Một bài toán điển hình trong chương trình Vật lý 11 là xét một khung dây hình chữ nhật kín gồm N = 10 vòng dây, diện tích mỗi vòng S = 20 cm², đặt trong một từ trường đều có vectơ cảm ứng từ $vec{B}$ hợp với pháp tuyến $vec{n}$ của mặt phẳng khung dây một góc α = 60°. Độ lớn cảm ứng từ B = 0,04 T, điện trở khung dây R = 0,2 Ω. Yêu cầu tính suất điện động cảm ứng và cường độ dòng điện xuất hiện trong khung dây nếu trong thời gian Δt = 0,01 giây, cảm ứng từ biến thiên.
Để giải quyết bài toán này, ta cần áp dụng các kiến thức về hiện tượng cảm ứng điện từ, định luật Faraday và định luật Ohm. Cụ thể, ta xét hai trường hợp:
a) Cảm ứng từ giảm đều từ B đến 0.
Khi cảm ứng từ giảm đều, từ thông qua khung dây cũng giảm đều. Độ biến thiên từ thông được tính như sau:
ΔΦ = N S (Bcuối cosα – Bđầu cosα) = 10 20 10-4 (0 cos60° – 0.04 cos60°) = -4 10-4 Wb
Suất điện động cảm ứng được tính theo định luật Faraday:
|εc| = |ΔΦ / Δt| = |-4 * 10-4 Wb / 0.01 s| = 0.04 V
Cường độ dòng điện cảm ứng trong khung dây được tính theo định luật Ohm:
I = εc / R = 0.04 V / 0.2 Ω = 0.2 A
b) Cảm ứng từ tăng đều từ 0 đến 0,5B.
Khi cảm ứng từ tăng đều, từ thông qua khung dây cũng tăng đều. Độ biến thiên từ thông được tính như sau:
ΔΦ = N S (Bcuối cosα – Bđầu cosα) = 10 20 10-4 (0.5 0.04 cos60° – 0 cos60°) = 2 * 10-4 Wb
Suất điện động cảm ứng được tính theo định luật Faraday:
|εc| = |ΔΦ / Δt| = |2 * 10-4 Wb / 0.01 s| = 0.02 V
Cường độ dòng điện cảm ứng trong khung dây được tính theo định luật Ohm:
I = εc / R = 0.02 V / 0.2 Ω = 0.1 A
Sơ đồ minh họa khung dây hình chữ nhật gồm n=10 vòng đặt trong từ trường đều.
Lưu ý khi giải bài toán về khung dây hình chữ nhật kín gồm n=10 vòng:
- Đổi đơn vị: Cần đổi đơn vị diện tích từ cm² sang m² (1 cm² = 10-4 m²) để đảm bảo tính toán chính xác.
- Góc α: Xác định đúng góc giữa vectơ cảm ứng từ và pháp tuyến của mặt phẳng khung dây.
- Định luật Len-xơ: Trong thực tế, dòng điện cảm ứng sẽ có chiều sao cho từ trường của nó chống lại sự biến thiên từ thông ban đầu (định luật Len-xơ). Tuy nhiên, trong bài toán này, ta chỉ tính độ lớn của suất điện động và cường độ dòng điện, không xét đến chiều.
- Số vòng dây N: Đừng quên nhân với số vòng dây N khi tính từ thông và suất điện động cảm ứng. Trong trường hợp này, N=10.
Bài toán về khung dây hình chữ nhật kín gồm n=10 vòng trong từ trường biến thiên là một ví dụ điển hình về ứng dụng của hiện tượng cảm ứng điện từ. Việc nắm vững kiến thức cơ bản và áp dụng đúng công thức sẽ giúp giải quyết các bài toán tương tự một cách dễ dàng.
