Bài học

Chiều và độ lớn suất điện động cảm ứng trong hệ nhiều cuộn dây

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em dự đoán được chiều tác dụng của dòng cảm ứng và so sánh suất điện động của nhiều cuộn dây mà không nhầm số vòng với từ thông.

Kiến thức cần có

Cần nhận biết nam châm, cuộn dây, hiện tượng cảm ứng điện từ và biết tỉ lệ thuận.

So với bài chuẩn: Mở rộng dành cho HSG: YCCĐ lớp 9 chủ yếu yêu cầu nhận biết hiện tượng cảm ứng. Bài này dùng định luật Lenz và hệ thức tỉ lệ theo số vòng cho cấu hình nhiều cuộn.

Câu hỏi mở đầu

Hai cuộn cùng ôm một lõi từ, một cuộn 200 vòng và một cuộn 500 vòng. Có được kết luận cuộn 500 vòng luôn cho suất điện động lớn hơn không?

Ý tưởng cốt lõi

Từ thông $\Phi$ mô tả mức độ từ trường xuyên qua một vòng dây. Dòng cảm ứng xuất hiện khi từ thông biến thiên, không phải chỉ vì “có nam châm”. Định luật Lenz cho biết tác dụng từ của dòng cảm ứng chống lại sự biến thiên gây ra nó: từ thông đang tăng thì cuộn chống tăng; đang giảm thì cuộn chống giảm. Trong cùng khoảng thời gian, nếu mỗi vòng của hai cuộn nhận cùng $\Delta\Phi$ , độ lớn suất điện động thỏa $|e|=N|\Delta\Phi|/\Delta t$ . Vì vậy tỉ số bằng tỉ số số vòng. Tuy nhiên, nếu diện tích, hướng cuộn hoặc từ trường tại vị trí khác nhau thì không được chỉ nhìn $N$ .

Từ thông $\Phi$ mô tả mức độ từ trường xuyên qua một vòng dây. Dòng cảm ứng xuất hiện khi từ thông biến thiên, không phải chỉ vì “có nam châm”. Định luật Lenz cho biết tác dụng từ của dòng cảm ứng chống lại **sự biến thiên** gây ra nó: từ thông đang tăng thì cuộn chống tăng; đang giảm thì cuộn chống giảm. Trong cùng khoảng thời gian, nếu mỗi vòng của hai cuộn nhận cùng $\Delta\Phi$, độ lớn suất điện động thỏa $|e|=N|\Delta\Phi|/\Delta t$. Vì vậy tỉ số bằng tỉ số số vòng. Tuy nhiên, nếu diện tích, hướng cuộn hoặc từ trường tại vị trí khác nhau thì không được chỉ nhìn $N$.

Cùng

|\Delta\Phi|/\Delta t

, tỉ số suất điện động là

500:200=2{,}5

.Cùng $|\Delta\Phi|/\Delta t$, tỉ số suất điện động là $500:200=2{,}5$.

Đào sâu chiến lược

Mẹo giải là đặt mũi tên “trạng thái đang đổi” trước, rồi mới tìm phản ứng. Nam châm tiến lại gần không đồng nghĩa một chiều dòng cố định: đổi cực nam châm hoặc nhìn cuộn từ phía đối diện đều làm cách gọi thuận–ngược đổi. Do đó bài thi nên chấm theo lập luận cực từ mà cuộn tạo ra, không học thuộc một hình vẽ.

Hai cuộn nối ngược chiều có thể tạo suất điện động tổng là hiệu chứ không phải tổng. Nếu đề chưa nói cách nối và chiều quấn, không đủ dữ kiện để cộng đại số. Đây là bẫy mô hình thường gặp trong bài nhiều cuộn.

Cảm biến tốc độ dùng cuộn dây có thể tạo tín hiệu lớn hơn khi nam châm đi nhanh hơn vì cùng biến thiên từ thông xảy ra trong thời gian ngắn hơn. Tăng số vòng cũng tăng tín hiệu, nhưng thực tế đồng thời tăng điện trở và kích thước cuộn; khóa này chưa tối ưu các yếu tố chế tạo.

Trình bày để nhận đủ điểm

Khi trình bày, trước hết ghi rõ hệ đang xét và đại lượng được giữ không đổi. Với cảm ứng điện từ, tách ba câu hỏi: từ thông qua cuộn tăng hay giảm, dòng cảm ứng chống lại sự biến thiên nào, rồi mới so độ lớn bằng $|e|=N|\Delta\Phi|/\Delta t$ . Với máy biến áp lí tưởng, ghi đồng thời $U_1/U_2=N_1/N_2$ và $U_1I_1=U_2I_2$ ; nếu nói về dòng thứ cấp phải nêu loại tải. Với nguồn tái tạo, viết $E=P_{đặt}\,k\,t$ , trong đó $k$ là hệ số công suất giả định, không gọi $k$ là hiệu suất tấm pin hay tua-bin.

Khi trình bày, trước hết ghi rõ hệ đang xét và đại lượng được giữ không đổi. Với cảm ứng điện từ, tách ba câu hỏi: từ thông qua cuộn tăng hay giảm, dòng cảm ứng chống lại sự biến thiên nào, rồi mới so độ lớn bằng $|e|=N|\Delta\Phi|/\Delta t$. Với máy biến áp lí tưởng, ghi đồng thời $U_1/U_2=N_1/N_2$ và $U_1I_1=U_2I_2$; nếu nói về dòng thứ cấp phải nêu loại tải. Với nguồn tái tạo, viết $E=P_{đặt}\,k\,t$, trong đó $k$ là hệ số công suất giả định, không gọi $k$ là hiệu suất tấm pin hay tua-bin.

Kiểm ngược

Kiểm ngược bằng đơn vị và giới hạn. Suất điện động có đơn vị vôn; tăng số vòng trong cùng tốc độ biến thiên từ thông phải làm $|e|$ tăng tỉ lệ thuận. Máy biến áp lí tưởng không tự sinh năng lượng: nếu điện áp thứ cấp tăng mà công suất tải giữ nguyên thì dòng giảm. Điện năng năm của một nguồn 50 MW không thể vượt $50\cdot8760=438000$ MWh. Điểm đa tiêu chí phải nằm giữa 1 và 5 nếu mọi điểm thành phần nằm trong khoảng ấy và tổng trọng số bằng 1.

Giả định và giới hạn mô hình

Khóa học dùng mô hình lớp 9 mở rộng. Bỏ qua điện trở cuộn dây, tổn hao lõi và phản kháng khi đề nói máy lí tưởng. Số liệu hệ số công suất 22% và 35% trong các bài tính là bộ dữ liệu giả định để luyện phương pháp, không phải số đo của một nhà máy cụ thể. Dữ liệu thực phải gắn địa điểm, khoảng thời gian, giới hạn truyền tải và nguồn công bố. Kết luận lựa chọn nguồn chỉ đúng trong bộ tiêu chí và trọng số đã nêu.

Kết luận có điều kiện

Một kết luận HSG phải có điều kiện. Không viết “điện gió luôn tốt hơn” hoặc “điện mặt trời luôn rẻ hơn”. Hãy nêu phương án thắng theo hàm mục tiêu nào, chênh bao nhiêu, tiêu chí nào quyết định và dữ liệu nào có thể làm kết luận đổi chiều. Cách viết này biến phép tính thành một quyết định có thể kiểm chứng.

Ví dụ

Hai cuộn 200 vòng và 500 vòng

1
Hai cuộn đặt trên cùng lõi, mỗi vòng nhận cùng tốc độ biến thiên từ thông. Cuộn 200 vòng có suất điện động 4 V. Tìm suất điện động cuộn 500 vòng.
2
Điều kiện “mỗi vòng như nhau” cho phép dùng tỉ lệ theo số vòng.
3
Theo định luật cảm ứng điện từ, $e\sim N$ khi $|\Delta\Phi|/\Delta t$ không đổi. Do đó $e_2/e_1=N_2/N_1=500/200=2{,}5$ . Suy ra $e_2=2{,}5\cdot4=10$ V. Vậy cuộn 500 vòng có suất điện động 10 V.
Theo định luật cảm ứng điện từ, $e\sim N$ khi $|\Delta\Phi|/\Delta t$ không đổi. Do đó $e_2/e_1=N_2/N_1=500/200=2{,}5$. Suy ra $e_2=2{,}5\cdot4=10$ V. Vậy cuộn 500 vòng có suất điện động 10 V.
4
500 vòng nhiều hơn 2,5 lần nên kết quả 10 V lớn hơn 4 V đúng tỉ lệ.
5
Nếu cuộn 500 vòng chỉ nhận tốc độ biến thiên từ thông bằng 0,3 lần, suất điện động của nó là $10\cdot0{,}3=3$ V, nhỏ hơn cuộn 200 vòng.
Nếu cuộn 500 vòng chỉ nhận tốc độ biến thiên từ thông bằng 0,3 lần, suất điện động của nó là $10\cdot0{,}3=3$ V, nhỏ hơn cuộn 200 vòng.

Ví dụ

Nam châm rời xa cuộn dây

1
Cực Bắc của nam châm đang hướng vào cuộn rồi được kéo ra xa. Xác định tác dụng từ của mặt cuộn gần nam châm.
2
Từ thông do cực Bắc đang giảm; cuộn phải chống lại sự giảm ấy.
3
Theo định luật Lenz, cuộn tạo từ trường cùng chiều với từ trường ban đầu để giữ từ thông khỏi giảm. Vì vậy mặt cuộn gần nam châm phải trở thành cực Nam để hút cực Bắc đang rời xa. Vậy tác dụng của dòng cảm ứng là cản chuyển động kéo ra.
4
Nếu mặt gần cũng là cực Bắc thì nó đẩy nam châm ra, làm biến thiên tăng nhanh hơn và trái định luật Lenz.
5
Nếu nam châm tiến lại gần, mặt gần phải là cực Bắc để đẩy, chống sự tăng từ thông.

Luyện tập có hướng dẫn

Tự luyện và thử thách

Lỗi thường gặp

Không dùng câu “dòng chống lại từ trường”. Dòng cảm ứng chống lại sự biến thiên từ thông; và không so số vòng nếu hai cuộn không nhận cùng điều kiện từ thông.

Chốt bài: Em đã dự đoán được chiều tác dụng của dòng cảm ứng và so sánh suất điện động của nhiều cuộn dây mà không nhầm số vòng với từ thông. Bài sau biến suất điện động cảm ứng thành điện áp máy phát và quan hệ vòng dây của máy biến áp.