40 câu Vật Lý Lớp 12 – Chương III. Từ trường

Giải thích: Từ trường là dạng vật chất đặc biệt tồn tại xung quanh nam châm và các dòng điện. Đặc trưng cơ bản của từ trường là tác dụng lực từ lên các nam châm hoặc các dòng điện đặt trong nó. Các điện tích đứng yên chỉ tạo ra điện trường, không tạo ra từ trường.

Giải thích: Độ lớn của lực từ tác dụng lên một đoạn dây dẫn mang dòng điện đặt trong từ trường đều được xác định bằng công thức F = B.I.L.sinα, trong đó B là cảm ứng từ, I là cường độ dòng điện, L là chiều dài đoạn dây và α là góc hợp bởi chiều dòng điện với vectơ cảm ứng từ. Do đó, lực từ phụ thuộc vào tất cả các yếu tố này.

Giải thích: Lực từ tác dụng lên một đoạn dây dẫn có chiều dài L của dòng điện I₁ đặt cách dòng điện I₂ một khoảng r được tính bằng công thức: F = 2.10^-7.^I₁.I₂/_r.L.
Trong đó:
I₁ = 2 A, I₂ = 4 A
r = 10 cm = 0,1 m
L = 1 m
Thay số vào công thức: F = 2.10^-7.^(2.4)/_0,1.1 = 2.10^-7.⁸/_0,1 = 2.10^-7.80 = 160.10^-7 N = 1,6.10^-5 N.

Giải thích: Trong hệ SI, đơn vị của cảm ứng từ là Tesla (T). Vêbe (Wb) là đơn vị của từ thông, Ampe (A) là đơn vị của cường độ dòng điện, và Niutơn (N) là đơn vị của lực.

Giải thích: Công thức tính độ lớn lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn mang dòng điện trong từ trường đều là F = B.I.L.sinα.
Trong đó:
F = 0,2 N
I = 5 A
L = 20 cm = 0,2 m
Dây dẫn đặt vuông góc với các đường sức từ nên α = 90°, suy ra sinα = sin(90°) = 1.
Từ đó, ta có F = B.I.L.
Suy ra B = ^F/_(I.L) = ^0,2/_(5.0,2) = ^0,2/₁ = 0,2 T.

Giải thích: Đường sức từ có các tính chất cơ bản sau: 1. Chúng là những đường cong khép kín hoặc vô hạn ở hai đầu. 2. Chiều của đường sức từ tại một điểm là chiều của cực Bắc kim nam châm thử đặt tại điểm đó. 3. Nơi nào đường sức từ dày thì cảm ứng từ lớn, nơi nào đường sức từ thưa thì cảm ứng từ nhỏ. 4. Các đường sức từ không bao giờ cắt nhau. Do đó, phát biểu D là sai.

Giải thích: Độ lớn cảm ứng từ tại một điểm cách dây dẫn thẳng dài vô hạn một khoảng r được tính bằng công thức: B = (2 × 10^-7 × I) / r Trong đó: I = 3 A r = 5 cm = 0,05 m Thay số vào công thức ta được: B = (2 × 10^-7 × 3) / 0,05 = (6 × 10^-7) / 0,05 = 1,2 × 10^-5 T

Giải thích: Để xác định chiều của cảm ứng từ B, ta áp dụng quy tắc bàn tay trái: - Đặt bàn tay trái sao cho các đường sức từ xuyên vào lòng bàn tay. - Chiều từ cổ tay đến ngón tay giữa chỉ chiều dòng điện (I). - Ngón cái choãi ra 90° chỉ chiều của lực từ (F). Trong trường hợp này: - Chiều dòng điện (I) từ A đến B (từ trái sang phải). - Chiều lực từ (F) hướng thẳng đứng lên trên. Nếu đặt bàn tay trái sao cho ngón cái hướng lên trên (lực F) và các ngón tay hướng sang phải (dòng điện I), thì lòng bàn tay phải hướng ra ngoài mặt phẳng hình vẽ để các đường sức từ xuyên vào. Vậy, chiều của cảm ứng từ B phải là hướng ra ngoài mặt phẳng hình vẽ.

Giải thích: Độ lớn lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn mang dòng điện đặt trong từ trường đều được tính bằng công thức: F = B × I × l × sinα Trong đó: B = 0,5 T (cảm ứng từ) I = 4 A (cường độ dòng điện) l = 15 cm = 0,15 m (chiều dài đoạn dây) α = 30° (góc hợp bởi chiều dòng điện và cảm ứng từ) Thay số vào công thức ta được: F = 0,5 × 4 × 0,15 × sin30° F = 0,5 × 4 × 0,15 × 0,5 F = 0,15 N

Giải thích: Quy tắc nắm tay phải để xác định chiều đường sức từ trong lòng ống dây (hoặc cuộn dây tròn) được phát biểu như sau: Khum bàn tay phải sao cho các ngón tay chỉ chiều dòng điện chạy trong các vòng dây của ống dây (hoặc cuộn dây tròn), thì ngón cái choãi ra chỉ chiều của đường sức từ trong lòng ống dây (tức là chiều của cực Bắc của ống dây).

Giải thích: Cảm ứng từ là một đại lượng vectơ đặc trưng cho từ trường về phương diện tác dụng lực từ. Độ lớn của nó được định nghĩa là tỉ số giữa độ lớn lực từ tác dụng lên một đoạn dây dẫn rất nhỏ đặt vuông góc với đường sức từ và tích của cường độ dòng điện với chiều dài đoạn dây đó. Công thức F = B.I.l.sinα, khi α = 90° (vuông góc), sinα = 1, nên F = B.I.l. Từ đó suy ra B = F / (I.l).

Giải thích: Định nghĩa từ thông (Φ) qua một diện tích S đặt trong từ trường đều B là Φ = B.S.cosα, trong đó α là góc hợp bởi vectơ cảm ứng từ B và vectơ pháp tuyến n của mặt phẳng diện tích S. Các đáp án khác định nghĩa các đại lượng khác.

Giải thích: Độ lớn lực từ tác dụng lên một đoạn dây dẫn mang dòng điện được tính bằng công thức F = B.I.l.sinα, trong đó α là góc hợp bởi chiều dòng điện và vectơ cảm ứng từ.
Cạnh AB của khung dây có chiều dài l = 15 cm = 0,15 m.
Dòng điện I = 3 A.
Cảm ứng từ B = 0,5 T.
Mặt phẳng khung song song với các đường sức từ. Điều này có nghĩa là các cạnh AB và CD (có dòng điện chạy qua) sẽ vuông góc với các đường sức từ (nếu dòng điện chạy dọc theo cạnh).
Nếu dòng điện I chạy từ A đến B (hoặc B đến A), và mặt phẳng khung song song với B, thì vectơ dòng điện I (hướng theo chiều dài dây) sẽ vuông góc với vectơ cảm ứng từ B. Do đó, góc α = 90° và sinα = 1.
Lực từ tác dụng lên cạnh AB là F_AB = B.I.l_AB.sin90° = 0,5 × 3 × 0,15 × 1 = 0,225 N.

Giải thích: Suất điện động cảm ứng xuất hiện trong cuộn dây được tính theo công thức Faraday: E_c = -N × (ΔΦ / Δt).
Độ lớn suất điện động cảm ứng là |E_c| = N × |ΔΦ / Δt|.
Từ thông qua mỗi vòng dây là Φ = B.S.cosα.
Vì mặt phẳng các vòng dây vuông góc với cảm ứng từ, nên vectơ pháp tuyến n song song với B. Do đó, góc α = 0° và cosα = 1.
Diện tích mỗi vòng S = 25 cm² = 25 × 10^-4 m².
Số vòng dây N = 100.
Cảm ứng từ biến thiên: ΔB = B_cuối - B_đầu = 0,2 T - 0,8 T = -0,6 T.
Thời gian biến thiên Δt = 0,1 s.
Độ biến thiên từ thông qua một vòng dây: ΔΦ = ΔB × S × cos0° = ΔB × S = (-0,6) × (25 × 10^-4) = -1,5 × 10^-3 Wb.
Độ lớn suất điện động cảm ứng: |E_c| = N × |ΔΦ / Δt| = 100 × |-1,5 × 10^-3 / 0,1| = 100 × (1,5 × 10^-2) = 1,5 V.

Giải thích: Định luật Lenz phát biểu rằng dòng điện cảm ứng có chiều sao cho từ trường mà nó sinh ra chống lại sự biến thiên của từ thông đã sinh ra nó. Định luật này dùng để xác định chiều của dòng điện cảm ứng. Quy tắc bàn tay trái dùng để xác định chiều lực từ, quy tắc nắm tay phải dùng để xác định chiều đường sức từ của dòng điện, còn định luật Faraday dùng để tính độ lớn suất điện động cảm ứng.

Giải thích: Suất điện động cảm ứng chỉ xuất hiện trong mạch kín khi từ thông xuyên qua mạch kín đó biến thiên theo thời gian. Sự biến thiên này có thể do cảm ứng từ B thay đổi, diện tích S của mạch thay đổi, hoặc góc hợp bởi vectơ cảm ứng từ và vectơ pháp tuyến của mặt phẳng mạch thay đổi.

Giải thích: Diện tích một vòng dây là S = (0,1 m)² = 0,01 m².
Góc hợp bởi mặt phẳng khung dây và vectơ cảm ứng từ là 30°, nên góc hợp bởi vectơ pháp tuyến của mặt phẳng khung dây và vectơ cảm ứng từ là α = 90° - 30° = 60°.
Từ thông xuyên qua khung dây được tính bằng công thức: Φ = N.B.S.cosα
Thay số: Φ = 50 × 0,2 × 0,01 × cos(60°) = 50 × 0,2 × 0,01 × 0,5 = 0,05 Wb.

Giải thích: A. Máy phát điện xoay chiều hoạt động dựa trên nguyên tắc cảm ứng điện từ (khung dây quay trong từ trường hoặc từ trường quay qua khung dây).
B. Biến áp (máy biến thế) hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ giữa hai cuộn dây (cảm ứng lẫn nhau).
C. Phanh điện từ sử dụng dòng điện Foucault (dòng điện cảm ứng) để tạo lực hãm.
D. Pin quang điện (tấm pin mặt trời) hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện trong chất bán dẫn, chuyển đổi trực tiếp năng lượng ánh sáng thành điện năng, không phải hiện tượng cảm ứng điện từ.

Giải thích: Trong máy phát điện xoay chiều, bộ phận tạo ra từ trường được gọi là phần cảm. Phần cảm thường là nam châm vĩnh cửu hoặc cuộn dây điện từ (cuộn dây kích từ) được cấp điện một chiều để tạo ra từ trường.

Giải thích: Tốc độ quay của rôto là n = 1500 vòng/phút = 1500/60 vòng/giây = 25 vòng/giây.
Số cặp cực của nam châm là p = 4.
Tần số của suất điện động xoay chiều mà máy phát tạo ra được tính bằng công thức: f = n.p
Thay số: f = 25 × 4 = 100 Hz.

Giải thích: Vành trượt và chổi than là bộ phận tiếp xúc điện, có nhiệm vụ dẫn dòng điện từ cuộn dây của phần ứng (nếu phần ứng quay) ra mạch ngoài hoặc cung cấp dòng điện cho cuộn dây phần cảm (nếu phần cảm quay).

Giải thích: Suất điện động cực đại E₀ của máy phát điện xoay chiều được tính bằng công thức E₀ = N.B.S.ω, trong đó N là số vòng dây, B là cảm ứng từ, S là diện tích mỗi vòng dây, và ω là tốc độ góc của rôto. Đổi đơn vị: S = 25 cm² = 25 × 10^-4 m² = 0,0025 m². Tốc độ quay n = 1800 vòng/phút = 1800/60 vòng/giây = 30 vòng/giây. Tốc độ góc ω = 2πn = 2π × 30 = 60π rad/s. Thay số vào công thức: E₀ = 100 × 0,2 × 0,0025 × 60π E₀ = 3π V. Sử dụng giá trị π ≈ 3,14159: E₀ ≈ 3 × 3,14159 ≈ 9,42477 V. Làm tròn đến 2 chữ số thập phân, ta được E₀ ≈ 9,42 V.

Giải thích: Máy phát điện xoay chiều hoạt động dựa trên nguyên tắc hiện tượng cảm ứng điện từ. Khi một cuộn dây quay trong từ trường hoặc một nam châm quay quanh cuộn dây, từ thông qua cuộn dây biến thiên, làm xuất hiện suất điện động cảm ứng và dòng điện xoay chiều trong cuộn dây.

Giải thích: Bếp từ hoạt động bằng cách tạo ra một từ trường biến thiên nhờ dòng điện xoay chiều tần số cao chạy qua cuộn dây. Từ trường này cảm ứng dòng điện Foucault (dòng điện xoáy) trong đáy nồi (vật liệu nhiễm từ), làm nóng đáy nồi do hiệu ứng Joule. Các thiết bị khác như lò vi sóng dùng sóng vi ba, bếp hồng ngoại dùng bức xạ nhiệt, và bếp điện trở dùng nhiệt từ điện trở để làm nóng.

Giải thích: Một ứng dụng tiêu biểu là phanh điện từ (thường được sử dụng trong tàu hỏa, xe điện, hoặc các thiết bị nâng hạ công nghiệp). Khi cần phanh, một dòng điện được đưa vào cuộn dây điện từ để tạo ra một từ trường mạnh. Từ trường này xuyên qua một đĩa hoặc bánh xe kim loại đang quay. Do sự biến thiên của từ thông qua phần kim loại này, các dòng điện Foucault (dòng điện cảm ứng) được sinh ra trong kim loại. Theo định luật Lenz, các dòng điện Foucault này tạo ra một từ trường chống lại sự thay đổi ban đầu, tức là tạo ra một lực cản làm chậm chuyển động của bánh xe, giúp phanh xe mà không cần ma sát cơ học trực tiếp.

Giải thích: Suất điện động cảm ứng e = -ΔΦ/Δt. Giá trị suất điện động cảm ứng đạt cực đại khi tốc độ biến thiên của từ thông là lớn nhất. Điều này xảy ra khi từ thông qua cuộn dây bằng 0, tức là mặt phẳng cuộn dây song song với các đường sức từ (vectơ cảm ứng từ song song với mặt phẳng cuộn dây hoặc pháp tuyến của mặt phẳng cuộn dây vuông góc với vectơ cảm ứng từ).

Giải thích: Số cặp cực của nam châm điện là p = 6. Tốc độ quay của rôto n = 600 vòng/phút = 600/60 vòng/giây = 10 vòng/giây. Tần số của suất điện động xoay chiều là f = p.n = 6 × 10 = 60 Hz. Tần số góc của suất điện động là ω = 2πf = 2π × 60 = 120π rad/s. Nếu lấy π ≈ 3,14 thì ω ≈ 120 × 3,14 = 376,8 rad/s.

Giải thích: Máy biến áp hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Dòng điện xoay chiều ở cuộn sơ cấp tạo ra một từ trường biến thiên trong lõi sắt. Từ trường biến thiên này tạo ra từ thông biến thiên qua cuộn thứ cấp, làm xuất hiện suất điện động cảm ứng xoay chiều ở cuộn thứ cấp. Tỉ số điện áp giữa hai cuộn dây tỉ lệ với tỉ số số vòng dây của chúng (U₁/U₂ = N₁/N₂).

Giải thích: Dòng điện Foucault (dòng điện xoáy) là các dòng điện cảm ứng xuất hiện trong các khối kim loại khi chúng được đặt trong từ trường biến thiên. Các dòng điện này gây ra hiện tượng tỏa nhiệt trên khối kim loại, làm hao phí năng lượng và có thể gây nóng quá mức cho thiết bị (ví dụ như trong máy biến áp, động cơ điện).
Để giảm thiểu tác hại này, người ta thường sử dụng các lõi thép kĩ thuật điện được cấu tạo từ nhiều lá thép mỏng ghép lại với nhau và cách điện với nhau. Việc này làm tăng điện trở của đường đi của dòng Foucault, từ đó giảm cường độ của chúng và hạn chế sự tỏa nhiệt.

Giải thích: Phần cảm của máy phát điện (nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện) tạo ra một từ trường (thường là từ trường không đổi về độ lớn đối với nam châm điện có dòng kích từ không đổi). Sự quay của rôto (chứa phần cảm hoặc phần ứng) trong từ trường đó mới làm cho từ thông qua cuộn dây phần ứng biến thiên, từ đó sinh ra suất điện động cảm ứng xoay chiều. Vì vậy, nói rằng 'Phần cảm của máy phát điện tạo ra từ trường biến thiên' là không chính xác; phần cảm tạo ra từ trường, và sự chuyển động tương đối mới gây ra biến thiên từ thông.

Giải thích: Sóng điện từ là sóng ngang, trong đó vectơ cường độ điện trường và vectơ cảm ứng từ dao động vuông góc với nhau và vuông góc với phương truyền sóng. Một đặc điểm quan trọng của sóng điện từ là nó có thể truyền được trong chân không, không cần môi trường vật chất.

Giải thích: Tần số của sóng điện từ là f = 98 MHz = 98 × 10⁶ Hz.
Tốc độ truyền sóng điện từ trong chân không (và gần đúng trong không khí) là c = 3 × 10⁸ m/s.
Bước sóng λ được tính bằng công thức: λ = c / f.
λ = (3 × 10⁸ m/s) / (98 × 10⁶ Hz) ≈ 3,0612 m.
Làm tròn đến 2 chữ số thập phân, ta được λ ≈ 3,06 m.

Giải thích: Động cơ điện xoay chiều hoạt động dựa trên nguyên tắc khi một khung dây dẫn có dòng điện đặt trong từ trường thì từ trường sẽ tác dụng lực từ (lực Lorentz) lên các cạnh của khung dây, tạo ra momen lực làm khung dây quay. Đây là sự chuyển hóa năng lượng điện thành cơ năng.

Giải thích: Trong sóng điện từ, vectơ cường độ điện trường E và vectơ cảm ứng từ B luôn dao động cùng pha, có phương vuông góc với nhau và cả hai đều vuông góc với phương truyền sóng. Sóng điện từ là sóng ngang.

Giải thích: Đối với máy biến áp lí tưởng, tỉ số điện áp hiệu dụng giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp bằng tỉ số số vòng dây của chúng:
U₁ / U₂ = N₁ / N₂
Từ đó, ta có: U₂ = U₁ × (N₂ / N₁)
Thay số vào: U₂ = 220 V × (300 / 1500) = 220 V × (1/5) = 44 V.

Giải thích: Lõi sắt từ trong máy biến áp có độ từ thẩm rất lớn, giúp tập trung hầu hết các đường sức từ do cuộn sơ cấp tạo ra đi qua cuộn thứ cấp. Điều này làm tăng từ thông biến thiên qua cuộn thứ cấp, đảm bảo hiệu quả truyền năng lượng và giảm sự rò rỉ từ thông ra môi trường xung quanh.

Giải thích: Theo lí thuyết Maxwell, sóng điện từ được hình thành khi có sự biến thiên của điện trường tạo ra từ trường và ngược lại. Điều này chỉ xảy ra khi các điện tích dao động hoặc chuyển động có gia tốc, tạo ra sự biến thiên của điện trường và từ trường lan truyền trong không gian dưới dạng sóng điện từ.

Giải thích: Hiệu suất của máy biến áp được định nghĩa là tỉ số giữa công suất ở cuộn thứ cấp (công suất có ích) và công suất ở cuộn sơ cấp (công suất cung cấp): H = P_{thứ cấp} / P_{sơ cấp} Từ đó, công suất cung cấp cho cuộn sơ cấp là: P_{sơ cấp} = P_{thứ cấp} / H = 810 W / 0.90 = 900 W.

Giải thích: Tốc độ truyền sóng điện từ trong một môi trường (v) liên hệ với tốc độ ánh sáng trong chân không (c) và chiết suất của môi trường (n) theo công thức: v = c / n Thay số: v = (3 × 10⁸ m/s) / 1,5 = 2 × 10⁸ m/s.

Giải thích: Máy dò kim loại hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Thiết bị này tạo ra một từ trường biến thiên. Khi một vật kim loại đi vào từ trường này, dòng điện Foucault (dòng điện xoáy cảm ứng) sẽ xuất hiện trong vật kim loại. Dòng điện Foucault này lại tạo ra một từ trường thứ cấp, làm thay đổi từ trường tổng thể mà máy dò có thể phát hiện, từ đó báo hiệu sự có mặt của kim loại.