CHƯƠNG V: CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ potx

“Chúng ta không th ể dạy bảo ai bất cứ điều gì, chúng ta chỉ có thể giúp họ phát hi ện ra những gì còn tiềm ẩn trong họ” Galileo “Ngư ờ i th ầy trung bình chỉ biết nói, người thầy giỏi biết giải thích, người thầy xuất chúng bi ết minh họa, người thấy vĩ đại biết cách truyền cảm hứng” Wiliam A. Warrad CHƯƠNG V: C ẢM ỨNG ĐIỆN TỪ I. M ỤC TIÊU - HV hi ểu rõ và sâu sắc những kiến thức Vật lí đư ợc trình bày trong chương theo tinh th ần của vật lí h ọc phổ thông - HV có đư ợc những kỹ năng về thiết kế bài dạy và tổ chức dạy học theo tinh thần đ ổi mới hiện nay. II. GI ỚI THIỆU CHUNG VỀ MÔĐUN Đây là môđun đ ề cập đến kiến thức và kỹ năng thiết kế bài dạy học cũng như tổ chức d ạy học theo tinh thần đổi mới hiện nay. Ở môđun này, giáo viên HV có điều kiện tìm hiểu và làm sâu s ắc thêm những kiến thức vật lí liên quan đ ến C ảm ứng điện từ theo tinh thần c ủa Vật lí h ọc phổ thông có trong chương. Những kiến thức này, phần lớn được khai thác từ Internet. Công vi ệc quan trọng là học viên thiết kế các bài dạy học cụ thể trong chương, cùng nhau th ảo luận, trao đổi để tìm được ph ương án thi ết kế tối ưu nhất. Th ời gian cho môđun này là 1 buổi (4 tiết) III. TÀI LI ỆU VÀ THIẾT BỊ ĐỂ THỰC HIỆN MÔĐUN Sách V ật lí 11, Sách giáo viên V ật lí 11, Tài li ệu bồi dưỡng thay sách giáo khoa Vật lí 11, Ph ụ lục 7 IV. HO ẠT ĐỘNG Ho ạt động 1: Phân tích ki ến thức có trong chương  Nhi ệm vụ: - GgV gi ới thiệu cấu trúc Phụ lục 7a - HV làm vi ệc theo nhóm bằng cách đọc tài liệu có trong phần phụ lục và thảo luận  Thông tin cho ho ạt động: Ph ụ lục 7a Ho ạt động 2: Thiết kế bài dạy học  Nhi ệm vụ: - GgV gi ới thiệu một ph ương án cụ thể về thiết kế bài dạy học trong chương được trình bày trong Ph ụ lục 7b. - M ỗi nhóm HV chọn một bài bất kỳ trong ch ương rồi cùng nhau thiết kế  Thông tin cho ho ạt động: - Sách V ật lí 11, Sách giáo viên V ật lí 11, Ph ụ lụ c 7b Ho ạt động 3: Các nhóm trình bày bản thiết kế của nhóm mình  Nhi ệm vụ: - M ỗi nhóm cử đại diện lên trình bày bản thiết kế của nhóm mình - Các nhóm khác góp ý, b ổ sung  Thông tin cho ho ạt động: - B ản thiết kế có được từ các nhóm V. ĐÁNH GIÁ - GgV đánh giá tinh th ần và thái độ làm việc của các nhóm cũng như sản phẩm mà các nhóm có đư ợc. - Thông tin ph ản hồi của đánh giá môđun: Ý kiến thảo luận và các bản thiết kế bài d ạy học. “Chúng ta không th ể dạy bảo ai bất cứ điều gì, chúng ta chỉ có thể giúp họ phát hi ện ra những gì còn tiềm ẩn trong họ” Galileo “Ngư ờ i th ầy trung bình chỉ biết nói, người thầy giỏi biết giải thích, người thầy xuất chúng bi ết minh họa, người thấy vĩ đại biết cách truyền cảm hứng” Wiliam A. Warrad VI. Phân tích n ội dung 1. Hi ện tượng cảm ứng điện từ 1.1. T ừ thông Khái ni ệm c ảm ứng từ thông qua di ện tích S g ọi tắt là t ừ thông qua di ện tích S đư ợc định nghĩa như sau: T ừ thông gứi qua diện tích S là đại lượng về giá tr ị bằng cosBS trong đó B  là vectơ c ảm ứng từ ,  là góc h ợp bởi vect ơ pháp tuy ến n  c ủa di ện tích S và vectơ c ảm ứng từ B  . T ừ thông  là đ ại l ượng đại số có th ể d ương ho ặc âm vì ph ụ thuộc vào góc  nh ọn hoặc tù (t ức là chi ều của n  ). Tuy nhiên, đ ể đơn giản, ta quy ước nếu không có đi ều kiện nào bắt buộc đối với chiều của n  thì ta ch ọn chiều của n  sao cho  là góc nh ọn. Với quy ước đó từ thông là đại lượng dương. Xem video minh họa video\Magnetic Field and Flux Animation - YouTube.flv N ếu chọn S=1 đv dt và  =0 thì B V ậy có thể nói s ố đường cảm ứng từ qua di ện tích đ ặt vuông góc với đường sức từ chính là v ới từ thông. Khi nói đến từ thông tức là nói đ ến số đường cảm ứ ng t ừ đi qua một diện tích S đ ặt vuông góc với đường sức t ừ . Đó là ý ngh ĩa của từ thông. Nhưng chú ý r ằng, số đường cảm ứng từ thì luôn luôn dương, còn từ thông  là một đại lượng đại số, có thể âm hoặc dương . N ếu muốn tính từ thôn g qua m ột diện tích S có kích th ước lớn nằm trong một từ trư ờng bất kì, ta chia nó ra thành các diện tích khá nhỏ dS sao cho trên m ỗi phần tử ấy vectơ cảm ứng từ là không đổi. Như vậy, từ thông gửi qua di ện tích lớn là   S Φ= BdS   N ếu di ện tích S là phẳng và nằm trong từ tr ường đều (B = const), và vuông góc v ới các đường cảm ứng từ ( 0 ) thì ta có:     S Φ= BdS=B dS=BS S   Trong h ệ SI, đơn vị từ thông là vêbe kí hi ệu là Wb, đơn v ị của cảm ứng từ B là T (tesla) thì 1Wb=1m 2 .1T 1.2.Hi ện tượng cảm ứng điện từ B ất kì dòng điện nào cũng gây ra xung quanh nó một từ trường. M ột giả thiết được đặt ra là liệu từ trường có thể sinh ra dòng điện không? Nhà bác h ọc người Mỹ Joseph Henry (1797-878) và nhà v ật lí người Anh Michael Faraday (1791-1867), một cách độc lập, đều cùng kh ẳng định giả thiết trên. Henry thực hiện trước nhưng Faraday đã công b ố trước kết quả và có những nghiên cứu sâu sắc hơn nên các hiện tượng c ảm ứng điện từ đều đư ợc mang tên ông. Năm 1831, Faraday đ ã phát hi ện ra rằng khi từ thông qua một khung dây dẫn kín biến thiên thì trong khung dây xuất hiện một dòng điện. Hiện tượng này được gọi là hiện tư ợng cảm ứng điện từ và dòng điện được sản sinh ra được gọi là dòng điện c ảm ứng “Chúng ta không th ể dạy bảo ai bất cứ điều gì, chúng ta chỉ có thể giúp họ phát hi ện ra những gì còn tiềm ẩn trong họ” Galileo “Ngư ờ i th ầy trung bình chỉ biết nói, người thầy giỏi biết giải thích, người thầy xuất chúng bi ết minh họa, người thấy vĩ đại biết cách truyền cảm hứng” Wiliam A. Warrad (induce current) Faraday đưa nhanh m ột nam châm vào trong lòng m ột ống dây thì thấy có dòng điện ch ạy qua ống dây. Khi đưa nam châm ra khỏi ống dây cũng thu đư ợc dòng điện nhưng dòng đi ện có hướng ngược lại. Hơn nữa ông cũng thu đư ợc kết quả tươn g t ự bằng cách giữ nam châm đ ứng yên và cho ống dây chuyển đ ộng.Vậy: Dòng đi ện xuất hiện khi có sự biến đổi t ừ thông qua mạch điện kín gọi là dòng điện c ảm ứng và su ất điện động sinh ra dòng điện c ảm ứng là sức điện động cảm ứng . http://www.magnet.fsu.edu/education/tutorials/java/inducedcurrent/index.html http://www.magnet.fsu.edu/education/tutorials/java/electromagneticinduction/index.html 1.3. Đ ịnh luật Len -xơ v ề chiều dòng điện cảm ứng Như v ậy, khi từ thông qua một mạch kín biến thiên thì trong mạch xuất hiện dòng đi ện cảm ứng. Vậy chiều của dòng điện cảm ứng tuân theo qui luật nào? Nghiên c ứu hiện tượng c ảm ứng điện từ , Len-xơ đ ã tìm ra định lu ật tổng quát về chi ều dòng đi ện cảm ứng, gọi là định luật Len -xơ. Có 2 cách phát bi ểu khác nhau đối với định luật Len-xơ: 1. Dòng điện cảm ứng trong mạch điện kín có chiều sao cho từ trường mà nó sinh ra ch ống lại nguyên nhân sinh ra nó (SGK NC ) 2. Dòng đi ện cảm ứng xuất hiện trong một mạch kín có chiều sao t ừ trường cảm ứng có tác dụng chống lại sự biến thiên của từ thông ban đ ầu qua mạch kín (SGKCB) hay Khi t ừ thông qua C bi ến thiên do một kết quả của một chuyển động nào đó thì từ trư ờng cảm ứng có tác d ụng chống lại chuyển động nói trên (SGK CB) Khi thanh nam châm d ịch chuyển cực bắc của nó vào trong lòng ống dây, làm cho t ừ thông m  g ửi qua ống dây tăng. Theo định luật Len z, dòng điện cảm ứng I c ph ải có chi ều sao cho từ trường do nó sinh ra có tác d ụng chống lại sự tăng từ thông đó. Muốn v ậy, ' B  ph ải ngược chiều với B  . Có như v ậy thì từ thông ' m  do ' B  sinh ra m ới có tác dụng ch ống lại sự t ăng t ừ thông m  là nguyên nhân sinh ra nó. Bi ết ' B  ta suy ra chi ều dòng đi ện cảm ứng Ic theo quy tắc n ắm tay phải . http://micro.magnet.fsu.edu/electromag/java/lenzlaw/index.html Tương t ự, trường hợp thanh nam châm dịch chuyển cực bắc của nó ra xa lòng ống dây, thì t ừ thông gửi qua ống dây giảm. Theo định luật Len z, dòng điện cảm ứng I c ph ải có chi ều sao cho từ tr ường do nó sinh ra có tác d ụng chống lại sự giảm từ thông đó . video\Lenz's Law - YouTube.flv Tóm l ại, theo định luật Len z, dòng đi ện cảm ứng bao giờ cũng có tác dụng chống l ại sự dịch chuyển của nam châm. Khi đưa cực b ắc của thanh nam lại gần ống dây, đầu trên c ủa ống dây là cực bắc, có tác dụng đẩy nam châm ra khỏi ống dây. Còn khi rút cực Bắc ra kh ỏi thanh nam châm, đầu trên của ống dây là cực nam có tác dụng hút thanh nam châm l ại. Vì vậy, để dịch chuyển thanh nam c hâm, ta ph ải tốn công. Chính công mà ta th ực hiện đ ã chuy ển hóa thành đi ện n ăng của dòng đi ện c ảm ứng. C:\Users\TUAN\Downloads\Video\faraday_vi.jar “Chúng ta không th ể dạy bảo ai bất cứ điều gì, chúng ta chỉ có thể giúp họ phát hi ện ra những gì còn tiềm ẩn trong họ” Galileo “Ngư ờ i th ầy trung bình chỉ biết nói, người thầy giỏi biết giải thích, người thầy xuất chúng bi ết minh họa, người thấy vĩ đại biết cách truyền cảm hứng” Wiliam A. Warrad 1.4. Đ ịnh luật Faraday v ề c ảm ứng điện t ừ S ự xuất hiện dòng điện cảm ứng chứng tỏ trong mạch có một suất điện động (s.đ.đ). Su ất điện động ấy được gọi là sđđ cảm ứng. Faraday đ ã nghiên cứu định lượng các y ếu tố ảnh hưởng đến độ lớn của sđđ cảm ứng. Ông đã quan sát được s.đ.đ càng l ớn n ếu từ trường biến đ ổi càng nhanh, song s.đ.đ không chỉ tỉ lệ đơn giản vào sự biến thiên của từ trường mà chính xác là nó tỉ lệ với sự biến thiên từ thông gởi qua khung dây. Do vậy mà ban đ ầu, khi phân tích các k ết quả thí nghiệm, Faraday đã phát biểu như sau : M ột l ực điện động sinh ra bởi cảm ứng khi t ừ trưòng quanh vật dẫn điện thay đổi. Đ ộ lớn của lực điện động cảm ứng tỉ lệ thuận với độ thay đổi của từ thông qua vòng mạch đi ện. SGK nâng cao đã phát biểu định luật Faraday về cảm ứng điệntừ như sau : Độ lớn của suất điệnđộng cảm ứng tỉ lệ với tốc độ biến thiên từ thông qua mạch t e c    Trong h ệ SI, s u ất điện động có đơn v ị là vôn (V). D ấu ( -) bi ểu thị định luật Lenz Trong trư ờng hợp khu ng dây có N vòng dây đấu nối tiếp thì s.đ.đ cảm ứng trong khung dây đó đư ợc xác định bằng công thức : t Ne c    Bi ểu thức định lượng của s.đ.đ cảm ứng đối với trường hợp riêng của mạch đ i ện kín c ũng có thể tìm được dựa trên cơ sở của đ ịnh luật bảo toàn năng lượng. C:\Users\TUAN\Downloads\Video\faraday_vi.jar 1.5. S ức điện động cảm ứng trong đoạn dây d ẫn chuyển động trong t ừ trường Xét đo ạn dây MN có chi ều dài l nh ư hình dư ới , chuy ển động với vận tốc v trong từ trư ờng đều có cảm ứng từ B (v và B đ ều vuông góc với MN, đồng thời v vuông góc với B). Khi đó êlectron trong dây MN chuy ển động trong từ trường sẽ chịu tác dụng của l ực Lorentz. M - - B   f v  F N + Hình 4. Gi ải th ích s ự xuất hiện s. đ.đ cảm ứng trong đo ạn dây MN Gi ả sử cảm ứng từ B  có chi ều đi ra như hình vẽ, lực Loren tz s ẽ làm electron chuy ển động về phía M. Do đó, đầu M thừa electron, đầu N thiếu electron. Trong đoạn MN xu ất hiện điện tr ư ờng E  hư ớng từ N đến M, E  g ọi là điện trường cảm ứng. Lúc này, electron ch ịu tác dụng của hai lực, lực điện trường F  và l ực Loren tz f  . Sau m ột thời gian r ất ngắn, hai lực này cân bằng nhau . T ừ lúc đó điện trường cảm ứng có giá trị ổn định nên ta có: evBeE nên vBE  “Chúng ta không th ể dạy bảo ai bất cứ điều gì, chúng ta chỉ có thể giúp họ phát hi ện ra những gì còn tiềm ẩn trong họ” Galileo “Ngư ờ i th ầy trung bình chỉ biết nói, người thầy giỏi biết giải thích, người thầy xuất chúng bi ết minh họa, người thấy vĩ đại biết cách truyền cảm hứng” Wiliam A. Warrad e là đ ộ lớn điện tích của electron. Ta th ấy, lực lạ ở đây chính là lực Lo -ren-xơ. S.đ.đ c ảm ứng trong mạch xuất hiện là do l ực Lo -ren-xơ gây ra. Theo công th ức tính s. đ.đ của nguồn điện ở trên, ta có: f F cu A A ε = = - q q cu eEl ε = - e  cu ε = -El Thay E = vB ta có cu ε = -vBl Trong trường hợp mạch hở thì sức điện động cảm ứng cũng chính là độ lớn của hi ệu điện thế của hai cực nguồn điện . UBlve cu  Trong trư ờng hợp v và B cùng vuông góc với đoạn dây đồng thời v hợp với B một góc  thì ta có sinBlve cu  dt dS BBl dt dx cu  dt d cu    http://www.magnet.fsu.edu/education/tutorials/java/inductivependulum/index.html http://ngsir.netfirms.com/englishhtm/Induction.htm 1.4.1. Máy phát đi ện điện một chiều M ột ứng dụng quan trọng và phổ biến trong đời sống hiện tượng cảm ứng điện từ trong các đo ạn dây chuyển động là máy phát đi ện m ột chiều chi ều (AC gernerator) Mô ph ỏng nguyên tắc hoạt động máy phát điện AC video\How generator works by Khurram Tanvir - YouTube.flv Mô ph ỏng nguyên tắc hoạt động máy phát điện DC video\DC MOTORS AND GENERATORS - YouTube.flv video\Magnetism- Motors and Generators - YouTube.mp4 1.5. Dòng điện Foucault (Fu-cô) Dòng điện Foucault (Eddy current) đư ợc phát hiện bởi nhà vật lí ngư ời Pháp Léon Foucault (1819-1868). Dòng điện Foucault là dòng điện được sinh ra trong một kh ối vật d ẫn điện khi cho nó vào trong m ột từ tr ường biến đổi theo thời gian hay cho nó “Chúng ta không th ể dạy bảo ai bất cứ điều gì, chúng ta chỉ có thể giúp họ phát hi ện ra những gì còn tiềm ẩn trong họ” Galileo “Ngư ờ i th ầy trung bình chỉ biết nói, người thầy giỏi biết giải thích, người thầy xuất chúng bi ết minh họa, người thấy vĩ đại biết cách truyền cảm hứng” Wiliam A. Warrad chuy ển động cắt ngang từ trường . Dòng điện P hucô là m ột dòng điện xoáy. Như v ậy dòng điện Foucault c ũng là dòng điện cảm ứng . Theo đ ịnh luật Len z, nó c ũng tạo ra một từ trường nhằm chống lại sự biến thiên từ thông đã gây ra nó. Vì khối vật d ẫn có điện trở R nh ỏ nên cư ờng độ dòng Foucault trong vật dẫn thư ờng khá lớn c c ε I = R Vì su ất điện động cảm ứng tỉ lệ thuận với tốc độ biến thiên từ thông, nên nếu vật dẫn được đ ặt trong từ tr ường biến đổi càng nhanh thì cường độ của dòng Foucault càng m ạnh. V ới đ ặc điểm ấy thì dòng Foucault có nh ững tác hại và lợi ích nhất định trong kĩ thuật. a) M ột vài tác hại của dòng Foucault : nhi ều thiết bị điện có cấu tạo dưới dạng m ột lõi sắt đặt trong một ống dây có dòng điện xoay chi ều ch ạy qua như : máy bi ến th ế, đ ộng cơ điện, máy phát điện Các l õi s ắt này có tác dụng tăng cường từ trường. Do nằm trong t ừ tr ường biến đổi nên trong các lõi sắt xuất hiện dòng điện Foucault. Trong trư ờng h ợp này, dòng Foucault là có h ại. M ột là nhi ệt tỏa ra do dòng Foucault s ẽ làm cho lõi s ắt bị nóng có thể làm hỏng máy và hao phí năng lư ợng. Hai là dòng Foucault luôn có xu hư ớng ch ống lại nguyên nhân đã sinh ra nó. Trong trư ờng hợp động cơ điện nó chống lại sự quay c ủa động cơ và gi ảm công suất của động cơ. Đ ể giảm tác hại của dòng Phucô, thay vì dùng c ả một khối s ắt lớn làm lõi thì ng ười ta dùng nhi ều lá sắt mỏng được sơn cách điện và ghép l ại với nhau nh ư hình trên các lá s ắt này song song với cảm ứng từ B c ủa từ tr ường. M ục đích của việc làm này là làm tăng điện trở của lõi sắt, vì từng lá sắt có kích thư ớc nhỏ nên có đi ện trở lớn, do đó cường độ dòng Phucô trong các lá sắt giảm đi đáng kể “Chúng ta không th ể dạy bảo ai bất cứ điều gì, chúng ta chỉ có thể giúp họ phát hi ện ra những gì còn tiềm ẩn trong họ” Galileo “Ngư ờ i th ầy trung bình chỉ biết nói, người thầy giỏi biết giải thích, người thầy xuất chúng bi ết minh họa, người thấy vĩ đại biết cách truyền cảm hứng” Wiliam A. Warrad so v ới dòng Phucô trong cả khối sắt lớn. Vì vậy, làm giảm được lượng điện hao phí. Trong k ĩ thuật, để chế tạo các máy biến thế người ta sử dụng các lá sắt ferit có đi ện trở su ất cao đ ể làm lõi. http://www.youtube.com/watch?v=7_-RqkYatWI&feature=related http://www.youtube.com/watch?v=kU6NSh7hr7Q Bài tâpXem video video\Neodymium magnet in copper pipe - YouTube.flv b) M ột vài ứng dụng của dòng Foucault -Th ắng , thi ết bị giảm tốc (Electromagnetic braking): Nh ững loại phanh theo nguyên lý trên hiện nay đư ợc dùng làm phanh hãm cho xe tải, cần trục, tàu hỏa cao t ốc, hay thậm chí xe đẩy, xe đạp, Các bánh xe đều có đ ĩa kim loại. Khi cần giảm t ốc độ , m ột từ tr ường m ạnh được đưa vào các đĩa này (ví dụ bằng cách di động m ột nam châm vĩnh cửu ôm qua đĩa). Lợi điểm của phương pháp phanh này là phanh không bao gi ờ bị hao mòn, gi ảm chi phí bảo dưỡng. Đồng thời việc điề u ch ỉnh l ực giảm tốc cũng có thể được thực hiện chính xác hơn phanh ma sát thông thư ờng. - Đ ệm từ trường : Đ ặt một vật dẫn trên một t ừ trư ờng tăng d ần từ cao xuống thấp, khi vật rơi xu ống bởi tr ọng lực s ẽ có t ừ thông qua nó tăng lên, t ạo dòng Foucault ph ản kháng lại sự r ơi này. N ếu vật làm bằng ch ất siêu d ẫn , có đi ện trở b ằng không, tạo ra dòng điện Fouca ult hoàn h ảo ( hi ệu ứng Meissner), sinh ra l ực điện phản kháng đủ lớn để có thể triệt tiêu hoàn toàn trọng lực đối kháng, cho phép t ạo ra đ ệm từ trường , nâng v ật nằm cân bằng trên không trung. Đệm từ có th ể được ứng dụng để nâng tàu cao t ốc , gi ảm ma sát (do ma sát ch ỉ có giữa thân t àu và không khí), tăng v ận tốc chuy ển động của tàu. -Đ ồng hồ đo điện : Trong m ột số loại đồng hồ đo điện, người ta ứng dụng dòng điện Foucault đ ể làm tắt nhanh dao đ ộng của kim đồng hồ. Người ta gắn vào một đầu của kim m ột đĩa kim loại nhỏ (bằng đ ồng ho ặc nhôm), đ ặt đĩa này trong t ừ trường c ủa một nam châm vĩnh cửu. Khi kim chuy ển động, đĩa kim loại cũng bị chuyển động theo. Từ thông H 4.1. Phương pháp gi ảm dòng Phucô “Chúng ta không th ể dạy bảo ai bất cứ điều gì, chúng ta chỉ có thể giúp họ phát hi ện ra những gì còn tiềm ẩn trong họ” Galileo “Ngư ờ i th ầy trung bình chỉ biết nói, người thầy giỏi biết giải thích, người thầy xuất chúng bi ết minh họa, người thấy vĩ đại biết cách truyền cảm hứng” Wiliam A. Warrad qua đ ĩa thay đổi làm xuất hiện trong đĩa những dòng điện Foucault. Theo đ ịnh lu ật Lenz , dòng điện Foucault tương tác với từ trường của nam châm gây ra l ực ch ống lại sự chuyển đ ộng của đĩa. Kết quả là dao động của kim bị tắt đi nhanh chóng. -B ếp từ hay b ếp điện cảm ứng (induction stove): b ếp từ sử dụng trong n ội trợ c ũng ho ạt động theo nguyên tắc tương tự. Bếp này tạo ra, trong kho ảng cách vài milimét trên b ề mặt bếp, một từ trư ờng biến đổi. Đáy nồi bằng kim loại nằm trong từ trư ờn g này s ẽ nóng lên do dòng Foucault và n ấu chín th ức ăn. Ưu điểm của bếp là tốc độ đun nấu nhanh, do gi ảm được nhi ệt dun g (không còn nhi ệt dung của bếp, ch ỉ có nhiệt dung của n ồi ). Vi ệc điều chỉnh nhi ệt độ và các ch ế độ nấu nướng cũng được thực hiện chính xác và d ễ dàng h ơn. Tuy nhiên b ếp có thể có các hiệu ứng cảm ứng điện từ chưa được kiểm chứng đối với s ức khỏe con ngư ời. - Luy ện kim : Hi ệu ứng được ứng dụng trong các lò điện cảm ứng , đ ặc biệt phù hợp v ới n ấu chảy kim lo ại trong chân không đ ể tránh tác dụng hóa h ọc c ủa không khí xung quanh. Ngư ời ta đặt kim loại vào trong lò và rút không khí bên trong ra. Xung quanh lò qu ấn dây điện. Cho dòng đi ện xoay chiều có t ần số cao ch ạy qua cuộn dây đó. Dòng điện này s ẽ tạo ra trong lò m ột từ tr ường biến đổi nhanh, làm xuất hiện dòng điện Foucault m ạnh và tỏa ra nhi ệt lượng r ất lớn đủ để nấu chảy kim loại. Cuộn dây cho dòng cao tần ch ạ y qua thư ờng là cuộn dây có dạng các ống rỗng, sử dụng nước làm mát ở bên trong đ ồng thời dòng điện cao tần sẽ chỉ dẫn trên lớp vỏ ngoài do hiệu ứng lớp da. http://www.youtube.com/watch?v=sPLawCXvKmg&feature=relmfu 2. Hi ện tượng tự cảm 2.1. Hi ện tượng tự cảm và s.đ.đ tự cảm Ở các thí nghiệm của Faraday, dòng cảm ứng xuất hiện trong cuộn dây khi có từ thông bi ến th iên qua di ện tích của cuộn dây đó.Từ thông này là do từ trường bên ngoài t ạo nên. Bây gi ờ, ta không xét đến từ trường bên ngoài, nếu ta thay đổi cường độ dòng đi ện trong chính cuộn dây, từ thông qua diện tích của cuộn dây cũng biến thiên làm xuất hi ện trong nó một dòng điện cảm ứng. Dòng điện cảm ứng này gọi là dòng điện t ự cảm . Hi ện tượng trên được gọi là hiện tượng tự cảm. S.đ.đ xu ất hiện trong cuộn dây tạo nên dòng đi ện tự cảm gọi là s.đ.đ tự cảm. Như vậy, có thể định nghĩa như sau: S ự xuất hiện s.đ.đ cảm ứng trong mạch do sự biến thiên của từ thông gây bởi dòng đi ện ở chính trong mạch đó đư ợc gọi là hiện tượng tự cảm. Và dòng điện được sinh ra trong hi ện tượng tự cảm gọi là dòng điện tự cảm. Hi ện tượng tự cảm xuất hiện trong các mạch điện có dòng xoay chiều chạy qua ho ặc khi ta đóng, ngắt mạch điện. Nếu gọi là từ thông do chính dòng điện trong cuộn dâyđó tạo ra. Nhận xét rằng, t ừ thông  t ỉ lệ với cảm ứng từ B  do dòng đi ện trong mạch sinh ra, mà cảm ứng từ đó lại t ỉ lệ thuận với cường độ dòng điện của mạch. D o đó, t ừ thông  t ỉ lệ với dòng điện I, do đó ta có th ể đặt: Φ = LI (3) trong đó L là h ệ số tỉ lệ, phụ thuộc vào hì nh d ạng, kích thước của mạch điện và phụ thuộc vào môi trư ờng vật chất mà ta đặt mạch điện vào đư ợc gọi là h ệ số tự cảm hay đ ộ tự cảm. Theo đ ịnh luật Faraday, biểu thức của s.đ.đ tự cảm là: tc d Φ ε = - dt (4) Thay (1) vào (2) ta có: “Chúng ta không th ể dạy bảo ai bất cứ điều gì, chúng ta chỉ có thể giúp họ phát hi ện ra những gì còn tiềm ẩn trong họ” Galileo “Ngư ờ i th ầy trung bình chỉ biết nói, người thầy giỏi biết giải thích, người thầy xuất chúng bi ết minh họa, người thấy vĩ đại biết cách truyền cảm hứng” Wiliam A. Warrad tc d Φ dI ε = - = -L dt dt (5) L = const khi m ạch điện đứng yên và không thay đổi về hình dạn g. Công th ức (3) chứng tỏ: trong m ột mạch điện đứng yên và không thay đổi về hình d ạng, s.đ.đ tự cảm luôn tỉ lệ nhưng trái dấu với tốc độ biến thiên của cường độ dòng điện trong m ạch . S ự trái dấu giữa s. đ.đ tự cảm và tốc độ biến thiên dòng điện trong mạch th ể hi ện ở dấu ( -) trong công th ức (3), chứng tỏ s.đ.đ tự cảm bao giờ cũng có tác dụng chống l ại sự biến thiên của c ường độ dòng điện trong mạch đó. 2.2. H ệ số tự cảm Ở mục 2.1 đã đưa ra hệ số tự cảm L T ừ (1) suy ra Φ L = I (6) N ếu cho I = 1 thì L = Φ . V ậy có thể phát biểu: H ệ số tự cảm của mạch điện bằng từ thông qua mạch khi dòng điện gây ra từ thông đó b ằng đơn vị. Hay có th ể phát biểu như sau: Hệ số tự cảm của một mạch điện là đại lượng vật lí về trị số bằng từ thông do chính dòng điện ở trong mạch gửi qua diện tích của mạch, khi dòng điện trong mạch có cường đ ộ bằng một đơn vị. Trong h ệ SI, hệ số tự cảm được đo b ằng đơn vị Henry kí hiệu là H . Ta đ ã bi ết từ thông đư ợc đo bằng đơn vị vêbe (Wb), cường độ dòng điện I được đo bằng đơn vị Ampe (A ). Từ công thức (4) suy ra: A Wb H 1 1 1  V ậy: Henry là h ệ số tự cảm của một m ạch kín khi dòng điện 1 ampe ch ạy qua thì sinh ra trong chân không t ừ thông 1vêbe qua mạch đó. Các ư ớc số của henry 1mH = 10 -3 H; 1µ H = 10 -6 H Trong th ực tế, các mạch điện có dòng xoay chiều chạy qua đều có một hệ số tự cảm nào đ ấy. Tuy nhiên giá trị này nh ỏ hơn nhiều so với hệ số tự cảm của một cuộn dây có nhi ều vòng dây. Một cuộn dây có hệ số tự cảm đáng kể được gọi là một cuộn cảm. Bây gi ờ, ta tính hệ số tự cảm của một cuộn dây dài vô hạn gồm vòng dây, chiều dài l. M ột cu ộn dây được coi là vô h ạn k hi chi ều dài của nó gấp đường kính khoảng 10 lần . T ừ trư ờng do cuộn dây có dòng điện chạy qua tạo trong lòng nó một từ trường đều có cảm ứng từ B = 0 μμ nI = 0 μμ N l I như nhau t ại mọi điểm, với 0 μ = 4 .10 -7 H/m là h ằng số từ và μ là đ ộ từ thẩm của môi trư ờng. Nếu diện tích của mỗi vòng dây là S thì từ thông gửi qua cả cuộn dây gồm N vòng là: 2 0 N S Φ = NBS = μμ I l Suy ra đ ộ tự cảm của cuộn dây điện 2 0 Φ N S L= = μμ I l (7) Trong k ĩ thuật, trong các cuộn dây người ta thường đặt các lõi sắt có độ từ thẩm tới hàng ngàn, hàng v ạn để là tăng từ tính của cuộn dây. 3. Năng lư ợng từ trường “Chúng ta không th ể dạy bảo ai bất cứ điều gì, chúng ta chỉ có thể giúp họ phát hi ện ra những gì còn tiềm ẩn trong họ” Galileo “Ngư ờ i th ầy trung bình chỉ biết nói, người thầy giỏi biết giải thích, người thầy xuất chúng bi ết minh họa, người thấy vĩ đại biết cách truyền cảm hứng” Wiliam A. Warrad 3.1. Năng lư ợng từ trường của ống dây điện Cho m ột mạch điện như hình vẽ, giả sử ban đầu mạch được đóng kín,trong mạch có dòng đi ện không đổi I. Khi ấy toàn bộ điện năng do nguồn điện sinh ra đều biến thành nhi ệt. Điều này là đúng khi trong mạch có dòng điện không đ ổi, nhưng không đúng trong lúc đóng ho ặc ngắt mạch. Khi đóng mạch dòng điện i trong mạch tăng từ O đến I. Trong quá trình ấy , trong mạch điện xuất hiện dòng điện tự cảm i tc ngư ợc chiều với dòng điện chính i 0 do ngu ồn phát ra, làm cho dòng điện toà ph ần ở trong mạch i= i 0 – i tc nh ỏ hơn i 0 . K ết quả làchỉcó một phần điện năng trong mạch biến thành nhiệt mà thôi. Trái lại, khi ngắt m ạch, dòng điện chính giảm đột ngột về 0. Do đó, trong mạch xuất hiên dòng điện tự cảm, làm cho dòng đi ện toàn phần trong m ạch lớn lênvà giảm chậm lại, nhiệt l ượng tỏa ra trong m ạch lúc này lớn hơn năng lượng do nguồn sinh ra. V ậy rõ ràng là, khi đóng mạch một phần điện năng do nguồn điện sinh ra được ti ềm tàng d ưới một dạng năng lượng nào đó, để khi ngắt mạch, phần năng lượ ng này t ỏa ra dư ới dạng nhiệt trong mạch. Vì khi đóng mạch, dòng điện trong mạch tăng thì từ trường trong cu ộn dây cũng t ăng theo, cho nên phần năng lượng được tiềm tàng đó chính là năng lư ợng từ trường của cuộn dây điện. Bây gi ờ, ta đi tính phần năng lượn g này: G ọi R là điện trở trong toàn mạch, áp dụng định luật Ôhm cho mạch điện trong quá trình dòng điện đang được thành lập, ta có: tc ε + ε = Ri Vì tc di ε = -L dt nên bi ểu thức trên trở thành di ε - L = Ri dt di ε = Ri + L dt Nhân c ả hai vế với idt, ta có 2 εidt = Ri dt + Lidi Nhìn phương trình, ta thấy ở vế trái   εidt chính là năng lượng do nguồn điện sinh ra trong kho ảng thời gian dt, n ăng lượng này một phần tỏa thành nhiệt trong mạch   2 Ri dt còn m ột phần được tiềm tàng dưới dạng năng lượng từ trường: dW = Lidi V ậy, trong cả quá trình thành lập dòng điện, phần năng lượng của nguồn điện được ti ềm tàng dưới dạng năng lượng từ trường là: m W I 0 0 W = dW = Lidi   Th ực hiện phép tính tích phân, ta có: 2 1 W = LI 2 (8) Đây là công thức tính năng lượng tồn trữ trong cuộn dây khi có dòng điện I chạy qua. 3.2. M ật độ năng lượng từ trường Theo như tính toán lí thuy ết và thực nghiệm thì năng lượng từ trường được phân b ố trong không gian có từ tr ường. Ta có thể coi cuộn dây điện thẳng dài vô hạn mà ta xét ở trên có từ trường được phân bố đều chỉ trong thể tích của cuộn dây. Nếu gọi V là thể tích c ủa cuộn dây thì ta có mật độ năng lượng từ trường của cuộn dâyđiện l à: [...]... TƯỢNG TỰ CẢM A MỤC TIÊU +Kiến thức -Nêu được hiện tượng tự cảm -Nêu được độ tự cảm (hệ số tự cảm) và đơn vị đo độ tự cảm -Viết được công thức xác định hệ số tự cảm của ống dây, công thức xác định suất điện động tự cảm. (**) + Kỹ năng -Vận dụng định luật Len -xơ để giải thích hiện tượng tự cảm khi đóng ngắt mạch điện. (**) -Vận dụng công thức tính cảm ứng từ để chứng minh biểu thức tính hệ số tự cảm của... 41 HIỆN TƯỢNG TỰ CẢM 1 Hiện tượng tự cảm 2 Suất điện động tự cảm a Thí nghiệm 1: Đèn sáng từ từ a Hệ số tự cảm -Giải thích -Từ thông   LI b Thí nghiệm 2 -Đèn sáng bừng lên rồi -Hệ số tỷ lệ L: hệ số tự cảm (độ tự cảm) mới tắt -Đơn vị henri (H) - Giải thích -Biểu thức tính độ tự cảm của ống dây c Hiện tượng tự cảm: SGK L=4  10-7n2 V b Suất điện động tự cảm   Li etc   L i t C TỔ CHỨC CÁC HOẠT... tính cảm ứng từ của một ống dây +Phiếu học tập Câu 1 Một ống dây có hệ số tự cảm L = 0,1 (H), cường độ dòng điện qua ống d ây giảm đều đặn từ 2(A) về 0 (A) trong khoảng thời gian là 4 (s) Suất điện động tự cảm xuất hiện ở ống dây trong khoảng thời gian đó là: A.0,03 (V) B.0,04 (V) C.0,05 (V) D.0,06 (V) ống dây có hệ số tự cảm L = 0,1 (H), cường độ dòng điện qu a ống dây tăng Câu 2.Một điều đặn từ 0... biết cách truyền cảm hứng” Wiliam A Warrad “Chúng ta không thể dạy bảo ai bất cứ điều gì, chúng ta chỉ có thể giúp họ phát hiện ra những gì còn tiềm ẩn trong họ” Galileo -Đặt vấn đề “Nguyên nhân trực tiếp gây ra hiện tượng tự cảm chính là do sự biến thiên của dòng điện trong mạch nên ta cần biểu diên suất điện động tự cảm thông qua sự biến đổi từ thông và cuờng độ dòng điện i trong mạch Từ thông tỉ lệ... tự cảm +Địa chỉ một số trang web có thể khai thác để thiết kế bài dạy học http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electric/elecur.html http://www.upscale.utoronto.ca/GeneralInterest/Harrison/Flash/ http://phys23p.sl.psu.edu/phys_anim/EM/indexer_EM.html htttp://phyicsclassrom.com/ http://tvtl.bachkim.vn/document/show/doc_id/19337 2 Học sinh -Ôn lại định luật cảm ứng điện từ, suất điện động cảm ứng, ... lại: 1 (10) w = HB 2 Công thức (8) cũng có thể áp dụng cho từ trường bất kì Khi đó, để tính năng lượng của từ trường bất kì, ta chia không gian của từ trường đó thành các thể tích dV vô cùng nhỏ, sao cho có thể coi trong mỗi thể tích ấy cảm ứng từ là không đổi Như vậy, từ trường trong thể tích vô cùng nhỏ đó bằng: HB dw = dV 2 Năng lượng của từ trương bất kì mà ta xét bằng: HB W=  dw =  dV V V... truyền cảm hứng” Wiliam A Warrad “Chúng ta không thể dạy bảo ai bất cứ điều gì, chúng ta chỉ có thể giúp họ phát hiện ra những gì còn tiềm ẩn trong họ” Galileo -Kiểm tra sĩ số, tình hình lớp học -Báo cáo sĩ số, tình hình lớp -Nêu câu hỏi 1 “Viết công thức tính cảm -Trả lời câu hỏi ứng từ B bên trong ống dây” B=4  10-7nI Nêu câu hỏi 2: “Viết công thức biểu diễn -Trả lời câu hỏi định luật Fa-ra-dây về cảm. .. lời câu hỏi định luật Fa-ra-dây về cảm ứng điện từ  ec   t -Ghi công thức tính B=4  10-7nI và -Nhận xét câu trả lời của bạn  ở góc bảng bên phải ec   t -Nhận xét và cho điểm Hoạt động 2 ( 20 phút): Nghiên cứu hiện tượng tự cảm Hoạt động của giáo viên Hoạt động của học sinh Ghi bảng tiêu đề mục 1 SGK a.-Thí nghiệm 1 -Giới thiệu dụng cụ TN -Mắc mạch điện theo sơ đồ Hinh 41.1 SGK -Làm TN 1... điện động tự cảm xuất hiện trong ống trong khoảng thời gian đó là: A.0,1 (V) B.0,2 (V) C.0,3 (V) D.0,4 (V) Câu 3.Một ống dây dài 50 (cm), diện tích tiết diện ngang của ống là10 (cm2) gồm 1000 vòng dây Hệ số tự cảm của ống là: A.0,251 (H) B.6,28.10-2 (H) C.2,51 10-2 (mH) D.2,51 (mH) Đáp án: Câu 1 C; Câu 2 A Câu 3: D +Dự kiến ghi bảng (chia bảng làm hai cột) Bài 41 HIỆN TƯỢNG TỰ CẢM 1 Hiện tượng tự cảm. .. của ống dây.(**) +Thái độ -Có hứng thú học Vật lý -Có tinh thần hợp tác trong học tập cũng như trong việc áp dụng các kiến thức đã đạt được B CHUẨN BỊ 1 Giáo viên +Dụng cụ thí nghiệm -Thí nghiệm tự cảm khi đóng và ngắt mạch “Người thầy trung bình chỉ biết nói, người thầy giỏi biết giải thích, người thầy xuất chúng biết minh họa, người thấy vĩ đại biết cách truyền cảm hứng” Wiliam A Warrad “Chúng ta . nhiên b ếp có thể có các hiệu ứng cảm ứng điện từ chưa được kiểm chứng đối với s ức khỏe con ngư ời. - Luy ện kim : Hi ệu ứng được ứng dụng trong các lò điện cảm ứng , đ ặc biệt phù hợp v ới n ấu. l ại định luật cảm ứng điện từ, suất điện động cảm ứng, công thức tính cảm ứng t ừ của một ống dây. +Phi ếu học tập Câu 1 .M ột ống dây có hệ số tự cảm L = 0,1 (H), cường độ dòng điện qua ống d ây. biết cách truyền cảm hứng” Wiliam A. Warrad 1.4. Đ ịnh luật Faraday v ề c ảm ứng điện t ừ S ự xuất hiện dòng điện cảm ứng chứng tỏ trong mạch có một suất điện động (s.đ.đ). Su ất điện động ấy được