Năm 1831, nhà vật lí người Anh Michael Faraday làm một thí nghiệm tưởng chừng rất đơn giản: ông cầm một thanh nam châm, đưa nó lại gần một cuộn dây đồng đang nối với một điện kế, và quan sát. Khi nam châm đứng yên, kim điện kế không nhúc nhích. Nhưng ngay khi ông bắt đầu di chuyển nam châm, kim điện kế lập tức lệch đi — trong cuộn dây đã xuất hiện dòng điện, dù chẳng có pin hay nguồn điện nào nối vào nó cả. Khi ông dừng nam châm lại, kim điện kế trở về 0. Khi ông kéo nam châm ra xa, kim điện kế lệch sang phía ngược lại. Thí nghiệm ấy đã mở ra cả một kỉ nguyên: con người phát hiện ra rằng từ trường biến thiên có thể sinh ra điện.
Bài này sẽ giúp bạn làm chủ định luật Faraday về suất điện động cảm ứng một cách có hệ thống: từ hiện tượng cảm ứng điện từ mà Faraday phát hiện, công thức tính suất điện động cảm ứng e = −N · ΔΦ / Δt, ý nghĩa của dấu trừ và định luật Lenz, cho tới 4 ví dụ tính từng bước và 5 bài tập trắc nghiệm có đáp án chi tiết. Đây là một trong những định luật quan trọng nhất của chương trình Vật lí 12 — nó giải thích vì sao máy phát điện quay được, vì sao sạc không dây hoạt động, và vì sao bếp từ nấu được thức ăn mà không cần lửa.
Định luật Faraday: suất điện động sinh ra từ sự thay đổi của từ thông
Định luật Faraday phát biểu như sau: độ lớn của suất điện động cảm ứng xuất hiện trong một mạch kín tỉ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông qua mạch đó. Công thức tính suất điện động cảm ứng trong một cuộn dây có N vòng là e = −N · ΔΦ / Δt, trong đó ΔΦ là độ biến thiên của từ thông qua một vòng dây (đơn vị vêbe, kí hiệu Wb), Δt là khoảng thời gian xảy ra sự biến thiên đó (đơn vị giây, kí hiệu s), và N là số vòng dây của cuộn dây. Đơn vị của suất điện động cảm ứng là vôn, kí hiệu V. Dấu trừ trong công thức thể hiện định luật Lenz: suất điện động cảm ứng luôn có chiều sao cho dòng điện cảm ứng sinh ra có tác dụng chống lại sự biến thiên của từ thông đã sinh ra nó.
Bạn hãy chú ý vào hai chữ "tốc độ biến thiên". Suất điện động cảm ứng không phụ thuộc vào từ thông lớn hay nhỏ, mà phụ thuộc vào từ thông biến thiên nhanh hay chậm. Một từ thông rất lớn nhưng không đổi theo thời gian thì suất điện động cảm ứng bằng 0 — giống như một cái hồ nước đầy nhưng mặt nước phẳng lặng thì chẳng có dòng chảy nào cả. Ngược lại, một từ thông nhỏ nhưng biến thiên rất nhanh trong một khoảng thời gian rất ngắn cũng có thể sinh ra suất điện động cảm ứng rất lớn — giống như một con sóng nhỏ nhưng dâng lên đột ngột cũng tạo ra dòng chảy mạnh. Trong công thức, tốc độ biến thiên được đo bằng tỉ số ΔΦ / Δt: ΔΦ càng lớn hoặc Δt càng nhỏ thì suất điện động cảm ứng càng lớn.
Số vòng dây N cũng đóng vai trò rất quan trọng. Mỗi vòng dây của cuộn dây đều sinh ra một suất điện động cảm ứng như nhau, và các suất điện động này nối tiếp nhau nên cộng lại thành N lần. Vì vậy, muốn tăng suất điện động cảm ứng, cách đơn giản nhất là quấn thêm vòng dây — máy phát điện trong nhà máy thủy điện có hàng nghìn vòng dây chính là vì lí do này. Tuy nhiên, bạn hãy nhớ: N là số vòng dây của cuộn dây, còn ΔΦ là độ biến thiên từ thông qua MỘT vòng dây, không phải qua cả cuộn dây. Nhiều bạn nhầm lẫn điểm này và tính sai kết quả — bạn hãy đọc kĩ đề bài để xác định ΔΦ là của một vòng hay của cả cuộn dây.
Dấu trừ trong công thức e = −N · ΔΦ / Δt là dấu trừ "có ý nghĩa vật lí sâu sắc nhất" trong chương trình phổ thông. Nó thể hiện định luật Lenz: dòng điện cảm ứng sinh ra trong mạch sẽ tạo ra một từ trường cảm ứng có tác dụng chống lại sự biến thiên của từ thông ban đầu. Nếu từ thông đang tăng, dòng điện cảm ứng sẽ tạo ra từ trường ngược chiều để "kìm" sự tăng đó lại; nếu từ thông đang giảm, dòng điện cảm ứng sẽ tạo ra từ trường cùng chiều để "bù" cho sự giảm đó. Định luật Lenz không chỉ là một quy tắc xác định chiều dòng điện — nó còn là biểu hiện của định luật bảo toàn năng lượng: nếu dòng điện cảm ứng lại làm tăng thêm sự biến thiên của từ thông thì năng lượng sẽ tự sinh ra từ hư không, điều đó là không thể. Khi cần kiểm tra lại phép tính, bạn có thể nhờ máy tính Casio online trên ClassOn hỗ trợ.
Trong thực tế, định luật Faraday là nguyên lí hoạt động của máy phát điện xoay chiều: một cuộn dây quay trong từ trường làm từ thông qua nó biến thiên liên tục theo thời gian, sinh ra suất điện động xoay chiều. Nó cũng là nguyên lí của máy biến áp, của bếp từ (dòng điện cảm ứng làm nóng nồi), của sạc không dây (cuộn dây trong đế sạc tạo ra từ trường biến thiên, cuộn dây trong điện thoại nhận được dòng điện cảm ứng), và của phanh điện từ trên tàu cao tốc. Mỗi lần bạn sạc điện thoại không dây, bạn đang dùng định luật Faraday mà có thể bạn không hề biết. Nếu muốn ôn lại cách tính từ thông trước khi làm bài tập, bạn hãy xem bài tính công suất điện.
Bốn bài toán mẫu tính từng bước
Ví dụ 1 (dùng đúng số liệu mẫu): Một cuộn dây có N = 100 vòng. Từ thông qua mỗi vòng dây biến thiên một lượng ΔΦ = 0,02 Wb trong khoảng thời gian Δt = 0,1 s. Tính độ lớn của suất điện động cảm ứng xuất hiện trong cuộn dây.
Bạn áp dụng công thức e = −N · ΔΦ / Δt. Độ lớn của suất điện động cảm ứng là |e| = N · |ΔΦ| / Δt. Thay số: |e| = 100 × 0,02 / 0,1 = 100 × 0,2 = 20 V. Vậy suất điện động cảm ứng xuất hiện trong cuộn dây có độ lớn bằng 20 V. Bạn hãy để ý: mỗi vòng dây chỉ sinh ra một suất điện động bằng 0,02 / 0,1 = 0,2 V, nhưng vì có 100 vòng dây nối tiếp nhau nên tổng suất điện động lên tới 20 V. Nếu cuộn dây chỉ có 1 vòng thì suất điện động chỉ bằng 0,2 V — quá nhỏ để thắp sáng một bóng đèn. Đó chính là lí do vì sao cuộn dây trong máy phát điện luôn có rất nhiều vòng.
Ví dụ 2 (tăng số vòng và giảm thời gian): Một cuộn dây có N = 200 vòng. Từ thông qua mỗi vòng dây biến thiên một lượng ΔΦ = 0,01 Wb trong khoảng thời gian Δt = 0,05 s. Tính độ lớn của suất điện động cảm ứng.
Bạn thay số vào công thức: |e| = N · ΔΦ / Δt = 200 × 0,01 / 0,05 = 200 × 0,2 = 40 V. Vậy suất điện động cảm ứng bằng 40 V. Bạn hãy đối chiếu với ví dụ 1: ở ví dụ này, số vòng dây tăng gấp đôi (từ 100 lên 200) và thời gian biến thiên giảm một nửa (từ 0,1 s xuống 0,05 s), trong khi độ biến thiên từ thông giảm một nửa (từ 0,02 Wb xuống 0,01 Wb). Kết quả là suất điện động tăng gấp đôi, từ 20 V lên 40 V. Bạn có thể kiểm chứng: tỉ số 200/100 × 0,01/0,02 × 0,1/0,05 = 2 × 0,5 × 2 = 2 — đúng bằng tỉ số 40/20. Cách kiểm chứng bằng tỉ số này rất hữu ích khi bạn muốn kiểm tra nhanh đáp án của mình.
Ví dụ 3 (tìm thời gian): Một cuộn dây có N = 50 vòng. Người ta muốn suất điện động cảm ứng trong cuộn dây đạt 10 V khi từ thông qua mỗi vòng dây biến thiên một lượng ΔΦ = 0,02 Wb. Hỏi sự biến thiên này phải diễn ra trong khoảng thời gian bao lâu?
Bạn viết công thức |e| = N · ΔΦ / Δt rồi giải ra Δt = N · ΔΦ / |e|. Thay số: Δt = 50 × 0,02 / 10 = 1 / 10 = 0,1 s. Vậy sự biến thiên từ thông phải diễn ra trong 0,1 s. Bạn hãy để ý: đây là bài toán ngược — đề bài cho suất điện động và hỏi thời gian. Cách làm vẫn như nhau: bạn viết công thức tổng quát, thay các số đã biết vào, rồi giải ra ẩn số cần tìm. Bạn cũng có thể kiểm chứng: với Δt = 0,1 s thì |e| = 50 × 0,02 / 0,1 = 10 V, khớp với đề bài. Khi làm bài toán ngược, bạn hãy luôn kiểm chứng lại bằng cách thay đáp án vừa tìm được vào công thức gốc.
Ví dụ 4 (từ thông biến thiên do cảm ứng từ thay đổi): Một vòng dây đơn (N = 1) có diện tích S = 0,02 m² đặt vuông góc với các đường sức từ. Cảm ứng từ tăng đều từ 0,1 T lên 0,3 T trong khoảng thời gian 0,2 s. Tính độ lớn của suất điện động cảm ứng xuất hiện trong vòng dây.
Bước đầu tiên, bạn tính độ biến thiên của từ thông. Vì vòng dây đặt vuông góc với các đường sức từ nên α = 0°, Φ = B · S. Từ thông lúc đầu là Φ₁ = 0,1 × 0,02 = 0,002 Wb, từ thông lúc sau là Φ₂ = 0,3 × 0,02 = 0,006 Wb. Vậy ΔΦ = Φ₂ − Φ₁ = 0,006 − 0,002 = 0,004 Wb. Bước thứ hai, bạn áp dụng công thức: |e| = N · ΔΦ / Δt = 1 × 0,004 / 0,2 = 0,02 V. Vậy suất điện động cảm ứng bằng 0,02 V. Bạn hãy để ý: bài này có hai bước — trước hết phải tính ΔΦ từ sự thay đổi của B, rồi mới tính suất điện động. Nhiều bạn bỏ qua bước đầu và lấy luôn ΔB = 0,2 T làm ΔΦ, cho ra đáp án sai. Bạn hãy luôn nhớ: ΔΦ = ΔB · S · cos α, không phải ΔΦ = ΔB.
Năm lỗi sai thường gặp — và cách tránh
Lỗi 1: Quên nhân với số vòng dây N.
Nhiều bạn tính e = ΔΦ / Δt mà quên nhân với N, tức là chỉ tính suất điện động của một vòng dây. Cách tránh: bạn hãy luôn kiểm tra đề bài cho N bằng bao nhiêu và nhân kết quả với N — trừ khi đề bài nói rõ đó là vòng dây đơn (N = 1).
Lỗi 2: Nhầm ΔΦ của một vòng với ΔΦ của cả cuộn dây.
Nhiều bạn lấy độ biến thiên từ thông của cả cuộn dây rồi lại nhân thêm với N một lần nữa. Cách tránh: bạn hãy nhớ trong công thức e = −N · ΔΦ / Δt thì ΔΦ là độ biến thiên từ thông qua MỘT vòng dây. Nếu đề bài cho từ thông qua cả cuộn dây thì bạn phải chia cho N trước khi thay vào công thức.
Lỗi 3: Cho rằng từ thông lớn thì suất điện động lớn.
Nhiều bạn thấy từ thông Φ = 1 Wb thì kết luận suất điện động lớn hơn trường hợp Φ = 0,01 Wb. Cách tránh: bạn hãy nhớ suất điện động phụ thuộc vào TỐC ĐỘ biến thiên ΔΦ / Δt, không phụ thuộc vào giá trị của Φ. Từ thông lớn nhưng không đổi thì suất điện động bằng 0.
Lỗi 4: Bỏ dấu trừ và hiểu sai định luật Lenz.
Nhiều bạn bỏ qua dấu trừ trong công thức và không xác định được chiều của dòng điện cảm ứng. Cách tránh: bạn hãy nhớ dấu trừ thể hiện định luật Lenz — dòng điện cảm ứng luôn chống lại sự biến thiên của từ thông. Khi đề bài hỏi chiều dòng điện cảm ứng, bạn hãy dùng định luật Lenz: từ thông tăng thì dòng điện cảm ứng sinh ra từ trường ngược chiều, từ thông giảm thì dòng điện cảm ứng sinh ra từ trường cùng chiều.
Lỗi 5: Nhầm đơn vị của Δt.
Nhiều bạn để Δt bằng mili giây (ms) mà không đổi ra giây (s) khi thay vào công thức. Cách tránh: bạn hãy luôn đổi Δt về đơn vị giây trước khi tính — 1 ms = 0,001 s. Một sai lầm về đơn vị có thể làm đáp án lệch đi 1000 lần, vì vậy bạn hãy kiểm tra đơn vị trước khi bấm máy tính.
Năm bài tập tự luyện
Hãy làm 5 bài tập sau đây rồi đối chiếu với bảng đáp án bên dưới. Nhớ nhân với số vòng dây N và kiểm tra đơn vị trước khi tính.
Câu 1: Suất điện động cảm ứng xuất hiện trong một mạch kín tỉ lệ với đại lượng nào sau đây?
A. Từ thông qua mạch
B. Tốc độ biến thiên của từ thông qua mạch
C. Cảm ứng từ của từ trường
D. Diện tích của mạch
Câu 2: Một cuộn dây có N = 100 vòng. Từ thông qua mỗi vòng dây biến thiên một lượng ΔΦ = 0,02 Wb trong khoảng thời gian Δt = 0,1 s. Độ lớn của suất điện động cảm ứng bằng bao nhiêu?
A. 2 V
B. 20 V
C. 200 V
D. 0,2 V
Câu 3: Dấu trừ trong công thức e = −N · ΔΦ / Δt thể hiện định luật nào?
A. Định luật Lenz
B. Định luật Ôm
C. Định luật Faraday
D. Định luật Jun – Lenxơ
Câu 4: Một cuộn dây có từ thông qua mỗi vòng biến thiên một lượng không đổi. Nếu thời gian biến thiên tăng gấp đôi thì độ lớn của suất điện động cảm ứng sẽ thay đổi như thế nào?
A. Tăng gấp đôi
B. Giảm một nửa
C. Không thay đổi
D. Tăng gấp 4 lần
Câu 5: Một cuộn dây có N = 500 vòng. Từ thông qua mỗi vòng dây biến thiên một lượng ΔΦ = 0,004 Wb trong khoảng thời gian Δt = 0,02 s. Độ lớn của suất điện động cảm ứng bằng bao nhiêu?
A. 10 V
B. 50 V
C. 100 V
D. 200 V
| Câu | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
|---|---|---|---|---|---|
| Đáp án | B | B | A | B | C |
Giải thích Câu 1 — Đáp án B đúng: Theo định luật Faraday, suất điện động cảm ứng tỉ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông, tức là ΔΦ / Δt. Đáp án A sai vì từ thông lớn nhưng không đổi thì suất điện động bằng 0. Đáp án C sai vì cảm ứng từ chỉ là một trong các yếu tố tạo nên từ thông. Đáp án D sai vì diện tích chỉ ảnh hưởng gián tiếp qua từ thông.
Giải thích Câu 2 — Đáp án B đúng: |e| = N · ΔΦ / Δt = 100 × 0,02 / 0,1 = 20 V. Đáp án A sai vì 2 V là kết quả khi lấy 100 × 0,02 / 1, tức là quên chia cho 0,1. Đáp án C sai vì 200 V là kết quả khi lấy 100 × 0,02 / 0,01. Đáp án D sai vì 0,2 V là suất điện động của một vòng dây, chưa nhân với N = 100.
Giải thích Câu 3 — Đáp án A đúng: Dấu trừ thể hiện định luật Lenz: dòng điện cảm ứng luôn chống lại sự biến thiên của từ thông đã sinh ra nó. Đáp án B sai vì định luật Ôm nói về mối liên hệ giữa điện áp, cường độ dòng điện và điện trở. Đáp án C sai vì định luật Faraday là toàn bộ công thức, còn dấu trừ riêng lẻ thể hiện định luật Lenz. Đáp án D sai vì định luật Jun – Lenxơ nói về nhiệt lượng tỏa ra trên điện trở.
Giải thích Câu 4 — Đáp án B đúng: Vì |e| = N · ΔΦ / Δt nên khi Δt tăng gấp đôi mà N và ΔΦ không đổi thì |e| giảm một nửa. Đáp án A sai vì tăng Δt làm mẫu số tăng nên suất điện động giảm, không tăng. Đáp án C sai vì Δt có mặt trong công thức nên suất điện động phải thay đổi. Đáp án D sai vì không có yếu tố nào làm suất điện động tăng gấp 4 lần.
Giải thích Câu 5 — Đáp án C đúng: |e| = N · ΔΦ / Δt = 500 × 0,004 / 0,02 = 500 × 0,2 = 100 V. Đáp án A sai vì 10 V là kết quả khi lấy 500 × 0,004 / 0,2. Đáp án B sai vì 50 V là kết quả khi lấy 500 × 0,002 / 0,02. Đáp án D sai vì 200 V là kết quả khi lấy 500 × 0,004 / 0,01.
Câu hỏi thường gặp về định luật Faraday
Hỏi: Vì sao nam châm đứng yên thì không sinh ra dòng điện cảm ứng?
Đáp: Vì khi nam châm đứng yên, từ thông qua cuộn dây không thay đổi theo thời gian, tức là ΔΦ = 0, nên suất điện động cảm ứng e = −N · ΔΦ / Δt = 0. Chỉ khi nam châm chuyển động — làm từ thông biến thiên — thì dòng điện cảm ứng mới xuất hiện.
Hỏi: Định luật Lenz nói gì về chiều của dòng điện cảm ứng?
Đáp: Định luật Lenz nói rằng dòng điện cảm ứng có chiều sao cho từ trường do nó sinh ra chống lại sự biến thiên của từ thông đã sinh ra nó. Nếu từ thông đang tăng, dòng điện cảm ứng tạo ra từ trường ngược chiều để kìm sự tăng lại; nếu từ thông đang giảm, dòng điện cảm ứng tạo ra từ trường cùng chiều để bù cho sự giảm đó.
Hỏi: Suất điện động cảm ứng có phụ thuộc vào điện trở của cuộn dây không?
Đáp: Không. Suất điện động cảm ứng chỉ phụ thuộc vào N, ΔΦ và Δt. Điện trở của cuộn dây chỉ ảnh hưởng đến cường độ dòng điện cảm ứng chạy trong mạch theo định luật Ôm: I = e / R. Cuộn dây có điện trở càng lớn thì dòng điện cảm ứng càng nhỏ, nhưng suất điện động thì không đổi.
Hỏi: Vì sao máy phát điện phải quay liên tục?
Đáp: Vì chỉ khi cuộn dây quay thì từ thông qua nó mới biến thiên liên tục theo thời gian, sinh ra suất điện động xoay chiều liên tục. Nếu cuộn dây dừng lại, từ thông không đổi, suất điện động bằng 0 và không còn điện nữa. Đó là lí do vì sao nhà máy điện phải duy trì tuabin quay không ngừng nghỉ.
Hỏi: Học định luật Faraday để làm gì trong các bài sau?
Đáp: Định luật Faraday là nền tảng để học về dòng điện xoay chiều, máy biến áp và máy phát điện xoay chiều. Mọi thiết bị điện xoay chiều quanh bạn — từ bóng đèn, quạt điện đến tủ lạnh — đều hoạt động nhờ dòng điện được sinh ra theo định luật này. Nếu muốn ôn lại cách tính công suất của dòng điện, bạn hãy xem bài tính công suất điện.
Kết luận
Định luật Faraday chỉ gói gọn trong một công thức: e = −N · ΔΦ / Δt, với dấu trừ thể hiện định luật Lenz. Bạn hãy nhớ ba điều: suất điện động phụ thuộc vào tốc độ biến thiên của từ thông, không phụ thuộc vào giá trị của từ thông; mỗi vòng dây đều sinh ra suất điện động nên phải nhân với N; và dòng điện cảm ứng luôn chống lại sự biến thiên đã sinh ra nó. Làm xong 5 bài tập ở trên, bạn đã đủ tự tin để tính suất điện động cảm ứng trong mọi bài toán, và sẵn sàng bước sang bài tiếp theo: dòng điện xoay chiều và giá trị hiệu dụng.