Bài học

Ôn tập nam châm, từ trường và cảm ứng điện từ

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em hệ thống hoá lại được chuỗi kiến thức nam châm → từ trường → đường sức từ → hiện tượng cảm ứng điện từ, và giải được một bài tập tổng hợp nhiều phần theo phong cách đề kiểm tra, kết hợp cả bốn mảng kiến thức trong một tình huống duy nhất.

Kiến thức nền cần nhớ

Ba chương đầu của khoá học đã xây dựng một chuỗi lập luận liền mạch: nam châm có hai cực tương tác theo quy luật cùng tên đẩy nhau, khác tên hút nhau; xung quanh nam châm và dây dẫn có dòng điện tồn tại từ trường, biểu diễn được bằng đường sức từ; và khi từ trường xuyên qua một cuộn dây kín biến thiên, trong cuộn dây xuất hiện dòng điện cảm ứng. Bài ôn tập này nối lại toàn bộ chuỗi đó.

Khởi động

Trong một đề kiểm tra, một câu hỏi hiếm khi chỉ hỏi đúng một ý nhỏ — thường nó ghép nhiều mảng kiến thức lại trong cùng một tình huống, đòi hỏi em đi qua nhiều bước suy luận liên tiếp. Hãy thử sức với một bài tập như vậy ngay sau đây.

Kiến thức trọng tâm

Toàn bộ chuỗi lập luận của ba chương đầu có thể tóm tắt thành một dòng chảy duy nhất: nam châm có cực Bắc, cực Nam tương tác theo quy luật cùng tên đẩy, khác tên hút → xung quanh nam châm và dòng điện tồn tại từ trường, nhận biết bằng kim nam châm thử → từ trường được biểu diễn bằng đường sức từ, chiều đường sức từ quanh dây dẫn thẳng xác định bằng quy tắc nắm tay phải → khi từ trường xuyên qua một cuộn dây kín biến thiên (do chuyển động tương đối giữa nam châm và cuộn dây, hoặc do dòng điện ở cuộn dây gần đó thay đổi), trong cuộn dây xuất hiện dòng điện cảm ứng, với độ lớn phụ thuộc vào tốc độ biến thiên và số vòng dây.

Một bài tập tổng hợp thường yêu cầu em đi qua nhiều mắt xích của chuỗi này trong cùng một tình huống — ví dụ vừa xác định cực nam châm, vừa áp dụng quy tắc nắm tay phải, vừa dự đoán dòng điện cảm ứng. Chìa khoá để làm tốt dạng bài này là giải quyết từng mắt xích một cách tuần tự, dùng kết quả của mắt xích trước làm dữ kiện cho mắt xích sau, thay vì cố gắng suy luận toàn bộ tình huống cùng một lúc.

Toàn bộ chuỗi lập luận của ba chương đầu có thể tóm tắt thành một dòng chảy duy nhất: **nam châm có cực Bắc, cực Nam tương tác theo quy luật cùng tên đẩy, khác tên hút** → **xung quanh nam châm và dòng điện tồn tại từ trường**, nhận biết bằng kim nam châm thử → **từ trường được biểu diễn bằng đường sức từ**, chiều đường sức từ quanh dây dẫn thẳng xác định bằng quy tắc nắm tay phải → **khi từ trường xuyên qua một cuộn dây kín biến thiên** (do chuyển động tương đối giữa nam châm và cuộn dây, hoặc do dòng điện ở cuộn dây gần đó thay đổi), trong cuộn dây xuất hiện **dòng điện cảm ứng**, với độ lớn phụ thuộc vào tốc độ biến thiên và số vòng dây. Một bài tập tổng hợp thường yêu cầu em đi qua nhiều mắt xích của chuỗi này trong cùng một tình huống — ví dụ vừa xác định cực nam châm, vừa áp dụng quy tắc nắm tay phải, vừa dự đoán dòng điện cảm ứng. Chìa khoá để làm tốt dạng bài này là **giải quyết từng mắt xích một cách tuần tự**, dùng kết quả của mắt xích trước làm dữ kiện cho mắt xích sau, thay vì cố gắng suy luận toàn bộ tình huống cùng một lúc.

Ví dụ

Bài tập tổng hợp ba mắt xích: cực nam châm, đường sức từ, dòng điện cảm ứng

1
Một thanh nam châm được treo tự do gần một dây dẫn thẳng đứng có dòng điện chạy qua. Thanh nam châm bị lệch, và người ta xác định được đầu bên trái của nó là cực Bắc dựa vào tương tác với một la bàn chuẩn. (a) Nếu đưa đầu phải của thanh nam châm này lại gần một cuộn dây thứ hai, cuộn dây này bị hút hay đẩy khi biết đầu cuộn dây thứ hai gần đó là cực Nam? (b) Dây dẫn thẳng đứng ban đầu có dòng điện chạy từ dưới lên; dùng quy tắc nắm tay phải, đường sức từ quanh dây dẫn tại vị trí ngang tầm mắt có chiều thế nào theo hướng nhìn từ phía đối diện dây? (c) Nếu bất ngờ tăng nhanh cường độ dòng điện trong dây dẫn thẳng đứng này, một cuộn dây kín đặt gần đó có xuất hiện dòng điện cảm ứng không? Vì sao?
Một thanh nam châm được treo tự do gần một dây dẫn thẳng đứng có dòng điện chạy qua. Thanh nam châm bị lệch, và người ta xác định được đầu bên trái của nó là cực Bắc dựa vào tương tác với một la bàn chuẩn. (a) Nếu đưa đầu phải của thanh nam châm này lại gần một cuộn dây thứ hai, cuộn dây này bị hút hay đẩy khi biết đầu cuộn dây thứ hai gần đó là cực Nam? (b) Dây dẫn thẳng đứng ban đầu có dòng điện chạy từ dưới lên; dùng quy tắc nắm tay phải, đường sức từ quanh dây dẫn tại vị trí ngang tầm mắt có chiều thế nào theo hướng nhìn từ phía đối diện dây? (c) Nếu bất ngờ tăng nhanh cường độ dòng điện trong dây dẫn thẳng đứng này, một cuộn dây kín đặt gần đó có xuất hiện dòng điện cảm ứng không? Vì sao?
2
Ta có đầu bên trái của thanh nam châm là cực Bắc, nên đầu phải (đầu còn lại) chắc chắn là cực Nam — mỗi nam châm luôn có hai cực khác tên ở hai đầu. Đầu phải (cực Nam) đưa lại gần cực Nam của cuộn dây thứ hai — hai cực cùng tên. Theo quy luật đã học, cùng tên thì đẩy nhau.
3
Ta có dòng điện chạy từ dưới lên trên trong dây dẫn thẳng đứng. Nắm bàn tay phải với ngón cái chỉ từ dưới lên; theo quy tắc đã học, chiều khum của bốn ngón tay còn lại — nhìn từ phía đối diện dây — cho biết đường sức từ tại vị trí ngang tầm mắt có chiều đi từ phải sang trái theo hướng nhìn của người quan sát, giống với ví dụ đã giải ở chương 2.
Ta có dòng điện chạy từ dưới lên trên trong dây dẫn thẳng đứng. Nắm bàn tay phải với ngón cái chỉ từ dưới lên; theo quy tắc đã học, chiều khum của bốn ngón tay còn lại — nhìn từ phía đối diện dây — cho biết đường sức từ tại vị trí ngang tầm mắt có chiều đi từ phải sang trái theo hướng nhìn của người quan sát, giống với ví dụ đã giải ở chương 2.
4
Ta có tăng nhanh cường độ dòng điện trong dây dẫn thẳng đứng làm từ trường mà nó tạo ra xung quanh cũng tăng nhanh theo — đây là một sự biến thiên từ trường thực sự. Nếu cuộn dây kín đặt gần đó nằm trong vùng chịu ảnh hưởng của từ trường này, từ trường xuyên qua cuộn dây cũng biến thiên theo. Theo điều kiện xuất hiện dòng điện cảm ứng đã học, cuộn dây này sẽ xuất hiện dòng điện cảm ứng.
Ta có tăng nhanh cường độ dòng điện trong dây dẫn thẳng đứng làm từ trường mà nó tạo ra xung quanh cũng tăng nhanh theo — đây là một sự biến thiên từ trường thực sự. Nếu cuộn dây kín đặt gần đó nằm trong vùng chịu ảnh hưởng của từ trường này, từ trường xuyên qua cuộn dây cũng biến thiên theo. Theo điều kiện xuất hiện dòng điện cảm ứng đã học, cuộn dây này sẽ xuất hiện dòng điện cảm ứng.
5
Vậy: (a) hai cuộn dây đẩy nhau vì cùng là cực Nam; (b) đường sức từ có chiều từ phải sang trái theo hướng nhìn của người quan sát; (c) cuộn dây kín đặt gần đó xuất hiện dòng điện cảm ứng, vì dòng điện tăng nhanh làm từ trường xuyên qua nó biến thiên.

Ví dụ

Bài tập tổng hợp: thí nghiệm nhiều giai đoạn với cuộn dây và nam châm

1
Một cuộn dây 200 vòng nối với một điện kế nhạy. Thực hiện lần lượt bốn thao tác: (1) đưa nam châm lại gần cuộn dây với tốc độ chậm; (2) giữ nam châm đứng yên ngay tại vị trí đó; (3) rút nam châm ra xa với tốc độ nhanh gấp đôi tốc độ ở thao tác (1); (4) đưa một cuộn dây thứ hai đang có dòng điện ổn định, không đổi, lại gần cuộn dây 200 vòng rồi giữ yên cả hai. Ở thao tác nào kim điện kế lệch, và thao tác nào cho độ lệch lớn nhất?
Một cuộn dây 200 vòng nối với một điện kế nhạy. Thực hiện lần lượt bốn thao tác: (1) đưa nam châm lại gần cuộn dây với tốc độ chậm; (2) giữ nam châm đứng yên ngay tại vị trí đó; (3) rút nam châm ra xa với tốc độ nhanh gấp đôi tốc độ ở thao tác (1); (4) đưa một cuộn dây thứ hai đang có dòng điện ổn định, không đổi, lại gần cuộn dây 200 vòng rồi giữ yên cả hai. Ở thao tác nào kim điện kế lệch, và thao tác nào cho độ lệch lớn nhất?
2
Thao tác (1) có chuyển động tương đối (đưa lại gần) nên từ trường qua cuộn dây biến thiên — kim điện kế lệch. Thao tác (2) không có chuyển động tương đối (nam châm đứng yên) nên không có biến thiên — kim điện kế không lệch.
3
Thao tác (3) cũng có chuyển động tương đối (rút ra xa) nên kim điện kế lệch. Vì tốc độ ở thao tác (3) nhanh gấp đôi thao tác (1), theo quy luật đã học, dòng điện cảm ứng ở thao tác (3) lớn hơn thao tác (1) — kim điện kế lệch mạnh hơn.
4
Thao tác (4) đưa một cuộn dây có dòng điện ổn định (không đổi theo thời gian) lại gần rồi giữ yên — sau khi đưa lại gần, không còn chuyển động tương đối nữa và dòng điện trong cuộn dây kia cũng không biến thiên, nên từ trường xuyên qua cuộn 200 vòng không biến thiên khi đã ở trạng thái giữ yên. Kim điện kế không lệch ở trạng thái ổn định này (dù có thể lệch trong khoảnh khắc rất ngắn lúc đang đưa lại gần, tương tự thao tác (1)).
Thao tác (4) đưa một cuộn dây có dòng điện ổn định (không đổi theo thời gian) lại gần rồi giữ yên — sau khi đưa lại gần, không còn chuyển động tương đối nữa và dòng điện trong cuộn dây kia cũng không biến thiên, nên từ trường xuyên qua cuộn 200 vòng không biến thiên khi đã ở trạng thái giữ yên. Kim điện kế không lệch ở trạng thái ổn định này (dù có thể lệch trong khoảnh khắc rất ngắn lúc đang đưa lại gần, tương tự thao tác (1)).
5
Vậy kim điện kế lệch ở thao tác (1) và (3), không lệch (ở trạng thái ổn định) tại thao tác (2) và (4); độ lệch lớn nhất xảy ra ở thao tác (3), vì tốc độ biến thiên từ trường ở đó lớn nhất trong các thao tác có biến thiên.

Sai lầm thường gặp

Trong một bài tập tổng hợp, sai lầm phổ biến nhất là nhảy thẳng đến kết luận cuối mà bỏ qua từng mắt xích trung gian. Hãy luôn tách bài toán thành các bước nhỏ theo đúng chuỗi lập luận (cực từ → từ trường/đường sức từ → điều kiện và độ lớn cảm ứng), giải quyết dứt điểm từng bước rồi mới chuyển sang bước kế tiếp.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Giải một bài tập tổng hợp bằng cách tách thành từng mắt xích theo đúng chuỗi: cực từ (hút/đẩy) → từ trường và đường sức từ (quy tắc nắm tay phải) → điều kiện và độ lớn dòng điện cảm ứng (biến thiên từ trường, tốc độ, số vòng dây). Giải xong mắt xích nào, dùng ngay kết quả đó cho mắt xích tiếp theo.

Bài cuối cùng của khoá học ôn tập nốt phần máy phát điện và ứng dụng, rồi kết hợp toàn bộ bốn chương vào một bài tập tổng hợp cuối khoá theo đúng phong cách đề thi tuyển sinh lớp 10.