ĐỊNH LUẬT FA-RA-ĐÂY VỀ CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ


SGK Vật lý 11 NC – Bài 38 – Trang 184

1. Mục tiêu

Khảo sát sự biến thiên biên của suất điện động cảm ứng do sự thay đổi từ trường

Đạt được hiểu biết sâu hơn về định luật Fa-ra-đây

2. Chuẩn bị lý thuyết

Năm 1831, Fa-ra-đây đã chứng tỏ bằng thực nghiệm rằng từ trường có thể sinh ra dòng điện. Thực vậy, khi cho từ thông gửi qua một mạch kín thay đổi thì trong mạch xuất hiện một dòng điện. Dòng điện đó được gọi là dòng điện cảm ứng. Hiện tượng đó được gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ.

v10 sơ đồ thí nghiệm faraday

Như ta đã nói, khi có sự biến thiên của từ thông qua mặt giới hạn bởi một mạch kín thì trong mạch xuất hiện suất điện động cảm ứng. Định luật Fa-ra-đây rút ra được từ thực nghiệm chứng phát biểu rằng: độ lớn của suất điện động cảm ứng trong mạch kín tỉ lệ với tốc độ biến thiên từ thông qua mạch.

\left| {{e}_{c}} \right|=k\left| \frac{\Delta \Phi }{\Delta t} \right|

Trong đó: ec là suất điện động của mạch,  k là hệ số tỉ lệ (trong hệ SI k = 1), \Delta \Phi  là độ biến thiên từ thông, \Delta t là khoảng thời gian.

3. Thí nghiệm với thiết bị Addestation

Dụng cụ

1 aMixer MGA, 1 cảm biến điện thế, 1 cuộn dây 3 lớp, 1 cuộn dây 7 lớp, 1 cán cầm (đã gắni 1 nam châm), 2 nam châm.

v11 cuộn 3 lớp và 7 lớp

Chú ý: Cán cầm có 6 dấu chấm trắng, khoảng cách giữa các 2 chấm trắng là 1.5 cm.

4. Tiến hành

I. Chuẩn bị và thiết lập thí nghiệm

Bước 1: Mở MGA, kết nối cảm biến điện thế vào CH 1 của MGA. Khi màn hình “Tự động lựa chọn cảm biến” xuất hiện, nhấn vào biểu tượng btk1 chọn “C.biến điện thế(EMF)” rồi nhấn “Chạy”.

Chú ý: Bảo đảm rằng công tắc của cảm biến điện thế được bật ở thang ±1V.

v1 1 lựa chọn thang đov1 1 công tắc

Bước 2:. Kết nối 2 đầu kẹp cá sấu của cảm biến điện thế với nhau. Nhấn nút bt0 trên MGA để bắt đầu thu thập dữ liệu. Sau đó nhấn nút bt00 để dừng thu thập dữ liệu.

Chú ý: Ta tiến hành bước này để làm cho 2 đầu cảm trở về giá trị không về mặt thực tế mặc dù màn hình MGA không hiện giá trị không.

Bước 3: Đảm bảo rằng không có ngoại lực tác dụng lên móc của cảm biến lực. Nhấn vào biểu tượng bt21 và sau đó nhấn vào ô vuông bên cạnh “CH 1” sau đó nhấn “Chạy”. Khi đó, giá trị lực đọc được trên MGA sẽ đặt về không.

v1 3 chuẩn cảm biến

Bước 4: Nhấn vào nút bt0 để xác nhận điện thế vừa đọc được đặt về không. Rồi nhấn nút bt00.

Khảo sát 1: Cảm ứng điện từ và vận tốc của nam châm

Bước 5: Dùng kẹp cá sấu của cảm biến điện thế kẹp 2 đầu của cuộn dây 7 lớp. Gắn 2 nam châm vào đầu của cán cầm (như vậy sẽ có tổng cộng 3 nam châm ở đầu cán cầm).

v1 5 kẹp cảm biến vào cuộn dây

II. Thu thập dữ liệu

Bước 6: Nhấn vào nút bt0 trên MGA để bắt đầu thu thập dữ liệu. Giữ phần đầu trên của cuộn dây. Bảo đảm rằng khoảng cách giữa đầu dưới cuộn dây và bàn D > L (L là chiều dài của tay cầm).

v1 6 vị trí cuộn dây với mặt bàn

 

Bước 7: Giữ tay cầm nam châm sao cho chấm thứ 6 ở ngay bên trên cuộn dây. Điều chỉnh sao cho tay cầm nếu chuyển động qua cuộn dây sẽ không chạm vào cuộn dây. Thả tay cầm nam châm cho rơi qua cuộn dây.

v1 7 vị trí tay cầm nam châm

 

Bước 8: Nhấn vào nút bt00 để dừng thu thập dữ liệu. Nhấn vào biểu tượng bt4 để phóng đại đồ thị. Trong đỉnh và đáy của đồ thị thu được sẽ có cái biên độ lớn hơn.

Chú ý: Trong thực tế, đỉnh có thể xuất hiện trước đáy hoặc ngược lại do vị trí của cuộn dây. Điều này không ảnh hưởng đến kết quả

v1 8 đồ thị thu được

 

Bước 9: Nhấn vào biểu tượng bt8  rồi nhấn vào điểm đầu của đồ thị (phần đồ thị thu được trước khi thả nam châm). Một dấu ‘+’ xuất hiện, tiếp tục nhấn chọn vào điểm cực đại của đỉnh hoặc điểm cực tiểu đáy. Ghi lại giá trị “Độ lệch biên độ” vào Bảng 1 trong cột “Chấm 6”.

Chú ý: Ta có thể di chuyển dấu ‘+’ đến vị trí chính xác bằng cách sử dụng các phím mũi tên trên MGA.

v1 9 đánh dấu điểmphimmuiten

 

Bước 10: Lặp lại các bước 6 đến 9 với các chấm trắng còn lại. Ghi giá trị “Độ lệch biên độ” đo được vào Bảng 1.

Khảo sát 2: Cảm ứng điện từ và số nam châm

Bước 11: Tách 2 nam châm khỏi tay cầm (còn 1 nam châm đầu tay cầm nam châm).

Bước 13: Lặp lại các bước từ 6 đến 9 và ghi lại giá trị vào Bảng 2.

Bước 14: Gắn thêm 1 nam châm nữa (có 2 nam châm đầu tay cầm) vào tay cầm nam châm và lặp lại các bước 6 đến bước 9. Ghi lại giá trị thu được vào Bảng 2.

Bước 15: Gắn thêm 1 nam châm nữa (có 3 nam châm đầu tay cầm) vào tay cầm nam châm và lặp lại các bước 6 đến bước 9. Ghi lại giá trị thu được vào Bảng 2.

Khảo sát 3: Cảm ứng điện từ và số vòng dây

Bước 16: Tháo kẹp cá sấu của cảm biến điện thế khỏi cuộn dây 7 lớp và kẹp vào cuộn dây 3 lớp.

Bước 17: Lặp lại các bước 6 đến 9 với tay cầm nam châm gắn 3 nam châm. Ghi lại giá trị “Độ lệch biên độ” vào Bảng 3 gần ô “Cuộn 3 lớp”.

Bước 18: Tháo kẹp cá sấu của cảm biến điện thế khỏi cuộn dây 3 lớp và kẹp vào cuộn dây 7 lớp.

Bước 19: Lặp lại các bước 6 đến 9 với tay cầm nam châm gắn 3 nam châm. Ghi lại giá trị “Độ lệch biên độ” vào Bảng 3 gần ô “Cuộn 7 lớp”.

Bảng 1

Vị trí của tay cầm nam châm

Biên độ của cảm ứng từ (EMF)

Chấm 6 (nam châm cách cuộn dây 7.5 cm)  
Chấm 5 (nam châm cách cuộn dây 6.0 cm)  
Chấm 4 (nam châm cách cuộn dây 4.5 cm)  
Chấm 3 (nam châm cách cuộn dây 3.0 cm)  
Chấm 2 (nam châm cách cuộn dây 1.5 cm)  

Bảng 2

Số nam châm gắn vào tay cầm

Biên độ của cảm ứng từ (EMF)

1  
2  
3  

Bảng 3

Cuộn dây khảo sát

Biên độ của cảm ứng từ (EMF)

Cuộn 3 lớp  
Cuộn 7 lớp  

5. Kết luận

Như vậy, thí nghiệm đã khảo sát khá đầy đủ về hiện tượng cảm ứng điện từ theo định luật Fa-ra-đây về sự thay đổi từ thông và hiệu điện thế của mạch.

Các câu hỏi thảo luận:

1. Cho biết mối liên hệ giữa chiều cao của nam châm gắn vào tay cầm và tốc độ của nó khi rơi qua cuộn dây? Giải thích?

2. Đưa ra nhận xét về mối liên hệ giữa tốc độ của nam châm và độ lớn điện thế cảm ứng trong khảo sát 1?

3. Giữa số nam châm gắn vào tay cầm và cường độ của từ trường do nó sinh ra có mối liên hệ gì? Giải thích?

(Gợi ý: Ta có thể sử dụng các mẩu giấy vụn và so sánh lực hút của nam châm với số lượng khác nhau tác dụng lên nó, cái nào hút được nhiều hơn).

v1 10 nam châm hút mẩu giấy vụn

 

4. Rút ra mối quan hệ giữa cường cường độ từ trường mà di chuyển qua cuộn dây và độ lớn điện thế cảm ứng trong khảo sát 2?

5. Rút ra mối liên hệ giữa số vòng dây và độ lớn của điện thế cảm ứng trong khảo sát 3?