Mở đầu trang 75 Vật Lí 12: Hiện nay, để giảm bớt lượng khí thải độc hại ra môi trường cũng như giảm các nguy hiểm từ việc rò rỉ khí gas, người ta có thể sử dụng bếp từ trong nấu ăn (Hình 12.1). Vậy bếp từ hoạt động theo nguyên tắc nào?

Lời giải:

Bếp từ hoạt động theo nguyên tắc của hiện tượng cảm ứng điện từ.

Câu hỏi 1 trang 75 Vật Lí 12: Hãy nêu sự phụ thuộc của từ thông vào góc hợp bởi vectơ cảm ứng từ $\overrightarrow{B}$ và $\overrightarrow{n}$.

Lời giải:

$\varphi =BS\cos \alpha$ với α là góc hợp bởi vectơ cảm ứng từ $\overrightarrow{B}$ và $\overrightarrow{n}$. Do đó, với B và S không đổi, α càng lớn → cosα càng nhỏ → từ thông càng nhỏ

Câu hỏi 2 trang 76 Vật Lí 12: Từ biểu thức (12.1) và kiến thức đã học, hãy biểu diễn đơn vị của từ thông qua các đơn vị cơ bản trong hệ SI.

Lời giải:

$\varphi =BS\cos \alpha =T.m^2$

Câu hỏi 3 trang 77 Vật Lí 12: Hãy dự đoán khoảng thời gian xuất hiện hiện tượng cảm ứng điện từ trong khung dây khi thực hiện thí nghiệm ở bước 2 và 3.

Lời giải:

Hiện tượng cảm ứng điện từ xuất hiện khi cho nam châm tiến lại gần khung dây và ra xa khung dây.

Câu hỏi 4 trang 77 Vật Lí 12: Trong bước 2 và 3 của thí nghiệm, từ thông qua khung dây biến thiên như thế nào trong quá trình đưa nam châm lại gần hay ra khung dây?

Lời giải:

Vì từ thông là đại lượng đặc trưng cho số đường sức từ xuyên qua diện tích S, do đó, khi nam châm lại gần khung dây, từ trường mạnh dần dẫn đến số đường sức từ xuyên qua khung dây tăng dần và ngược lại.

Câu hỏi 5 trang 77 Vật Lí 12: Hãy để xuất các phương án khác để làm xuất hiện dòng điện cảm ứng trong khung dây.

Lời giải:

Có thể thay nam châm thẳng bằng nam châm điện. Dòng điện cảm ứng cũng xuất hiện ở cuộn dây trong thời gian đóng ngắt mạch của nam châm điện, nghĩa là trong thời gian dòng điện của nam châm điện biến thiên.

Câu hỏi 6 trang 78 Vật Lí 12: Trong thí nghiệm ở Hình 12.3:

a) Nêu ta giữ nguyên vị trí của nam châm và cho khung dây chuyển động lại gần hay ra xa nam châm thì chiều dòng điện cảm ứng qua khung dây có thay đổi không? Thực hiện thí nghiệm kiểm chứng và so sánh kết quả với thí nghiệm khi dịch chuyển nam châm lại gần hay ra xa khung dây.

b) Nếu ta cho nam châm và khung dây chuyển động với cùng vận tốc thì trong khung dây có xuất hiện dòng điện cảm ứng không? Vì sao?

Lời giải:

a) Nếu ta giữ nguyên vị trí của nam châm và cho khung dây chuyển động lại gần hay ra xa nam châm thì chiều dòng điện cảm ứng qua khung dây không thay đổi.

b) Nếu cho nam châm và khung dây chuyển động cùng vận tốc, trong khung dây không xuất hiện dòng điện cảm ứng. Vì khi đó, khoảng cách giữa nam châm và khung dây không thay đổi, nên từ thông không biến thiên.

Câu hỏi 7 trang 80 Vật Lí 12: Trong hiện tượng cảm ứng điện từ như thí nghiệm ở Hình 12.5, có sự chuyển hóa từ dạng năng lượng nào sang điện năng?

Lời giải:

Trong hiện tượng cảm ứng điện từ như thí nghiệm ở Hình 12.5, có sự chuyển hóa từ cơ năng sang điện năng.

Câu hỏi 8 trang 80 Vật Lí 12: Nêu vai trò của nam châm vĩnh cửu trong đàn guitar điện.

Lời giải:

Vai trò của nam châm vĩnh cửu: tạo ra sự biến thiên từ thông qua cuộn dây của bộ cảm ứng khi gảy đàn, từ đó tạo ra một dòng điện cảm ứng, giúp tạo ra âm thanh.

Luyện tập trang 81 Vật Lí 12: Một khung dây dẫn kín có diện tích 20 cm2, quay đều trong từ trường đều có cảm ứng từ bằng 0,02 T. Tính độ lớn suất điện động cảm ứng sinh ra trong vòng dây khi góc hợp bởi vectơ cảm ứng từ và vectơ đơn vị pháp tuyến của mặt phẳng khung dây thay đổi từ 30° đến 60° trong khoảng thời gian 0,1 giây.

Lời giải:

Từ thông qua khung dây khi α = 30^o là: 

$\varphi =BS\cos \alpha =0,{\mathrm{02.20.10}}^{-4}.\cos {30}^{\circ }=3,{46.10}^{-5}Wb$

Từ thông qua khung dây khi  α = 60^o là: 

$\varphi =BS\cos \alpha =0,{\mathrm{02.20.10}}^{-4}.cos{60}^{\circ }={2.10}^{-5}Wb$

Độ lớn suất điện động cảm ứng sinh ra trong khung dây là:

$\left|e\right|=\left|\frac{\mathrm{\Delta }\varphi }{\mathrm{\Delta }t}\right|=\frac{3,{46.10}^{-5}-{2.10}^{-5}}{0,1}=1,{46.10}^{-5}V$

Vận dụng trang 81 Vật Lí 12: Dựa vào sách, báo, internet,... em hãy tìm hiểu cấu tạo và nguyên lí hoạt động của bếp từ.

Lời giải:

Cấu tạo

Bếp từ được thiết kế các hình dáng đa dạng như hình vuông, hình tròn với nhiều kiểu dáng và màu sắc tinh tế, sang trọng. Hầu hết bếp từ đều sở hữu các bộ phận sau:

- Bề mặt kính: Thường được làm bằng kính có khả năng chống trầy xước, chịu va đập, chịu lực tốt, chịu nhiệt rất tốt, điển hình như Ceramic. Bộ phận này có nhiệm vụ bảo vệ thân bếp và các linh kiện bên trong bếp. Đồng thời sẽ giúp gia tăng tính thẩm mỹ cho toàn bộ chiếc bếp trong gian nhà bạn.

- Bảng điều khiển: Nằm trên bề mặt của bếp từ, có các nút bấm vật lý hoặc cảm ứng giúp bạn thao tác dễ dàng trong quá trình sử dụng bếp.

- Mâm nhiệt (cuộn cảm): Đây là linh kiện quan trọng trong cấu tạo của bếp từ. Bộ phận này góp phần sinh nhiệt và đảm bảo độ ổn định, độ bền cũng như an toàn cho quá trình sử dụng bếp từ.

- Quạt làm mát (quạt tản nhiệt): Đảm nhiệm vai trò làm mát, giảm nhiệt các linh kiện trong bếp từ, cân bằng lại nhiệt độ khi bếp hoạt động với công suất quá cao. Điều này sẽ giúp bảo vệ các linh kiện bên trong thiết bị và đảm bảo bếp từ luôn hoạt động ổn định.

- Bo mạch điện tử: Thực hiện nhiệm vụ cung cấp dòng điện có tần số cao cho cuộn cảm bếp từ. Đồng thời, bo mạch điện còn là bộ phận nhận lệnh thao tác trực tiếp của người dùng thông qua bảng điều khiển các phím bấm trên mặt bếp.

Nguyên lí hoạt động

- Nguyên lý chính của bếp điện từ là dùng dòng Fuco để làm nóng trực tiếp nồi nấu. Khi cắm điện vào bếp từ, mạch dao động điện LC sinh ra 1 từ trường biến thiên trên mặt bếp. Nếu có vật dẫn từ trên mặt bếp, thì trong lòng vật dẫn từ có 1 dòng điện chạy nội tại trong nó, dòng điện này có tác dụng sinh nhiệt lớn.

- Nhờ đó, bếp có khả năng làm chín thức ăn thông qua nồi đun có đáy nhiễm từ, điển hình như nồi nhôm, inox,... Đặc biệt, do nồi được làm nóng trực tiếp nên hiệu suất truyền nhiệt rất cao, ít tổn thất nhiệt. Điều này giúp người dùng giảm bớt thời gian nội trợ đáng kể.

Câu hỏi 9 trang 81 Vật Lí 12: So sánh hình dạng của đường sức điện của điện trường tĩnh và điện trường xoáy

Lời giải:

Đường sức điện của điện trường tĩnh là các đường cong không khép kín, đi ra từ điện tích dương và kết thúc ở điện tích âm

Đường sức điện của điện trường xoáy là các đường cong khép kín, không có điểm đầu và điểm cuối.

Câu hỏi 10 trang 82 Vật Lí 12: Nhắc lại một số tính chất cơ bản của sóng điện từ mà em đã được học trong Chương trình Vật lí 11.

Lời giải:

Tính chất của sóng điện từ:

- Tốc độ truyền sóng trong chân không là c = 3.108 m/s;

- Trong mọi môi trường vật chất, tốc độ truyển của sóng điện từ đều nhỏ hơn c;

- Một số hiện tượng đặc trưng của sóng điện từ là: phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ,...

Luyện tập trang 82 Vật Lí 12: Xác định vectơ cảm ứng từ B của sóng điện từ tại một thời điểm trong Hình 12.10.

Lời giải:

Vận dụng trang 82 Vật Lí 12: Dựa vào kiến thức đã học và sách, báo, internet,... em hãy viết bài luận ngắn về ứng dụng của tia tử ngoại trong việc điều trị bệnh còi xương cho trẻ em.

Lời giải:

Nguyên nhân gây còi xương là do thiếu vitamin D, canxi, phốt pho ... vì thế để điều trị bệnh còi xương ở trẻ em, các chuyên gia có thể chỉ định dùng tia tử ngoại chữa bệnh còi xương. Do các chất tiết ở da người có chứa một chất gọi là tiền vitamin D3. Trong điều kiện bình thường chất tiền vitamin này được hoạt hoá bởi các tia tử ngoại của ánh sáng mặt trời và chuyển thành vitamin D3 được hấp thu vào máu. Vì thế với những trẻ thường xuyên được tắm nắng thì cơ thể trẻ sẽ có cơ hội tổng hợp vitamin D từ ánh nắng mặt trời và nhờ đó có thể hấp thu canxi tối đa.

Bài tập

Bài 1 trang 83 Vật Lí 12: Xét một khung dây và nam châm thẳng đang chuyển động cùng chiều sang phải với tốc độ lần lượt là v₁ và v₂. Hình nào biểu diễn đúng chiều dòng điện cảm ứng qua khung dây?

Lời giải:

Giải thích: Trường hợp C không có biến thiên từ thông nên không xuất hiện dòng điện cảm ứng. Các trường hợp A, B, C, chiều của dòng điện được xác định như sau:

Đáp án A

Bài 2 trang 83 Vật Lí 12: Thành phần từ trường của một sóng điện từ tại điểm M biến thiên theo phương trình B = 3cos(ωt + φ) (mT). Tại thời điểm cường độ điện trường tại M đạt cực đại thì độ lớn cảm ứng từ tại điểm đó bằng bao nhiêu?

Lời giải:

Tại một điểm, vectơ cường độ điện trường $\overrightarrow{E}$ và vectơ cảm ứng từ $\overrightarrow{B}$ luôn dao động cùng pha $\overrightarrow{E}$ biến thiên theo phương trình:  E = 3cos(ωt + φ)

E đạt cực đại khi cos(ωt + φ ) = 1 → B = 3 (T)

Bài 3 trang 83 Vật Lí 12: Một khung dây dẫn kín, phẳng có diện tích 10 cm, gồm 100 vòng dây, đặt trong từ trường có vectơ cảm ứng từ vuông góc với mặt phẳng khung dây. Độ lớn cảm ứng từ biến thiên theo thời gian như đồ thị trong Hình 12P.1. Vẽ đồ thị độ lớn suất điện động cảm ứng sinh ra trong khung dây theo thời gian.

Lời giải:

Ta có: $\left|e\right|=\left|\frac{\mathrm{\Delta }\varphi }{\mathrm{\Delta }t}\right|=N\left|\frac{BS\cos \alpha }{\mathrm{\Delta }t}\right|$ (N = 100; S = 0,001 m²; α = 0^o )

Thay vào biểu thức ta được:

Tại ∆t = 0,1s → $\left|e\right|$ = 0,005 (V)

Tại ∆t = 0,2s → $\left|e\right|$ = 0,0025 (V)

Tại ∆t = 0,3s → $\left|e\right|$ = 0,0017 (V)

Tại ∆t = 0,4s → $\left|e\right|$ = 0 (V)

Lý thuyết Hiện tượng cảm ứng điện từ

1. Từ thông

Từ thông qua diện tích S: $\Phi =BS\cos \alpha$

Trong đó, $\alpha$ là góc hợp bời cảm ứng từ $\overrightarrow{B}$ và vectơ pháp tuyến $\overrightarrow{n}$ của mặt phẳng có diện tích S.

Đơn vị của từ thông là vêbe (Wb). 1 Wb = 1T . 1m²

Khi $0°\le \alpha <90°\Rightarrow \Phi >0$

Khi $\alpha =90°\Rightarrow \Phi =0$

Khi $90°<\alpha \le 180°\Rightarrow \Phi <0$

2. Hiện tượng cảm ứng điện từ

Thí nghiệm khảo sát hiện tượng cảm ứng điện từ

Bước 1: Điều chỉnh kim điện kế ở vạch số 0. Nối hai đầu khung dây với điện kế.

Bước 2: Đưa một đầu của nam châm tiến lại gần khung dây, khi nam châm vừa tiến đến mặt phẳng khung dây thì dừng lại. Quan sát kim điện kế trong quá trình nam châm lại gần khung dây.

Bước 3: Từ vị trí của nam châm ở cuối bước 2, đưa nam châm ra xa khung dây. Quan sát kim điện kế trong quá trình nam châm ra xa khung dây.

* Kết quả thí nghiệm:

- Trong quá trình đưa nam châm lại gần hay ra xa khung dây, ta thấy kim điện kế bị lệch, điều này chứng tỏ đã có dòng điện qua khung dây. Ngoài ra, chiều lệch của kim điện kế trong hai trường hợp là ngược nhau, cho thấy hai dòng điện ngược chiều nhau.

- Khi nam châm dừng lại, ta thấy kim điện kế dừng lại ở vạch số 0, chứng tỏ không có dòng điện qua khung dây.

Hiện tượng cảm ứng điện từ

Khi từ thông qua mặt giới hạn bởi một khung dây dẫn kín biến thiên thì trong khung dây xuất hiện dòng điện cảm ứng. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ.

Định luật Lenz về chiều dòng điện cảm ứng

Dòng điện cảm ứng qua khung dây dẫn kín có chiều sao cho từ trường do nó sinh ra (từ trường cảm ứng) có tác dụng chống lại sự biến thiên từ thông qua chính khung dây đó.

Định luật Faraday về suất điện động cảm ứng

Độ lớn của suất điện động cảm ứng trong mạch kín tỉ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông qua mạch.

$\left|e\right|=\left|\frac{\Delta \Phi }{\Delta t}\right|$

trong đó, $\Delta \Phi$ là độ biến thiên từ thông qua diện tích giới hạn bởi mạch điện kín.

Kết hợp với định luật Lenz, suất điện động cảm ứng trong mạch điện kín là: $e_{\text{C}}=-\frac{\Delta \Phi }{\Delta t}$

Trường hợp cuộn dây có N vòng thì $e_{\text{C}}=-N\frac{\Delta \Phi }{\Delta t}$

Ứng dụng của hiện tượng cảm ứng điện từ

Guitar điện

Khi gảy đàn, đoạn dây gần nam châm bị nhiễm từ dao động và tạo ra sự biến thiên từ thông qua cuộn dây của bộ cảm ứng, từ đó tạo ra một suất điện động cảm ứng. Tín hiệu điện được đưa đến một bộ khuếch đại và loa, tạo ra sóng âm thanh mà chúng ta nghe được.

Dynamo xe đạp

Khi bánh xe quay, núm dẫn động và nam châm cũng quay theo, do đó từ thông qua cuộn dây biến thiên. Lúc này, trong cuộn dây xuất hiện dòng điện cảm ứng và thắp sáng bóng đèn.

3. Sóng điện từ

Điện từ trường

Trong vùng không gian có từ trường biến thiên theo thời gian thì trong vùng đó xuất hiện một điện trường xoáy; ngược lại, trong vùng không gian có điện trường biến thiên theo thời gian thì trong vùng đó xuất hiện một từ trường biến thiên theo thời gian. Do đó, điện trường biến thiên và từ trường biến thiên theo thời gian chuyển hoá lẫn nhau và cùng tồn tại trong không gian, được gọi là điện từ trường.

Mô hình sóng điện từ

Quá trình lan truyền của điện từ trường trong không gian gọi là sóng điện từ. Trong quá trình lan truyền, tại một điểm, vectơ cường độ điện trường $\overrightarrow{E}$ và vectơ cảm ứng từ $\overrightarrow{B}$ luôn dao động cùng pha, vuông góc với nhau và vuông góc với phương truyền sóng điện từ như Hình 12.8.

Quy tắc vặn đinh ốc: Quay đinh ốc theo chiều từ vectơ cường độ điện trường đến vectơ cảm ứng từ thì chiều tiến của đinh ốc là chiều lan truyền của sóng điện từ (Hình 12.9).