Tài Liệu Bài Giải Chuẩn Mực: Đĩa Kim Loại Quay Trong Từ Trường môn Vật lý đại cương 2 | Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông

Bài giải chuẩn mực
5.9: Một đĩa kim loại bán kính R = 25 cm quay quanh trục của nó với vận tốc góc ω =
1000 vòng/phút. Tìm hiệu điện thế xuất hiện giữa tâm đĩa và một điểm trên mép đĩa trong hai trường hợp:
a. Khi không có từ trường.
b. Khi đặt đĩa trong từ trường có cảm ứng từ B = 10-2 T và đường sức từ vuông góc với đĩa.
1. Tóm tắt
Đề cho: Đĩa kim loại R = 25 cm quay quanh trục với ω = 1000 vòng/phút Yêu ac)ầ u 𝐵󰇍 : T =ìm
0 Utâm – mép trong 2 trường hợp
b) 𝐵󰇍 =10−2 T , vuông góc với đĩa
2a.) Phân tích, đề 𝐵󰇍 = 0
xuất hướng giải - Hiệđni ệtượ n thnếg. : C Hi á ệ c u e đ lie ệ c nt rto h n ế b ổ ịn vđăịng h rka h m i ép đĩa do
𝐹 𝑙𝑦 𝑡â𝑚 = lự 𝐹 c
đ𝑖ệ𝑛 quán tính li tâm.
- Kết quả: Giữa tâm và mép đĩa có sự chênh lệch điện thế => Xuất hiện một hiệu
- Hướng giải: Tổng hợp lực tác dụng vào electron => 𝐸 󰇍 => U
b) 𝐵󰇍 =10−2 T , vuông góc với đĩa
- Hiện tượng: Ngoài hiện tượng của phần a), đĩa quay trong từ trường cắt các đường sức từ
- Kết quả: Xuất hiện thêm hiện tượng cảm ứng điện từ
- Hướng giải:
Chia đĩa tròn thành vô số những thanh kim loại nhỏ có một đầu là tâm đĩa một đầu
là mép đĩa. Sau khoảng thời gian dt, thanh kim loại quét qua từ trường một diện tích dS
=> E , vì dây không kín nên E = 𝑈ℎ𝑎𝑖 đầ𝑢 𝑡ℎ𝑎𝑛ℎ
=> Hiệu điện thế giữa tâm và mép: 𝑈𝑡â𝑚−𝑚é𝑝 = 𝑈𝑑𝑜 𝑙ự𝑐 𝑞𝑢á𝑛 𝑡í𝑛ℎ 𝑙𝑦 𝑡â𝑚 + E
3. Bài giải a) 𝐵󰇍 = 0
- Tổng hợp lực 𝐹 𝑙𝑦 𝑡â𝑚 = 𝐹 đ𝑖ệ𝑛
ⅇ𝐸𝑟= 𝑚𝑒𝜔2𝑟 ⇒ 𝐸𝑟=𝑚𝑒𝜔2𝑟ⅇ
- Sử dụng mối liên hệ giữa U và E 𝑅 𝑅
2ⅇ =9, 1.10−31 ⋅(2000𝜋60 )⋅(0,25)2 𝑈 = ∫𝐸
0=∫𝑚𝑒𝜔2𝑟 0=𝑚𝑒𝜔2𝑅2 𝑟ⅆ𝑟 ⅇⅆ𝑟 2.1, 6.10−19 ≈ 2 ⋅ 10−9
b) 𝐵󰇍 =10−2 T , vuông góc với đĩa
- Từ thông thanh cắt qua trong thời gian dt là: ⅆ𝜙 = 𝐵ⅆ𝑆
Trong đó: ⅆ𝑆 =𝑅.(𝑅.𝑑𝜑)
2 (diện tích hình quạt tròn)
=> ⅆ𝜙 = 12𝐵𝑅2ⅆ𝜑 =12𝐵𝑅2𝜔ⅆ𝑡 (𝜑 = 𝜔𝑡)
- 𝑈ℎ𝑎𝑖 đầ𝑢 𝑡ℎ𝑎𝑛ℎ= |E |= |−𝑑𝜙𝑑𝑡 |=1 2𝐵𝑅2𝜔 = 0, 5.10−2 ⋅2000𝜋 60 ⋅(0,25)2≈ 3, 3.10−2(𝑉)
- Do 𝑈ℎ𝑎𝑖 đầ𝑢 𝑡ℎ𝑎𝑛ℎ≫ 𝑈𝑑𝑜 𝑙ự𝑐 𝑞𝑢á𝑛 𝑡í𝑛ℎ 𝑙𝑦 𝑡â𝑚 => Ta có thể bỏ qua ảnh hưởng của
𝑈𝑑𝑜 𝑙ự𝑐 𝑞𝑢á𝑛 𝑡í𝑛ℎ 𝑙𝑦 𝑡â𝑚
=> 𝑈𝑡â𝑚−𝑚é𝑝 = 𝑈ℎ𝑎𝑖 đầ𝑢 𝑡ℎ𝑎𝑛ℎ= 3, 3.10−2(𝑉)
4. Nhận xét, đánh giá
- Là một dạng bài hay gặp trong bài toán tính suất điện động cảm ứng
- Cần nhận biết rõ các hiện tượng vật lý, áp dụng và nhớ đúng các công thức lực điện, lực ly tâm
- Trước khi làm cần nghiên cứu và làm những bài tập trước đó để có thể làm dễ dàng hơn
5. Ứng dụng thực tế: Bếp từ
a. Nguồn gốc ra đời
- Bếp từ là một thiết bị thông minh được kế thừa
từ việc phát minh ra dòng từ trường của nhà vật
lý học Faraday, và nguyên lý cảm ứng điện từ
dòng điện Fu-cô vào thế kỷ thứ 19.
- Cảm ứng từ được sử dụng lần đầu tiên để tỏa
nhiệt vào giữa thế kỷ 20, chủ yếu ở những
ngành công nghiệp nặng và sắt thép (lò cảm
ứng). Đến tận 150 năm sau, các chuyên viên
nghiên cứu nhóm Thomson mới nghiên cứu chế
tạo và ứng dụng để tạo ra chiếc bếp từ đầu tiên.
b. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
- Bộ phận quan trọng nhất: cuộn dây tròn, được cuốn bởi các vòng dây đồng siêu
bền, được cuộn trên một mặt phẳng, có tác dụng tạo ra từ trường biến thiên với tần số cao.
- Ngoài ra còn có mặt bếp được làm từ kính hoặc các vật liệu khác chịu được
nhiệt độ cao và những chiếc nồi có đáy được làm bằng các vật liệu nhiễm từ tốt
- Nguyên lý hoạt động: hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ dòng điện
Fu-cô. Khi bếp bắt đầu hoạt động, dòng điện chạy qua cuộn dây đồng đặt dưới
mặt kính và sinh ra dòng từ trường trong phạm vi vài milimet trên mặt bếp. Đáy
nồi làm bằng vật liệu nhiễm từ nằm trong phạm vi này được dòng từ trường tác
động khiến các phân tử nhiễm từ ở đấy nồi giao động mạnh và tự sinh ra nhiệt.
Nhiệt lượng này chỉ có tác dụng với đáy nồi không tác động vào mặt kính và
hoàn toàn không thất thoát ra môi trường.
- Không giống như những phương thức nấu ăn khác, nấu trên bếp từ chỉ có nồi
được làm nóng, còn bề mặt bếp hoàn toàn cách nhiệt. Nhiệt độ của bếp không
bao giờ cao hơn nhiệt đột của đáy nồi. Thực tế, đáy nồi được chuyển hóa từ
năng lượng từ trường sang năng lượng nhiệt. Lượng điện tiêu thụ chuyển hóa
lên tới 80-96% thành lượng nhiệt đun nấu, tiết kiệm điện. Cũng chính vì vậy,
bếp từ chỉ có thể sử dụng được với các loại nồi có đáy bằng kim loại hoặc vật liệu nhiễm từ.