Bài tập: Chương 3: Điện từ

Bài tập Chương 3: Điện từ (Vật lý 11 - CTST)

Giới thiệu bài học

Chương "Điện từ" là một trong những chương quan trọng của Vật lý 11, giúp các em hiểu rõ mối liên hệ sâu sắc giữa điện và từ trường. Qua các bài tập chương này, chúng ta sẽ vận dụng lý thuyết về từ trường, cảm ứng điện từ, dòng điện xoay chiều và các hiện tượng liên quan. Bài học hôm nay sẽ tập trung vào các dạng bài tập có hướng dẫn giải chi tiết, giúp các em củng cố kiến thức và rèn luyện kỹ năng giải bài tập một cách hiệu quả.

Lý thuyết cần nhớ

Trước khi đi vào bài tập, các em cần ôn lại một số khái niệm và công thức quan trọng:

• Từ trường: Là môi trường vật chất đặc biệt tồn tại xung quanh dòng điện hoặc nam châm. Cảm ứng từ tại một điểm trong từ trường được đặc trưng bằng vectơ cảm ứng từ B.
• Cảm ứng điện từ: Khi từ thông qua một mạch kín biến thiên, trong mạch xuất hiện dòng điện cảm ứng. Suất điện động cảm ứng được xác định theo định luật Faraday: ξ = - ΔΦ / Δt.
• Từ thông: Φ = B × S × cosα, trong đó α là góc giữa vectơ cảm ứng từ B và pháp tuyến của diện tích S.
• Định luật Lenz: Dòng điện cảm ứng có chiều sao cho từ trường do nó sinh ra có tác dụng chống lại nguyên nhân sinh ra nó.
• Suất điện động tự cảm: ξ_tc = - L × ΔI / Δt, với L là hệ số tự cảm của ống dây.

Ví dụ minh họa có hướng dẫn giải

Ví dụ 1: Tính từ thông qua khung dây

Đề bài: Một khung dây phẳng hình chữ nhật có diện tích 100 cm², đặt trong từ trường đều có cảm ứng từ B = 0,5 T. Mặt phẳng khung dây hợp với vectơ cảm ứng từ một góc 30°. Tính từ thông qua khung dây.

Hướng dẫn giải:

1. Xác định góc α giữa vectơ pháp tuyến của mặt phẳng khung dây với vectơ cảm ứng từ B.

   Vì mặt phẳng khung dây hợp với B một góc 30°, nên pháp tuyến của mặt phẳng khung dây sẽ vuông góc với mặt phẳng, do đó góc α = 90° - 30° = 60°.

2. Diện tích S = 100 cm² = 100 × 10⁻⁴ m² = 0,01 m².
3. Công thức từ thông: Φ = B × S × cosα.
4. Thay số: Φ = 0,5 × 0,01 × cos60° = 0,5 × 0,01 × 0,5 = 0,0025 Wb.

Kết luận: Từ thông qua khung dây là 0,0025 Wb.

Ví dụ 2: Suất điện động cảm ứng trong mạch

Đề bài: Một khung dây dẫn kín hình tròn có bán kính 10 cm, gồm 200 vòng dây. Khung dây đặt trong từ trường đều có cảm ứng từ B = 0,2 T và vectơ cảm ứng từ vuông góc với mặt phẳng khung. Tính suất điện động cảm ứng trung bình xuất hiện trong khung nếu sau 0,1 giây, từ trường giảm đều về 0.

Hướng dẫn giải:

1. Tính diện tích một vòng dây: S = π × R² = π × (0,1)² = 0,01π m².
2. Từ thông ban đầu qua khung dây (B vuông góc mặt phẳng, α = 0°): Φ₁ = N × B₁ × S × cos0° = 200 × 0,2 × 0,01π × 1 = 0,4π Wb.
3. Từ thông lúc sau (B₂ = 0): Φ₂ = 0 Wb.
4. Độ biến thiên từ thông: ΔΦ = Φ₂ - Φ₁ = -0,4π Wb.
5. Thời gian biến thiên: Δt = 0,1 s.
6. Suất điện động cảm ứng trung bình: ξ = |ΔΦ| / Δt = (0,4π) / 0,1 = 4π V.

Kết luận: Suất điện động cảm ứng trung bình trong khung là 4π ≈ 12,56 V.

Ví dụ 3: Suất điện động tự cảm

Đề bài: Một ống dây dẫn có hệ số tự cảm L = 0,5 H. Dòng điện chạy qua ống dây giảm đều từ 2 A xuống 0 trong 0,02 giây. Tính suất điện động tự cảm xuất hiện trong ống dây.

Hướng dẫn giải:

1. Độ biến thiên cường độ dòng điện: ΔI = I₂ - I₁ = 0 - 2 = -2 A.
2. Thời gian biến thiên: Δt = 0,02 s.
3. Suất điện động tự cảm: ξ_tc = L × |ΔI| / Δt = 0,5 × 2 / 0,02 = 50 V.

Kết luận: Suất điện động tự cảm trong ống dây là 50 V.

Ghi nhớ

Khi giải bài tập về điện từ, các em cần chú ý:

• Xác định đúng góc α giữa vectơ pháp tuyến của diện tích và vectơ cảm ứng từ.
• Đơn vị diện tích phải chuyển đổi về mét vuông (m²).
• Công thức từ thông: Φ = B × S × cosα.
• Suất điện động cảm ứng: ξ = |ΔΦ| / Δt (dấu hiệu chỉ chiều dòng điện, khi tính độ lớn ta lấy giá trị tuyệt đối).
• Suất điện động tự cảm: ξ_tc = L × |ΔI| / Δt.
• Áp dụng đúng định luật Lenz để xác định chiều dòng điện cảm ứng.

Bài tập gợi ý (tự luyện tập)

Các em hãy thử sức với các bài tập sau đây:

1. Một khung dây phẳng hình vuông cạnh 20 cm, đặt trong từ trường đều B = 0,1 T. Mặt phẳng khung dây vuông góc với đường sức từ. Tính từ thông qua khung dây.
2. Một khung dây dẫn kín có 100 vòng, diện tích mỗi vòng là 50 cm², đặt trong từ trường đều B = 0,4 T. Vectơ pháp tuyến của khung hợp với vectơ cảm ứng từ một góc 30°. Trong thời gian 0,05 giây, từ trường tăng đều đến 0,6 T. Tính suất điện động cảm ứng trung bình trong khung.
3. Một ống dây có hệ số tự cảm 0,2 H. Dòng điện qua ống tăng đều từ 1 A lên 4 A trong 0,1 giây. Tính suất điện động tự cảm xuất hiện trong ống dây.
4. Một vòng dây dẫn kín, diện tích 200 cm², đặt trong từ trường đều B = 0,3 T. Vectơ pháp tuyến của vòng dây song song với đường sức từ. Nếu quay vòng dây để pháp tuyến của nó vuông góc với đường sức từ trong thời gian 0,2 giây, hãy tính suất điện động cảm ứng trung bình xuất hiện trong vòng dây.

Gợi ý: Đối với bài tập 4, các em nhận xét rằng từ thông giảm từ giá trị cực đại (cos0° = 1) xuống giá trị 0 (cos90° = 0). Hãy vận dụng đúng công thức và chú ý đổi đơn vị diện tích sang m².