Hiện tượng cảm ứng điện từ — điều kiện xuất hiện dòng điện cảm ứng
Mục tiêu bài học
Sau bài này, em mô tả được thí nghiệm phát hiện dòng điện cảm ứng bằng cuộn dây và điện kế, phát biểu được hiện tượng cảm ứng điện từ, và nêu đúng điều kiện để trong cuộn dây kín xuất hiện dòng điện cảm ứng — từ đó dự đoán được có hay không có dòng cảm ứng trong một tình huống mô tả cụ thể.
Kiến thức nền cần nhớ
Hai chương trước đã cho em công cụ cần thiết: nam châm có từ trường xung quanh, dòng điện cũng tạo ra từ trường, và từ trường có thể biểu diễn bằng đường sức từ mau hay thưa tuỳ độ mạnh yếu. Bài này đặt câu hỏi ngược lại toàn bộ hướng đã học: từ trường có thể tạo ra dòng điện hay không?
Một cuộn dây kín, không nối với bất kì nguồn điện nào, chỉ nối với một điện kế nhạy. Nếu chỉ đơn giản đưa một nam châm lại gần cuộn dây (không chạm vào), kim điện kế có nhúc nhích không? Nhiều học sinh đoán "không", vì làm gì có nguồn điện nào ở đây.
Kiến thức trọng tâm
- 1
Một cuộn dây kín nối với điện kế. Xét ba tình huống: (1) đưa nam châm lại gần cuộn dây; (2) giữ nam châm đứng yên bên trong lòng cuộn dây; (3) kéo nam châm ra khỏi cuộn dây. Ở tình huống nào kim điện kế lệch?
- 2
Ta có ở cả hai tình huống này đều có chuyển động tương đối giữa nam châm và cuộn dây (đưa lại gần hoặc kéo ra xa), làm từ trường xuyên qua cuộn dây biến thiên. Theo điều kiện xuất hiện dòng điện cảm ứng, kim điện kế lệch ở cả hai tình huống này.
- 3
Nam châm đứng yên bên trong cuộn dây nên không có chuyển động tương đối, từ trường xuyên qua cuộn dây không biến thiên theo thời gian dù vẫn tồn tại. Do đó kim điện kế không lệch, dù nam châm đang ở vị trí có từ trường mạnh nhất.
- 4
Vậy kim điện kế lệch ở tình huống (1) và (3); kim điện kế không lệch (đứng yên) ở tình huống (2), vì lúc đó không có sự biến thiên từ trường qua cuộn dây.
- 1
Hai cuộn dây A và B đặt gần nhau, không chạm vào nhau. Cuộn A nối với một nguồn điện qua công tắc K; cuộn B nối với một điện kế nhạy, không nối nguồn điện nào khác. Hỏi kim điện kế ở cuộn B lệch vào những thời điểm nào: lúc đóng K, trong lúc K đã đóng ổn định một thời gian dài, hay lúc ngắt K?
- 2
Khi vừa đóng K, dòng điện trong cuộn A tăng từ 0 lên một giá trị ổn định, làm từ trường do cuộn A tạo ra (xuyên qua cuộn B) tăng theo. Đây là một sự biến thiên từ trường qua cuộn B, nên tại thời điểm này kim điện kế ở cuộn B lệch.
- 3
Khi dòng điện trong cuộn A đã ổn định, không đổi theo thời gian, từ trường mà nó tạo ra xuyên qua cuộn B cũng không đổi — không còn biến thiên. Do đó kim điện kế ở cuộn B đứng yên, dù dòng điện trong cuộn A vẫn đang chạy bình thường.
- 4
Khi ngắt K, dòng điện trong cuộn A giảm đột ngột về 0, từ trường xuyên qua cuộn B cũng giảm nhanh về 0 — lại là một sự biến thiên. Kim điện kế ở cuộn B lệch một lần nữa tại thời điểm này.
- 5
Vậy kim điện kế ở cuộn B chỉ lệch đúng vào hai thời điểm: lúc đóng K và lúc ngắt K — chính là lúc dòng điện (và từ trường) đang biến thiên, chứ không lệch trong suốt khoảng thời gian dòng điện ổn định.
Sai lầm thường gặp nhất: nghĩ rằng chỉ cần nam châm ở gần cuộn dây (bất kể đứng yên hay chuyển động) là đã có dòng điện cảm ứng. Thực ra điều kiện quyết định là từ trường xuyên qua cuộn dây phải biến thiên — nam châm đứng yên bên trong cuộn dây, dù ở vị trí từ trường mạnh nhất, cũng không tạo ra dòng điện cảm ứng nào cả.
Luyện tập có hướng dẫn
Luyện tập độc lập
Kiểm tra nhanh
Dòng điện cảm ứng chỉ xuất hiện khi từ trường xuyên qua cuộn dây kín biến thiên — do chuyển động tương đối giữa nam châm và cuộn dây, hoặc do dòng điện ở một cuộn dây gần đó thay đổi. Nam châm đứng yên trong cuộn dây, hay dòng điện ổn định không đổi ở cuộn dây bên cạnh, đều không tạo ra dòng điện cảm ứng.
Bài tiếp theo đi sâu hơn: dòng điện cảm ứng có thể lớn hay nhỏ khác nhau tuỳ tình huống — vậy điều gì quyết định độ lớn đó, và làm sao dự đoán được trong những thí nghiệm phức tạp hơn?