Từ trường

Từ trường là vùng không gian nơi một điện tích chuyển động (hoặc dòng điện) chịu lực. Nó được tạo ra bởi:

• các điện tích chuyển động (thường là dòng điện trong dây dẫn), hoặc
• nam châm vĩnh cửu (nơi nó đến từ các dòng điện nguyên tử vi mô).

"Nêu ý nghĩa của từ trường." Một vùng mà tại đó lực tác dụng lên một điện tích chuyển động, một vật dẫn mang dòng điện hoặc một vật liệu từ. Đáp án điểm cần có từ lực và một trong ba đối tượng đó; cụm "vùng xung quanh nam châm" nếu đứng một mình sẽ không được điểm.

Đường sức

• đường sức từ hướng từ Bắc (N) sang Nam (S) bên ngoài nam châm, và từ Nam về Bắc bên trong (tạo thành vòng khép kín).
• đường sức không bao giờ cắt nhau; các đường sức càng gần nhau thì điện trường càng mạnh.

Các mẫu cần nhớ:

• nam châm thanh — các đường cong từ N sang S bên ngoài, mạnh nhất ở các cực.
• dây dẫn dài thẳng — các vòng tròn quanh dây; chiều xác định bằng quy tắc nắm tay phải (ngón cái theo chiều dòng điện, các ngón其余弯曲 chỉ hướng từ trường).
• cuộn dây tròn phẳng — từ trường qua tâm vuông góc với mặt phẳng cuộn; cuộn dây đóng vai như một nam châm thanh nhỏ.
• solenoide dài — từ trường bên trong gần như đều dọc theo trục, giống như nam châm thanh kéo dài; bên ngoài nó suy giảm nhanh.

Vẽ từ trường của dây. "Vẽ bốn đường sức từ" quanh một dây thẳng được chấm điểm dựa trên ba yếu tố: các đường là vòng tròn đồng tâm tâm là dây; khoảng cách giữa chúng tăng theo khoảng cách (từ trường yếu dần); và mỗi đường đều có mũi tên theo quy tắc nắm tay phải (dòng vào trang: chiều kim đồng hồ; dòng ra khỏi trang: ngược chiều kim đồng hồ). Vẽ chúng dưới dạng hình tròn, không vẽ elip tự do.

Đối với cuộn dây tròn phẳng, các vòng quanh hai bên cuộn gia cường qua trung tâm, nên từ trường ở đó vuông góc với mặt phẳng cuộn và mạnh nhất ở tâm; nhìn từ một mặt, cuộn đóng vai cực Bắc (từ trường đi ra), từ mặt kia là cực Nam. Một solenoide dài gồm nhiều cuộn như vậy xếp liền kề: từ trường bên trong đều và song song với trục, và các đường sức từ đi ra từ một đầu (cực N của nó) và quay trở lại bên ngoài về đầu kia.

Một lõi sắt bên trong cuộn dây solenoid làm tăng mạnh từ trường, vì các nam châm nguyên tử của sắt sắp xếp theo hàng và cộng hưởng vào nó. Đó là lý do tại sao nam châm điện và máy biến áp đều có lõi sắt.

Chương trình gọi lõi này là lõi sắt từ: sắt, thép hoặc vật liệu từ tính khác. Khi được hỏi tại sao lõi lại tăng cường từ trường, hãy nói rằng lõi trở nên bị từ hóa bởi từ trường của solenoid và từ trường riêng của nó cộng thêm vào từ trường của dòng điện.

Dòng điện $I$ chạy trong dây dài $L$ đặt trong từ trường có độ cảm ứng từ $B$ sẽ chịu một lực

trong đó $\theta$ là góc giữa dây và từ trường. Lực đạt cực đại khi dây vuông góc với từ trường ($F = BIL$) và bằng không khi dây song song với từ trường.

Ví dụ minh họa. Một dây dẫn dài $0.20\ \text{m}$ mang dòng điện $3.0\ \text{A}$ vuông góc với từ trường có độ cảm ứng từ $0.50\ \text{T}$. Tìm lực tác dụng lên dây.

Hai điều kiện để xuất hiện lực. Dây đồng đặt trong từ trường chỉ chịu lực nếu (1) nó mang dòng điện, và (2) dòng điện không song song với từ trường (một phần nào đó của dây phải vuông góc với $B$). Một dây không có dòng điện, hoặc nằm dọc theo đường sức từ, sẽ không chịu lực gì: $\sin\theta = 0$.

Ví dụ minh họa (cân dòng điện). Một dây ngang dài $5.0\ \text{cm}$ đặt vuông góc với từ trường giữa hai cực của một nam châm đứng trên cân đĩa. Không có dòng điện, cân hiển thị $102.30\ \text{g}$; có dòng điện $2.5\ \text{A}$, cân hiển thị $102.86\ \text{g}$. Tính độ cảm ứng từ.

Theo định luật thứ ba của Newton, lực tác dụng lên dây được bù đắp bởi một lực bằng nhau và ngược chiều tác dụng lên nam châm, do đó chỉ số cân thay đổi đúng bằng lực từ: $F = \Delta m\, g = (0.56 \times 10^{-3})(9.81) = 5.5 \times 10^{-3}\ \text{N}$. Sau đó $B = F/(IL) = 5.5 \times 10^{-3}/(2.5 \times 0.050) = 4.4 \times 10^{-2}\ \text{T}$ ($44\ \text{mT}$). Chỉ số cân đã tăng, nghĩa là lực tác dụng lên nam châm hướng xuống dưới và lực tác dụng lên dây hướng lên trên; đảo chiều dòng điện sẽ làm chỉ số cân giảm đi cùng một lượng.

Ví dụ minh họa (lực tác dụng lên cuộn dây). Một cuộn dây hình chữ nhật PQRS có các cạnh PS và QR dài $8.0\ \text{cm}$ mang dòng điện $1.2\ \text{A}$ trong từ trường ngang có độ cảm ứng từ $0.30\ \text{T}$, với mặt phẳng cuộn dây song song với từ trường. Mô tả các lực tác dụng lên cuộn dây.

Các cạnh PS và QR vuông góc với từ trường, nên mỗi cạnh chịu $F = BIL = 0.30 \times 1.2 \times 0.080 = 2.9 \times 10^{-2}\ \text{N}$; dòng điện trong chúng chạy ngược chiều nhau, nên theo quy tắc tay trái Fleming, các lực bằng nhau và ngược chiều, một cái lên và một cái xuống. Các cạnh PQ và SR song song với từ trường và không chịu lực. Hai lực này tạo thành một cặp lực quay cuộn dây quanh trục của nó; khi cuộn dây quay, độ lớn của các lực không đổi nhưng khoảng cách vuông góc giữa chúng thu hẹp lại, do đó hiệu ứng quay giảm dần về zero khi mặt phẳng cuộn dây vuông góc với từ trường. Đây là nguyên lý hoạt động của động cơ điện và đồng hồ đo chuyển động cuộn dây.

Độ cảm ứng từ

Phương trình này cũng định nghĩa độ cảm ứng từ $B$:

Như vậy $B$ là lực đơn vị trên đơn vị dòng điện và đơn vị chiều dài tác dụng lên một dây dẫn vuông góc với từ trường. Đơn vị: tesla, $\text{T} = \text{N A}^{-1}\ \text{m}^{-1}$.

Các định nghĩa hai điểm. Độ cảm ứng từ là lực đơn vị trên đơn vị dòng điện và đơn vị chiều dài tác dụng lên một (dây dẫn thẳng) đặt vuông góc với từ trường. Cả "đơn vị dòng điện" và "đơn vị chiều dài" đều cần thiết, cũng như "vuông góc" (hoặc "perpendicular"): nếu thiếu điều kiện này thì định nghĩa sai, vì lực còn phụ thuộc vào góc. Tesla là độ cảm ứng từ tạo ra lực một newton tác dụng lên một mét dây dẫn mang dòng điện một ampere vuông góc với từ trường: $1\ \text{T} = 1\ \text{N A}^{-1}\ \text{m}^{-1}$.

Phương hướng — Quy tắc tay trái Fleming

Sử dụng tay trái (Quy tắc tay trái Fleming): ngón trỏ = Field (từ trường), ngón giữa = Current (dòng điện), ngón cái = lực (hướng đẩy). Giữ ba ngón này vuông góc với nhau.

Điện tích $Q$ di chuyển với vận tốc $v$ trong từ trường sẽ chịu

với $\theta$ là góc giữa $v$ và $B$. Áp dụng cùng quy tắc tay trái (ngón giữa chỉ hướng chuyển động của điện tích dương — đảo ngược cho điện tích âm). Lực đạt cực đại khi $v$ vuông góc với $B$, và bằng không khi $v$ song song với $B$.

Hai trường hợp không có lực. Một hạt mang điện trong từ trường không chịu lực khi nó đứng yên (không có $v$) hoặc khi nó di chuyển song song hoặc ngược chiều với từ trường ($\sin\theta = 0$). So sánh với điện trường, vốn đẩy điện tích đứng yên với độ lớn tương tự: sự khác biệt này chính là điểm mấu chốt của bộ chọn vận tốc ở dưới đây.

Chuyển động tròn trong từ trường đồng nhất

Một điện tích chuyển động vuông góc với một từ trường đều chịu một lực vuông góc với cả $v$ và $B$. Lực này không thực hiện công (luôn vuông góc với chuyển động), nên động năng và tốc độ không đổi — hạt chuyển động theo đường tròn. Đẳng thức lực từ với lực hướng tâm:

Ví dụ có lời giải. Một proton (khối lượng $1.7 \times 10^{-27}\ \text{kg}$, điện tích $1.6 \times 10^{-19}\ \text{C}$) chuyển động ở $2.0 \times 10^{6}\ \text{m s}^{-1}$ vuông góc với một $0.50\ \text{T}$ từ trường. Tìm bán kính quỹ đạo tròn của nó.

Như vậy bán径 phụ thuộc vào động lượng $mv$. Chu kỳ là

không phụ thuộc vào tốc độ — một hạt nhanh hơn sẽ đi trên đường tròn lớn hơn nhưng mất cùng thời gian cho mỗi vòng quay. Nếu $v$ cũng có thành phần dọc theo $B$, thành phần đó không thay đổi, và quỹ đạo là một xoắn ốc.

"Giải thích tại sao quỹ đạo là hình tròn." Lực từ luôn vuông góc với vận tốc, do đó nó làm thay đổi hướng chuyển động mà không làm thay đổi tốc độ, và độ lớn $BQv$ là không đổi vì $B$, $Q$ và $v$ là không đổi. Một lực có độ lớn không đổi và luôn vuông góc với vận tốc chính xác là lực hướng tâm, nên quỹ đạo là đường tròn. Trình bày cả ba ý: vuông góc, độ lớn không đổi, tốc độ không đổi.

Ví dụ có lời giải. Các electron chuyển động ở $1.7 \times 10^{7}\ \text{m s}^{-1}$ đi vào một từ trường đều có mật độ từ thông $4.8\ \text{mT}$ vuông góc với nó. Tìm bán kính quỹ đạo của chúng. Sau đó, các electron được thay thế bằng positron (cùng khối lượng, điện tích $+e$) di chuyển ở $3.4 \times 10^{7}\ \text{m s}^{-1}$ dọc theo cùng đường ban đầu: mô tả sự thay đổi của quỹ đạo.

Các positron bị lệch theo hướng ngược lại (điện tích dương, vì quy tắc Fleming với ngón tay thứ hai chỉ theo chiều chuyển động sẽ cho lực ngược hướng), và vì $r \propto v$, bán kính của chúng gấp đôi, $4.0\ \text{cm}$. Chu kỳ của chúng giống nhau ($T = 2\pi m/BQ$ không chứa $v$): chúng đi quanh một đường tròn lớn hơn với tốc độ gấp đôi.

Hiệu ứng Hall

Một tấm dẫn điện mang dòng điện $I$, trong từ trường $B$ vuông góc với dòng điện, phát triển một hiệu điện thế giữa hai mặt của nó — hiệu điện thế Hall $V_{\text{H}}$ (hiệu ứng Hall).

Các điện tích chuyển động cảm nhận lực từ $BQv_{\text{d}}$ ($v_{\text{d}}$ là vận tốc trôi), nên chúng tích tụ ở một mặt, tạo ra một từ trường điện $E$ chống lại sự tích tụ thêm. Ở trạng thái ổn định $eE = Bev_{\text{d}}$, do đó $E = B v_{\text{d}}$. Với $V_{\text{H}} = E w$ và $I = n e v_{\text{d}} w t$:

trong đó $q$ là điện tích hạt tải. Đầu dò Hall sử dụng điều này để đo $B$: truyền một dòng điện đã biết qua một miếng bán dẫn mỏng và đọc $V_{\text{H}}$ (lớn nhất khi miếng bán dẫn vuông góc với $B$).

Suy ra $V_{\text{H}} = BI/(ntq)$ (đề thi yêu cầu làm đầy đủ). Lấy một lát cắt có độ rộng $d$, nơi xuất hiện điện áp Hall, và độ dày $t$ dọc theo $B$, do đó dòng điện đi qua tiết diện $A = dt$. (1) Ở trạng thái ổn định, lực điện tác dụng lên hạt tải cân bằng với lực từ: $qE = Bqv$, suy ra $E = Bv$. (2) Trường Hall là đồng đều trên toàn bộ chiều rộng, nên $V_{\text{H}} = Ed = Bvd$. (3) Dòng điện là $I = nAvq = n\,dt\,vq$, nên $v = I/(n\,dt\,q)$. Thay số: $V_{\text{H}} = Bd \cdot I/(n\,dt\,q) = BI/(ntq)$. Hai điểm cần lưu ý: điện áp xuất hiện trên các mặt vuông góc với lực từ, không phải trên hai đầu nơi dòng điện đi vào; và nó lớn hơn đối với bán dẫn, mà mật độ hạt $n$ nhỏ hơn hàng triệu lần so với kim loại, đó là lý do tại sao các đầu dò sử dụng miếng bán dẫn.

Sử dụng đầu dò Hall. Giá trị đo được tỷ lệ thuận với $B$ nhưng cũng phụ thuộc vào hướng: đạt giá trị cực đại khi mặt phẳng của miếng cắt vuông góc với từ trường và bằng không khi từ trường nằm trong mặt phẳng của miếng cắt. Vì vậy (1) xoay đầu dò cho đến khi giá trị đo lớn nhất, và (2) hiệu chuẩn nó trong một từ trường đã biết, vì $V_{\text{H}} \propto B$ ở dòng điện cố định.

Ví dụ có lời giải. Một magnetometer Hall cho giá trị đo tối đa là $24\ \text{mV}$ trong từ trường đều có $32\ \text{mT}$. Trong từ trường thứ hai, với magnetometer lại được xoay để đạt giá trị tối đa, giá trị đo là $15\ \text{mV}$. Tìm mật độ từ thông thứ hai.

$V_{\text{H}} \propto B$ (cùng magnetometer, cùng dòng điện): $B = 32 \times 15/24 = 20\ \text{mT}$. Nếu magnetometer để nguyên ở một góc khác, giá trị đo sẽ nhỏ hơn và $B$ sẽ bị đánh giá thấp, đây là lý do "xay để đạt giá trị tối đa" là một phần của phương pháp.

Bộ chọn vận tốc

Một bộ chọn vận tốc sử dụng các điện trường và từ trường vuông góc để chỉ cho phép một tốc độ đi qua. Với lực điện $qE$ và lực từ $qvB$ được thiết lập để opposing lẫn nhau, lực tổng hợp bằng không chỉ khi

Các hạt có tốc độ $E/B$ sẽ đi thẳng qua; những hạt nhanh hơn hoặc chậm hơn sẽ bị lệch.

Suy diễn và giải thích bộ chọn. Lực từ tác dụng lên ion dương di chuyển qua các trường giao nhau là $BQv$, vuông góc với chuyển động của nó; điện trường được áp đặt sao cho lực điện $QE$ có hướng ngược (các bản phải sắp xếp để trường chỉ ngược với lực từ). Để ion đi thẳng qua, $QE = BQv$, do đó $v = E/B$, không phụ thuộc vào điện tích và khối lượng. Ion nhanh hơn có lực từ lớn hơn và lệch về phía lực từ; ion chậm hơn bị đẩy theo hướng ngược lại bởi lực điện không đổi. Khi được hỏi "giải thích làm thế nào điện trường có thể khiến hạt đạt đến Z", hãy nêu rõ hướng của lực điện, rằng nó phải bằng độ lớn lực từ, và đưa ra $E = Bv$. Đây là lựa chọn vận tốc.

Hai dây dẫn dài song song mỗi cái đều nằm trong từ trường của cái kia. Sử dụng quy tắc tay trái Fleming: dòng điện song song (cùng chiều) hút nhau; dòng điện ngược chiều (ngược chiều) đẩy nhau. Đây là cơ sở cho định nghĩa SI của ampe.

Giải thích lực (một câu hỏi tiêu chuẩn ba điểm). (1) Dòng điện trong P tạo ra từ trường xung quanh nó (các vòng tròn tâm tại P). (2) Tại Q, từ trường này vuông góc với dòng điện trong Q, do đó Q, một vật dẫn mang dòng điện trong từ trường, chịu một lực $BIL$. (3) Quy tắc tay trái Fleming xác định hướng của nó: hướng về phía P nếu dòng điện cùng chiều, hướng ra xa nếu dòng điện ngược chiều. Theo định luật III Newton, lực tác dụng lên P bằng nhau và ngược chiều, nên cả hai dây dẫn đều hút (hoặc đều đẩy) với cùng một độ lớn. Gấp đôi dòng điện trong một dây sẽ gấp đôi lực tác dụng lên cả hai: lực trên Q tăng vì $I_{\text{Q}}$ đã gấp đôi, lực trên P tăng vì từ trường mà nó đang đứng trong cũng đã gấp đôi.

Từ thông

Thông từ $\Phi$ qua một diện tích phẳng $A$ vuông góc với $B$ là

Nếu pháp tuyến của diện tích tạo góc $\theta$ với $B$, hãy dùng $\Phi = B A \cos\theta$. Đơn vị: weber, $\text{Wb} = \text{T m}^{2}$. Đối với một cuộn dây gồm $N$ vòng, thông liên kết là $N\Phi = N B A$.

Các định nghĩa hai điểm. Từ thông là tích của mật độ từ thông và diện tích (của mạch) vuông góc với từ trường. Liên kết từ thông là tích của từ thông và số vòng của cuộn dây, $N\Phi$, tính bằng weber-vòng. Hãy nói "vuông góc" (hoặc "pháp tuyến với từ trường"): $\Phi = BA$ chỉ đúng đối với thành phần diện tích vuông góc với $B$.

Ví dụ minh họa. Một cuộn dây nhỏ gồm 64 vòng và diện tích tiết ngang $0.71\ \text{cm}^{2}$ được đặt bên trong một cuộn dây solenoid dài, trên trục của nó, nơi mật độ từ thông là $2.5\ \text{mT}$. Tìm liên kết từ thông của cuộn dây.

Từ thông xuyên qua cuộn dây sử dụng diện tích chính nó của cuộn dây, không phải của solenoid: $\Phi = BA = (2.5 \times 10^{-3})(0.71 \times 10^{-4}) = 1.8 \times 10^{-7}\ \text{Wb}$, do đó liên kết từ thông là $N\Phi = 64 \times 1.8 \times 10^{-7} = 1.1 \times 10^{-5}\ \text{Wb}$. Khi dòng điện trong solenoid thay đổi, suất điện động cảm ứng sinh ra trong cuộn dây nhỏ chính là tốc độ biến thiên của liên kết từ thông này.

Định luật Faraday và Lenz

Khi liên kết từ thông qua một mạch thay đổi, một suất điện động (sđđ) được cảm ứng — đây là cảm ứng điện từ.

Định luật Faraday: sđđ cảm ứng bằng tốc độ biến thiên của liên kết từ thông:

Ví dụ minh họa. Một cuộn dây gồm $200$ vòng và diện tích $0.010\ \text{m}^{2}$ đặt sao cho mặt phẳng của nó vuông góc với một từ trường $0.50\ \text{T}$. Từ trường giảm đều đến không trong thời gian $0.20\ \text{s}$. Tìm sđđ cảm ứng trung bình.

Liên kết từ thông thay đổi từ $N\Phi = NBA = 200 \times 0.50 \times 0.010 = 1.0\ \text{Wb}$ đến không, do đó

Định luật Lenz: sđđ cảm ứng tác dụng để chống lại sự thay đổi gây ra nó. Đây là bảo toàn năng lượng — nếu nó gia tăng sự thay đổi, năng lượng sẽ xuất phát từ đâu đó. Kết hợp lại:

Những yếu tố nào làm thay đổi từ thông?

• thay đổi $B$ (di chuyển nam châm gần cuộn dây),
• thay đổi diện tích $A$ (một thanh trượt dọc theo ray),
• thay đổi hướng (cuộn dây quay trong từ trường — máy phát điện xoay chiều, chủ đề tiếp theo).

Đọc sđđ từ đồ thị từ thông. Sđđ cảm ứng là hệ số góc của đồ thị liên kết từ thông (với dấu trừ cho Lenz). Từ thông tăng đều cho sđđ không đổi; từ thông không đổi cho sđđ bằng không dù từ thông có lớn đến mấy; sự giảm nhanh hơn cho sđđ lớn hơn cùng dấu ngược lại. "Vẽ sơ đồ sự biến thiên theo thời gian của sđđ" được trả lời bằng cách đạo hàm đồ thị từ thông bằng mắt, từng phần.

Ví dụ minh họa. Cuộn dây 64 vòng ở trên đặt trong một solenoid có mật độ từ thông tăng đều từ $0$ đến $2.5\ \text{mT}$ trong thời gian $40\ \text{ms}$ và sau đó được giữ ổn định. Tìm sđđ cảm ứng trong cuộn dây trong giai đoạn tăng, và sau đó.

Trong quá trình tăng, từ thông liên hợp tăng đều đến $1.1 \times 10^{-5}\ \text{Wb}$: $\varepsilon = \Delta(N\Phi)/\Delta t = 1.1 \times 10^{-5}/0.040 = 2.8 \times 10^{-4}\ \text{V}$ ($0.28\ \text{mV}$), không đổi trong suốt thời gian tăng. Sau đó, từ thông liên hợp không đổi, nên suất điện động cảm ứng bằng không, mặc dù cuộn dây vẫn nằm trong từ trường mạnh; chính sự biến thiên mới tạo ra cảm ứng.

Ví dụ minh họa (cắt từ thông). Một máy bay có sải cánh là $60\ \text{m}$ đang bay ngang ở $250\ \text{m s}^{-1}$, nơi thành phần dọc của từ trường Trái Đất là $45\ \mu\text{T}$. Tìm suất điện động giữa hai đầu cánh.

Trong khoảng thời gian $\Delta t$, cánh quét qua một diện tích $L v \Delta t$, cắt từ thông $B L v \Delta t$, do đó $\varepsilon = BLv = (45 \times 10^{-6})(60)(250) = 0.68\ \text{V}$. Chỉ có thành phần của $B$ vuông góc với diện tích quét được tính (ở đây là thành phần dọc). Có hiệu điện thế giữa hai đầu cánh nhưng không có dòng điện, vì chưa có mạch kín; quy tắc Fleming chỉ ra đầu nào mang điện thế dương.

Các thí nghiệm minh họa

• Đưa nam châm thanh vào cuộn dây sẽ làm kim galvanometer lệch; độ lệch đảo chiều khi kéo nam châm ra (định luật Lenz), và lớn hơn nếu chuyển động nhanh hơn (định luật Faraday).

• Một đĩa đồng dao động đi vào từ trường bị giảm tốc nhanh — dòng điện Foucault được sinh ra để cản trở chuyển động.

Phanh điện từ, giải thích bằng định luật Lenz. Một đĩa nhôm của xe quay giữa hai cực của nam châm điện. Đĩa cắt các đường sức từ, nên xuất hiện suất điện động cảm ứng trong đĩa; đĩa là vật dẫn điện, nên dòng điện Foucault chạy; theo định luật Lenz, các dòng này tạo ra lực cản trở chuyển động của đĩa, làm chậm xe. Động năng chuyển hóa thành nhiệt năng trong đĩa. Phanh mạnh hơn ở tốc độ cao (tốc độ cắt từ thông lớn hơn, dẫn đến dòng điện lớn hơn) và yếu dần khi xe giảm tốc; phanh không thể giữ xe đứng yên, vì không có chuyển động thì không có dòng cảm ứng.

Nam châm dao động trong cuộn dây. Một nam châm thanh gắn trên lò xo dao động ra vào một cuộn dây nối với điện trở. Từ thông liên hợp biến thiên sinh ra suất điện động cảm ứng; khi mạch kín, dòng điện chạy và, theo định luật Lenz, từ trường của cuộn dây cản trở chuyển động của nam châm, nên dao động bị giảm xóc: năng lượng thoát khỏi dao động dưới dạng nhiệt ở điện trở và biên độ suy giảm. Mở công tắc thì suất điện động cảm ứng vẫn xuất hiện nhưng không có dòng điện, nên cuộn dây không còn cản trở chuyển động nữa.

Những yếu tố làm tăng suất điện động cảm ứng

Từ $\varepsilon = N\,d\Phi/dt$ với $\Phi = BA$: nhiều vòng $N$, từ trường mạnh hơn $B$, diện tích lớn hơn $A$, hoặc tốc độ biến thiên nhanh — mỗi yếu tố đều làm tăng suất điện động cảm ứng.

Xác định hướng bằng định luật Lenz. Đẩy cực N của nam châm tiến về phía cuộn dây, dòng cảm ứng khiến mặt gần của cuộn dây trở thành cực Bắc, để đẩy nam châm lại; kéo nó ra xa thì mặt gần trở thành cực Nam, để hút nó lại. Trong mỗi trường hợp, người di chuyển nam châm phải thực hiện công chống lại lực đó, và công này chính là nguồn gốc của năng lượng điện: định luật Lenz là biểu hiện ẩn giấu của định luật bảo toàn năng lượng. Hai câu cần học: suất điện động cảm ứng có chiều sao cho tạo ra những hiệu ứng cản trở sự biến thiên sinh ra nó (Lenz), và suất điện động cảm ứng tỷ lệ thuận với tốc độ biến thiên của từ thông liên hợp (Faraday).

Câu hỏi định nghĩa được chấm dựa trên văn phong cố định. Hãy học thuộc những định nghĩa này và chỉ đưa ra một đáp án duy nhất.

• Lực tác dụng lên dòng điện $F = BIL\sin\theta$; lên điện tích chuyển động $F = BQv\sin\theta$; xác định hướng bằng quy tắc bàn tay trái Fleming với ngón thứ hai chỉ theo chiều dòng điện thông thường (đảo ngược cho electron).
• Điện tích chuyển động vuông góc với $B$ sẽ chuyển động theo quỹ đạo tròn: $BQv = mv^{2}/r$, do đó $r = mv/(BQ)$ và $T = 2\pi m/(BQ)$, không phụ thuộc vào vận tốc. Thành phần của $v$ dọc theo $B$ không thay đổi: quỹ đạo hình trụ xoắn (helix).
• Trường kết hợp: $v = E/B$ truyền thẳng không bị lệch. Đầu dò Hall: $V_{\text{H}} = BI/(ntq)$, lớn nhất khi lát cắt vuông góc với $B$; bán dẫn vì $n$ nhỏ.
• Cảm ứng: suất điện động $=$ tốc độ biến thiên của từ thông liên hợp $N\Phi$ (Faraday); chiều của nó cản trở sự biến thiên (Lenz). Trên đồ thị từ thông - thời gian, suất điện động chính là hệ số góc: biến thiên không đổi sinh suất điện động không đổi, không biến thiên sinh bằng không.
• Cắt từ thông: $\varepsilon = BLv$ đối với vật dẫn dài $L$ di chuyển với vận tốc $v$ vuông góc với $B$ (diện tích quét được mỗi giây nhân với $B$).
• Các định nghĩa chứa các cụm từ "trên mỗi đơn vị dòng điện, mỗi đơn vị chiều dài", "vuông góc", "diện tích vuông góc với từ trường" và "tốc độ biến thiên của từ thông liên hợp": mỗi cụm từ là một điểm chấm.

Lỗi thường gặp

• Bỏ cụm từ "vuông góc với từ trường" trong định nghĩa mật độ từ thông, hoặc định nghĩa tesla mà không nêu rõ 1 N, 1 m, 1 A.
• Dùng tay phải để xác định lực tác dụng lên dòng điện (quy tắc bàn tay trái), hoặc chỉ ngón thứ hai theo chiều chuyển động của electron thay vì chiều dòng điện thông thường.
• Nói rằng một điện tích đứng yên chịu lực từ, hoặc rằng một điện tích chuyển động dọc theo các đường sức từ.
• Giải thích chuyển động tròn mà không nói lực vuông góc với vận tốc và có độ lớn không đổi; hoặc cho rằng lực từ làm thay đổi tốc độ của điện tích.
• Sử dụng diện tích của cuộn ống dây thay vì diện tích của cuộn nhỏ khi tính thông liên kết.
• Nói "thông lượng lớn sinh ra suất điện động": chỉ có thông lượng biến thiên mới sinh ra suất điện động. Một cuộn dây đặt tĩnh trong từ trường đều sẽ không có suất điện động.
• Trích dẫn định luật Lenz là "dòng điện chống lại nam châm" mà thiếu "sự thay đổi gây ra nó", hoặc định luật Faraday mà thiếu "tốc độ biến thiên" hoặc thiếu "thông liên kết".
• Vẽ các đường sức từ của dây thẳng thành các vòng tròn cách đều nhau hoặc không có mũi tên; vẽ các đường sức từ của cuộn ống dây cắt nhau bên trong lòng cuộn.
• Quên rằng nếu tăng đôi dòng điện trong một trong hai dây song song thì lực tác dụng lên cả hai dây cũng tăng đôi (định luật III Newton).