng.
Theo nguyên lí chồng chất từ trường, cảm ứng từ tại tâm O là B = B1 + B2 , do hai vectơ B1 và B2 cùng hướng nên B=
4. Chọn: D
Hướng dẫn: Áp dụng công thức f = |q|vB sinα =
5. Chọn: C
Hướng dẫn: Áp dụng công thức M = N.I.B.S
Vậy là chúng ta đã cùng nhau bước qua bài viết tổng hợp tất cả các công thức tính từ trường đã được học vào chương 4 của Vật Lý lớp 11.
Ngoài những câu hỏi và bài tập phía trên, còn rất nhiều bài tập mà chúng ta có thể sử dụng đến những công thức tính từ trường này, vì vậy hãy tham khảo thêm những bài tập trong sách giáo khoa, những tài liệu bài tập và trong cả những bài viết của Kiến Guru nhé.
Hẹn gặp lại mọi người vào bài viết tiếp theo.