Hiện tượng tự cảm, dòng điện Foucault (dòng xoáy) và hãm điện từ

Phương trình / Quy luật áp dụng: E = L·ΔI/Δt

Giải thích chuẩn SGK: Hai thí nghiệm biểu diễn trong SGK có cách mắc khác nhau: Hình 2.4-1 là hai bóng đèn lần lượt mắc nối tiếp với cuộn dây và biến trở rồi mắc song song với nhau, sau đó nối tiếp với R₁ ở mạch chính; Hình 2.4-3 là bóng đèn mắc song song với cuộn dây, trong mạch chỉ có công tắc và nguồn điện. Bài học này dựng cả hai sơ đồ, chuyển đổi toàn bộ bằng nút “Cách mắc”. Hiện tượng tự cảm: khi dòng điện qua chính cuộn dây biến thiên, từ trường biến thiên do nó sinh ra sẽ cảm ứng ra suất điện động ngay trong bản thân cuộn dây đó.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Nhận biết dụng cụ là năng lực đầu tiên của thí nghiệm bắt buộc (Yêu cầu cần đạt GDPT 2018 mục 2.2.3: “Thông qua thí nghiệm, tìm hiểu được hiện tượng tự cảm”); nêu được sự khác biệt về cách mắc giữa hai sơ đồ SGK.

Phương trình / Quy luật áp dụng: i_L(t) = I∞(1 − e^(−t/τ))

Giải thích chuẩn SGK: Suất điện động tự cảm cản trở (chứ không ngăn chặn hoàn toàn) sự tăng của dòng điện: dòng điện qua cuộn dây tăng dần từ 0 lên giá trị ổn định I∞ = 0.2500 A (τ = 0.0972 s, kiến thức mở rộng); nhánh A₂ không có cuộn dây nên đạt ngay tức khắc và ban đầu còn sáng vượt mức. Khi đã ổn định thì di/dt = 0, E_L = 0, cuộn dây chỉ còn điện trở một chiều 6.0 Ω — do đó “hai đèn sáng như nhau” tương đương với R = R_L, và “hai đèn sáng bình thường” tương đương với R₁ = 3.0 Ω.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Trọng tâm kiểm tra: Giải thích tại sao ngay khi đóng mạch A₁ sáng chậm còn A₂ sáng vọt lên trước (A7.8); phân biệt “cản trở” với “ngăn chặn” (A7.1); trình tự điều chỉnh biến trở (A7.7).

Phương trình / Quy luật áp dụng: i_đèn(0⁺) = −I_L0 = −U/R_L

Giải thích chuẩn SGK: Sau khi ngắt công tắc, bản thân cuộn dây trở thành một nguồn điện, dòng điện tiếp tục chạy theo mạch kín duy nhất còn thông là “Cuộn dây → Bóng đèn”: dòng điện qua bóng đèn nhảy từ +0.2500 A sang −0.5000 A (độ lớn bằng dòng điện qua cuộn dây lúc trước, chiều ngược lại); điện trở thuần của cuộn dây là 6.0 Ω nhỏ hơn điện trở bóng đèn 12.0 Ω, nên I_L0 > I_đèn0, làm bóng đèn sáng hơn lúc trước (SGK tr.43: “đôi khi còn sáng hơn cả trước khi ngắt công tắc”); toàn bộ năng lượng của đợt sáng này đều lấy từ năng lượng từ trường tích lũy trong cuộn dây.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Bẫy hay gặp trong đề thi: Khi đèn lóe sáng, chiều dòng điện qua bóng đèn chắc chắn bị đảo ngược (A7.3); bộ phận nào đóng vai trò nguồn điện sau khi ngắt công tắc (A7.5); câu hỏi thảo luận 1–4 SGK tr.41.

Phương trình / Quy luật áp dụng: i_đèn(t) = −I_L0·e^(−t/τ)

Giải thích chuẩn SGK: Đồng hồ đo điện kiểu kim chỉ không kịp phản ứng với quá trình cỡ 0.1 s, nhưng cảm biến kết nối máy tính thì ghi lại được (SGK tr.42); sự đảo dấu chứng tỏ không phải đèn chỉ “tối dần đi” mà dòng điện thực sự đã đổi chiều — đây chính là điều mục Thực hành số 2 ở SGK tr.42 muốn thể hiện khi dùng cảm biến đo dòng điện.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Trọng tâm kiểm tra: Đọc đồ thị I-t để xác định chiều dòng điện (Thực hành mục 2 SGK tr.42, A7.13).

Phương trình / Quy luật áp dụng: ρ = R_đèn / R_L

Giải thích chuẩn SGK: Tiêu chí ρ = I_L0/I_đèn0 = R_đèn/R_L: chỉ khi ρ > 1 đèn mới lóe sáng. So sánh R_L = 2.0 / 6.0 / 30.0 Ω với điện trở bóng đèn 12.0 Ω là biết ngay kết quả. Tăng điện áp nguồn không làm thay đổi tiêu chí này (vì hai nhánh mắc song song vào cùng một nguồn nên tỉ số dòng điện không phụ thuộc vào U). Độ tự cảm L chỉ quyết định “sáng kéo dài bao lâu”: hằng số thời gian τ khi ngắt mạch lần lượt là 0.0143 / 0.1111 / 0.0119 s (mở rộng).

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Trọng tâm kiểm tra: Sau khi ngắt mạch bóng đèn có nhất thiết lóe sáng không? (A7.2) Chỉ khi R_L < R_đèn đèn mới lóe sáng; L lớn chỉ quyết định thời gian duy trì dòng điện (A7.4).

Phương trình / Quy luật áp dụng: L′ = L(1 + δ_L)

Giải thích chuẩn SGK: Cần phân biệt hai vấn đề khác nhau: ① Giá trị danh định khác giá trị thực tế (dung sai linh kiện +13.14 %, không phải đo sai) → do đó độ tự cảm phải được xác định qua phép đo (đó là lý do SGK tr.42 dùng cảm biến đo đồ thị I-t); ② Sai số của bản thân phép đo chia làm hai loại: độ phân giải 0.01 A gây dao động làm tròn “±0.01 A”, chỉ đánh giá được mức độ chính xác chứ không có chiều lệch cố định; còn việc lấy mẫu rời rạc thì có chiều lệch xác định — ở tần số 1000 Hz, điểm lấy mẫu đầu tiên sau khi ngắt nằm ở 0.001 s nên giá trị đỉnh đọc được luôn bị lệch nhỏ hơn thực tế (cuộn B lệch 0.9 %, cuộn A lệch 6.8 %, cuộn C lệch 8.1 %; τ càng nhỏ thì độ lệch càng lớn). Việc cùng một hạt giống số ngẫu nhiên (seed) luôn cho cùng một bộ số đọc chỉ là tính chất phần mềm, không phải căn cứ phân loại sai số.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Năng lực thực nghiệm: Phân biệt được hai loại sai lệch (sai số làm tròn ± không định hướng / sai số lấy mẫu lệch nhỏ hơn có định hướng), và giải thích tại sao ngưỡng biên “đúng bằng 1.0 lần” không thể phán đoán bằng mắt.

Phương trình / Quy luật áp dụng: P_xoáy ∝ (bề dày)² (mở rộng)

Giải thích chuẩn SGK: Từ trường biến thiên sinh ra các dòng điện cảm ứng khép kín ngay bên trong khối vật dẫn (không cần dây dẫn); kim loại có điện trở nên tỏa nhiệt (P = I²R) — lò nấu kim loại cảm ứng và bếp từ chính là ứng dụng phần nhiệt lượng này. Để giảm hao phí dòng điện xoáy có hai cách: tăng điện trở suất (dùng thép silic) và ghép từ các lá thép silic mỏng có phủ lớp sơn cách điện với nhau (cắt đứt đường đi của dòng điện xoáy, thu nhỏ mạch vòng trong từng lá).

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Trọng tâm kiểm tra: Tại sao mặt bếp từ không nóng mà đáy nồi lại nóng; tại sao lõi thép kỹ thuật điện làm bằng các lá thép silic ghép cách điện lại giảm được dòng điện Foucault.

Phương trình / Quy luật áp dụng: m·dv/dt = mg − b·v (mở rộng)

Giải thích chuẩn SGK: Nam châm chuyển động trong lòng vật dẫn → từ thông biến thiên → dòng điện Foucault → lực từ tác dụng lên nam châm, và lực từ cảm ứng này luôn cản trở chuyển động tương đối (nguyên văn SGK tr.37). Khe xẻ dọc cắt đứt các vòng dòng điện xoáy chạy quanh chu vi ống, làm lực hãm điện từ giảm mạnh nên nam châm rơi nhanh hơn hẳn (Bài tập 3 SGK tr.39, Hình 2.3-15 a/b). SGK chỉ mô tả định tính là “rơi 1 m không quá 0.5 s” và “mất một lúc lâu”, còn các giá trị 3.3639 / 0.9557 s trong bài là thông số thiết lập của mô phỏng (mở rộng).

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Trọng tâm kiểm tra: So sánh Hình 2.3-15 a/b (Bài tập 3 tr.39); giải thích tại sao khi nối tắt hai chốt của điện kế vi ampe thì kim đồng hồ lại tắt dần dao động nhanh hơn (Thực hành tr.38).

Phương trình / Quy luật áp dụng: 1 < ρ ≤ 2 (tức là 1 < R_đèn/R_L ≤ 2)

Giải thích chuẩn SGK: Không có kết luận mới: kết hợp vận dụng tám bước trước đó — tiêu chí ρ = R_đèn/R_L, tỉ số độ sáng = ρ², không phụ thuộc vào U, vượt quá 4.0 lần sẽ báo động. Trong ba cuộn dây chỉ có cuộn B có ρ nằm trong khoảng 1 < ρ ≤ 2.

Lưu ý trọng tâm khi kiểm tra – đánh giá: Tổng hợp: ρ = R_đèn/R_L (tiêu chí lóe sáng) + tỉ số độ sáng = ρ² (ngưỡng an toàn 4.0 lần) + không phụ thuộc vào U.

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: Suất điện động tự cảm của cuộn dây cản trở sự tăng của dòng điện. Khi dòng điện tăng từ 0 lên thì tốc độ biến thiên di/dt lớn nhất, suất điện động tự cảm ngược chiều dòng điện nên cản trở sự tăng đó; khi đã ổn định thì E_L = 0 và hai đèn sáng như nhau (A2.3, A2.4).

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: Ngược chiều với ban đầu và độ lớn nhảy sang bằng dòng điện qua cuộn dây ngay trước khi ngắt. Sau khi ngắt công tắc, cuộn dây đóng vai trò nguồn điện, dòng điện tiếp tục chạy theo vòng “Cuộn dây → Bóng đèn”: i_đèn(0⁺) = −I_L0, chiều ngược lại và độ lớn bằng dòng điện trong cuộn dây lúc trước (A2.17, A2.19).

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: Điện trở thuần của cuộn dây nhỏ hơn điện trở của bóng đèn. ρ = I_L0/I_đèn0 = R_đèn/R_L, chỉ khi ρ > 1 đèn mới lóe sáng; điều kiện này không phụ thuộc vào U, còn L chỉ quyết định thời gian sáng kéo dài bao lâu (A2.14, A7.4).

Giải thích chuẩn SGK: Đáp án đúng: Giảm đi rõ rệt. Các lá thép mỏng kèm lớp cách điện giúp cắt đứt đường đi của dòng điện xoáy, thu nhỏ mạch vòng trong từng lá, làm hao phí tương đối giảm theo tỉ lệ 1/n² (Mở rộng, A2.11, A2.22).