Lý thuyết và Bài tập Vật lí Lớp 11 - Phương pháp tính suất điện động tự cảm, năng lượng từ trường (Có lời giải)

Nội dung text: Lý thuyết và Bài tập Vật lí Lớp 11 - Phương pháp tính suất điện động tự cảm, năng lượng từ trường (Có lời giải)

1. PHƯƠNG PHÁP TÍNH SUẤT ĐIỆN ĐỘNG TỰ CẢM – NĂNG LƯỢNG TỪ TRƯỜNG 1. Kiến thức cơ bản a. Hiện tượng tự cảm Là hiện tượng cảm ứng điện từ xảy ra trong một mạch có dòng điện mà sự biến thiên từ thông qua mạch được gây ra bởi sự biến thiên của cường độ dòng điện trong mạch kín. b. Mối liên hệ giữa từ thông và dòng điện N.i + Cảm ứng từ B trong ống dây: B 4 .10 7 l N 2  + Từ thông tự cảm qua ống dây:  NBS 4 .10 7 S.i ( B vuông góc với mỗi mặt của vòng dây) l N 2 + Đặt L 4 .10 7. .S  L.i l (Với L là độ tự cảm – hệ số tự cảm của ống dây, đơn vị là henri – H) Chú ý: 2 2 7 N 7 N 7 2 L 4 .10 . .S 4 .10 . .lS L 4 .10 .n .V l l N Với n là mật độ vòng dây: n l V là thể tích ống dây: V lS (l là chiều dài ống dây và S là tiết diện ngang của ống dây) Trong mạch điện L được kí hiệu như hình vẽ bên.  Li i i + Suất điện động tự cảm: e L độ lớn: e L tc t t t tc t Kết luận: Suất điện động tự cảm xuất hiện trong hiện tượng tự cảm và có độ lớn tỉ lệ với tốc độ biến thiên của dòng điện trong mạch. 1 - Năng lượng từ trường sinh ra bên trong ống dây: W L.i2. 2 - Mật độ năng lượng từ trường w bên trong ống dây: 1 1 W 1 W L.i2 .4 .10 7.n2.V.i2 w .4 .10 7.n2.i2 2 2 V 2 Chú ý: Nếu ống dây có độ từ thẩm  thì: 7 NI + Cảm ứng từ B trong ống dây: B 4 .10  l 2 7 N + Độ tự cảm: L 4 .10 . S  l
2. Lời giải a) Độ tự cảm bên trong ống dây: N 2 N 2 d 2 20002 .0,42 L 4 .10 7. S 4 .10 7. . 4 .10 7. 0,42 H l l 4 1,5 4 Đáp án B. i i2 i1 5 0 b) Suất điện động tự cảm trong ống dây: etc L L 0,42. 2,1 V t t 1 Đáp án A. c) Cảm ứng từ do dòng điện sinh ra trong ống dây: N.i 2000.5 B 4 .10 7 4 .10 7 8,4.10 3 T l 1,5 Đáp án C. d) Năng lượng từ trường sinh ra bên trong ống dây: 1 1 W L.i2 .0,42.52 5,25 J 2 2 Đáp án A. Ví dụ 3: Một ống dây dài 40 cm, có tất cả 800 vòng dây, diện tích tiết diện ngang của ống dây bằng 10 cm2. Ống dây được nối với 1 nguồn điện có cường độ tăng từ 0 4 A. a) Độ tự cảm của ống dây? A. 2.10-3 H.B. 10 -3 H.C. 3.10 -3 H. D. 4.10-3 H. b) Nếu suất điện động tự cảm của ống dây có độ lớn là 1,2 V, hãy xác định thời gian mà dòng điện đã biến thiên. A. 6,7 s.B. 6,7.10 -3 s.C. 8.10 -3 s. D. 8 s. Lời giải N 2 8002 a) Độ tự cảm của ống dây: L 4 .10 7. S 4 .10 7. .10.10 4 2.10 3 H l 0,4 Đáp án A. b) Suất điện động tự cảm sinh ra do có sự biến thiên của dòng điện trong ống dây: i i2 i1 i2 i1 3 4 0 3 etc L L t L 2.10 6,7.10 s t t etc 1,2 Đáp án B. Ví dụ 4: Một ống dây dài được quấn với mật độ 2000 vòng/mét. Ống dây có thể tích 500 cm3. Ống dây được mắc vào một mạch điện. Sau khi đóng công tắc dòng điện trong ống dây biến đổi theo thời gian theo đồ thị. Lúc đóng công tắc ứng với thời điểm t 0 . Tính suất điện động tự cảm trong ống: a) Sau khi đóng công tắc tới thời điểm t 0,05 s.
3. Vậy cường độ dòng điện trong mạch trong khoảng thời gian trên là i ' 0. Đáp án A. BÀI TẬP RÈN LUYỆN KĨ NĂNG Câu 1: Hình vẽ nào sau đây xác định đúng chiều dòng điện cảm ứng khi cho nam châm dịch chuyển lại gần hoặc ra xa vòng dây kín: A. B. C. D. Câu 2: Hình vẽ nào sau đây xác định đúng chiều dòng điện cảm ứng khi cho vòng dây dịch chuyển lại gần hoặc ra xa nam châm: A. B. C. D. Câu 3: Hình vẽ nào sau đây xác định đúng chiều dòng điện cảm ứng khi cho nam châm dịch chuyển lại gần hoặc ra xa vòng dây kín: A. B. C. D.
4. C. D. Câu 8: Hình vẽ nào sau đây xác định đúng chiều dòng điện cảm ứng khi cho cả nam châm và vòng dây dịch chuyển với v1 v2 : A. B. C. D. Câu 9: Hình vẽ nào sau đây xác định đúng chiều dòng điện cảm ứng khi cho cả nam châm và vòng dây dịch chuyển , với v1 v2 : A. B. C. D. Câu 10: Hình vẽ nào sau đây xác định đúng chiều dòng điện cảm ứng khi cho cả nam châm và vòng dây dịch chuyển:
5. A. Lúc đầu dòng điện cùng kim đồng hồ, khi nam châm xuyên qua đổi chiều ngược kim đồng hồ. B. Lúc đầu dòng điện ngược kim đồng hồ, khi nam châm xuyên qua đổi chiều cùng kim đồng hồ. C. Không có dòng điện cảm ứng trong vòng dây. D. Dòng điện cảm ứng cùng kim đồng hồ. Câu 13: Xác định chiều dòng điện cảm ứng trong vòng dây khi nhìn vào mặt bên phải trong trường hợp cho nam châm xuyên qua tâm vòng dây giữ cố định như hình vẽ: A. Lúc đầu dòng điện cùng kim đồng hồ, khi nam châm xuyên qua đổi chiều ngược kim đồng hồ. B. Lúc đầu dòng điện ngược kim đồng hồ, khi nam châm xuyên qua đổi chiều cùng kim đồng hồ. C. Không có dòng điện cảm ứng trong vòng dây. D. Dòng điện cảm ứng cùng kim đồng hồ. Câu 14: Hình vẽ nào sau đây xác định đúng chiều dòng điện cảm ứng khi cho vòng dây tịnh tiến với vận tốc v trong từ trường đều: A. B. C. D. Câu 15: Hình vẽ nào sau đây xác định đúng chiều dòng điện cảm ứng khi cho vòng dây tịnh tiến với vận tốc v trong từ trường đều:
6. C. D. Câu 18: Khi cho nam châm lại gần vòng dây treo như hình vẽ thì chúng tương tác: A. đẩy nhau. B. hút nhau. C. ban đầu đẩy nhau, khi đến gần thì hút nhau. D. không tương tác. Câu 19: Khi cho nam châm xuyên qua vòng dây treo như hình vẽ thì chúng tương tác: A. đẩy nhau. B. ban đầu hút nhau, khi xuyên qua rồi thì đẩy nhau. C. ban đầu đẩy nhau, khi xuyên qua rồi thì hút nhau. D. hút nhau. Câu 20: Khi cho khung dây kín chuyển động ra xa dòng điện thẳng dài I 1 như hình vẽ thì chúng tương tác: A. đẩy nhau. B. hút nhau. C. ban đầu đẩy nhau, khi đến gần thì hút nhau. D. không tương tác. Câu 21: Tương tác giữa hai đoạn dây thẳng MN và PQ ở hình vẽ bên là: A. đẩy nhau. B. hút nhau. C. ban đầu hút nhau, khi đến gần thì đẩy nhau. D. không tương tác. Câu 22: Tương tác giữa khung dây và ống dây ở hình vẽ bên khi cho khung dây dịch chuyển ra xa ống dây là: A. đẩy nhau. B. hút nhau. C. ban đầu hút nhau, khi đến gần thì đẩy nhau.
7. Câu 31: Một khung dây cứng phẳng diện tích 25 cm2 gồm 10 vòng dây, đặt trong từ trường đều, mặt phẳng khung vuông góc với các đường cảm ứng từ. Cảm ứng từ biến thiên theo thời gian như đồ thị hình vẽ. Tính suất điện động cảm ứng xuất hiện trong khung kể từ t 0 đến t 0,4 s. A. 10-4 V.B. 1,2.10 -4 V.C. 1,3.10 -4 V. D. 1,5.10-4 V. Câu 32: Cho dòng điện thẳng cường độ I không đổi. Khung dây dẫn hình chữ nhật MNPQ đặt gần dòng điện thẳng, cạnh MQ song song với dòng điện thẳng như hình vẽ. Hỏi khi nào thì trong khung dây không có dòng điện cảm ứng: A. tịnh tiến khung theo phương song song với dòng điện thẳng I. B. dịch chuyển khung dây ra xa dòng điện thẳng I. C. dịch chuyển khung lại gần dòng điện thẳng I. D. quay khung dây quanh trục OO'. Câu 33: Một vòng dây phẳng có diện tích 80 cm2 đặt trong từ trường đều B 0,3.10 3 T véc tơ cảm ứng từ vuông góc với mặt phẳng vòng dây. Đột ngột véc tơ cảm ứng từ đổi hướng trong 10-3 s. Trong thời gian đó suất điện động cảm ứng xuất hiện trong khung là: A. 4,8.10-2 V.B. 0,48 V.C. 4,8.10 -3 V. D. 0,24 V. Câu 34: Dòng điện Phu cô là: A. dòng điện chạy trong khối vật dẫn. B. dòng điện cảm ứng sinh ra trong mạch kín khi từ thông qua mạch biến thiên. C. dòng điện cảm ứng sinh ra trong khối vật dẫn khi vật dẫn chuyển động trong từ trường. D. dòng điện xuất hiện trong tấm kim loại khi nối tấm kim loại với hai cực của nguồn điện. Câu 35: Chọn một đáp án sai khi nói về dòng điện Phu cô: A. nó gây ra hiệu ứng tỏa nhiệt. B. trong động cơ điện chống lại sự quay của động cơ làm giảm công suất của động cơ. C. trong công tơ điện có tác dụng làm cho đĩa ngừng quay nhanh khi ngắt thiết bị dùng điện. D. là dòng điện có hại. Câu 36: Chọn một đáp án sai khi nói về dòng điện Phu cô: A. Hiện tượng xuất hiện dòng điện Phu cô thực chất là hiện tượng cảm ứng điện từ. B. chiều của dòng điện Phu cô cũng được xác định bằng định luật Jun-Lenxơ. C. dòng điện Phu cô trong lõi sắt của máy biến thế là dòng điện có hại. D. dòng điện Phu cô có tính chất xoáy. Câu 37: Đơn vị của từ thông là: A. Vêbe (Wb).B. Tesla (T).C. Henri (H). D. Vôn (V). Câu 38: Một vòng dây diện tích S đặt trong từ trường có cảm ứng từ B, mặt phẳng khung dây hợp với BS đường sức từ góc . Góc bằng bao nhiêu thì từ thông qua vòng dây có giá trị  : 2 A. 1800. B. 600.C. 90 0.D. 45 0.  Câu 39: Giá trị tuyệt đối của từ thông qua diện tích S đặt vuông góc với cảm ứng từ B : A. tỉ lệ với số đường sức từ qua một đơn vị diện tích S. B. tỉ lệ với số đường sức từ qua diện tích S.
8. Câu 47: Một vòng dây đặt trong từ trường đều B 0,3T. Mặt phẳng vòng dây vuông góc với đường sức từ. Tính suất điện động cảm ứng xuất hiện trong vòng dây nếu đường kính vòng dây giảm từ 100 cm xuống 60 cm trong 0,5 s: A. 300 V.B. 30 V.C. 3 V. D. 0,3 V. Câu 48: Một vòng dây dẫn tròn có diện tích 0,4 m2 đặt trong từ trường đều có cảm ứng từ B 0,6 T, véc tơ cảm ứng từ vuông góc với mặt phẳng vòng dây. Nếu cảm ứng từ tăng đến 1,4 T trong thời gian 0,25 s thì suất điện động cảm ứng xuất hiện trong vòng dây là: A. 1,28 V.B. 12,8 V.C. 3,2 V. D. 32 V. Câu 49: Một vòng dây dẫn tròn có diện tích 0,4 m 2 đặt trong từ trường đều có cảm ứng từ B 0,6 T có chiều như hình vẽ. Nếu cảm ứng từ tăng đến 1,4 T trong thời gian 0,25 s thì chiều dòng điện cảm ứng trong vòng dây là: A. theo chiều kim đồng hồ. B. ngược chiều kim đồng hồ. C. không có dòng điện cảm ứng. D. chưa xác định được chiều dòng điện, vì phụ thuộc vào cách chọn chiều véctơ pháp tuyến của vòng dây. Câu 50: Từ thông qua một mạch điện phụ thuộc vào: A. đường kính của dây dẫn làm mạch điện. B. điện trở suất của dây dẫn. C. khối lượng riêng của dây dẫn. D. hình dạng và kích thước của mạch điện. ĐÁP ÁN 1-B 2-B 3-A 4-B 5-A 6-B 7-D 8-B 9-A 10-D 11-D 12-A 13-A 14-D 15-D 16-B 17-A 18-A 19-C 20-B 21-B 22-B 23-A 24-D 25-B 26-B 27-A 28-A 29-B 30-C 31-D 32-A 33-C 34-C 35-D 36-B 37-A 38-D 39-B 40-D 41-C 42-B 43-D 44-A 45-D 46-A 47-D 48-A 49-A 50-D HƯỚNG DẪN GIẢI CHI TIẾT Câu 1: Đáp án B. Sử dụng quy tắc bàn tay phải 2 và định luật Lenxơ ta được:
9. Ở hình vẽ B nam châm đang có hướng dịch chuyển lại gần vòng dây (do v1 v2 ) nên từ thông nó sẽ tăng   lên nên để chống lại sự tăng thì B NC  BC , theo quy tắc bàn tay phải 2 ta được ngón cái choãi ra chỉ chiều  của BC chiều từ cổ tay đến ngón tay chỉ chiều của IC nên nó sẽ có hướng như hình vẽ B. Câu 9: Đáp án A. Sử dụng quy tắc bàn tay phải 2 và định luật Lenxơ ta được: Ở hình vẽ A nam châm đang có hướng dịch chuyển ra xa vòng dây (do v1 v2 ) nên từ thông nó sẽ giảm   nên để chống lại sự giảm thì B NC  BC , theo quy tắc bàn tay phải 2 ta được ngón cái choãi ra chỉ chiều  của BC chiều từ cổ tay đến ngón tay chỉ chiều của IC nên nó sẽ có hướng như hình vẽ A. Câu 10: Đáp án D. Sử dụng quy tắc bàn tay phải 2 và định luật Lenxơ ta được: Ở hình vẽ D nam châm đang có hướng dịch chuyển lại gần vòng dây (do v2 v1 ) nên từ thông nó sẽ tăng   lên nên để chống lại sự giảm thì B NC  BC , theo quy tắc bàn tay phải 2 ta được ngón cái choãi ra chỉ chiều  của BC chiều từ cổ tay đến ngón tay chỉ chiều của IC nên nó sẽ có hướng như hình vẽ D. Câu 11: Đáp án D. Vì cả nam châm và dây đều rơi tự do với vận tốc v bằng nhau nên không có sự biến thiên từ thông ở trong dây nên IC 0. Câu 12: Đáp án A . Sử dụng quy tắc bàn tay phải 2 và định luật Lenxơ ta được: Ở hình vẽ lúc đầu nam châm đang có hướng dịch chuyển lại gần vòng dây nên từ   thông nó sẽ tăng lên nên để chống lại sự tăng thì B NC  BC , theo quy tắc bàn tay  phải 2 ta được ngón cái choãi ra chỉ chiều của BC chiều từ cổ tay đến ngón tay chỉ chiều của IC nên nó sẽ có hướng theo chiều kim đồng hồ còn khi nam châm xuyên qua nó thì nó tiến ra xa vòng dây nên IC sẽ có chiều ngược chiều kim đồng hồ. Câu 13: Đáp án A. Sử dụng quy tắc bàn tay phải 2 và định luật Lenxơ ta được: Ở hình vẽ lúc đầu nam châm đang có hướng dịch chuyển lại gần vòng dây   nên từ thông nó sẽ tăng lên nên để chống lại sự tăng thì B NC  BC , theo quy  tắc bàn tay phải 2 ta được ngón cái choãi ra chỉ chiều của BC chiều từ cổ tay đến ngón tay chỉ chiều của IC nên nó sẽ có hướng theo chiều kim đồng hồ còn khi nam châm xuyên qua thì nó tiến ra xa vòng dây nên IC sẽ có chiều ngược chiều kim đồng hồ. Câu 14: Đáp án D. Sử dụng quy tắc bàn tay phải với cảm ứng từ B hướng lại gần chúng ta (hay hướng từ trong ra ngoài), ngón cái choãi ra 90 độ chỉ chiều của v thì ta được IC 0. Câu 15: Đáp án D.
10.  10 6 cos 1 00 BS 4.10 4.0,052 Câu 28: Đáp án A.  1,2 Trong t 0,3 s e 4 V t 0,3 Câu 29: Đáp án B.  NBS cos 0 100.20.10 4.2.10 4.cos600 900 300 600 e 2.10 3 V t 0,01 0,01 Câu 30: Đáp án C.  NBS cos 2,4.10 3.10.25.10 4 6.10 5 Wb Câu 31: Đáp án D.  N BS 10.25.10 4.2,4.10 3 e 1,5.10 4 V t t 0,4 Câu 32: Đáp án A. Sử dụng quy tắc bàn tay phải ta được trong khung dây không có dòng điện cảm ứng khi tịnh tiến khung theo phương song song với dòng điện I. Câu 33: Đáp án C.   2BS cos B,n 80.10 4.0,3.10 3 e 2 4,8.10 3 V t t 10 3 Câu 34: Đáp án C. Dòng điện Phu cô là dòng điện cảm ứng sinh ra trong khối vật dẫn khi vật dẫn chuyển động trong từ trường. Câu 35: Đáp án D. Dòng điện Phu cô là dòng điện không có hại. Câu 36: Đáp án B. Chiều của dòng điện Phu cô không được xác định bằng định luật Jun-Lenxơ. Câu 37: Đáp án A. Đơn vị của từ thông là Wb. Câu 38: Đáp án D.  1 900 B,n 900 arccos 450 2 Câu 39: Đáp án B. Nó tỉ lệ với số đường sức từ qua diện tích S. Câu 40: Đáp án D.