Cơ sở để chế tạo thiết bị điện và các khí cụ điện dựa vào tác dụng của từ trường lên phần tử mang điện (lực điện từ) và định luật cảm ứng điện từ. Do đó, cần phải nghiên cứu các vấn đề về từ trường và cảm ứng điện từ.
MỞ ĐẦU Cơ sở để chế tạo thiết bị điện khí cụ điện dựa vào tác dụng từ trường lên phần tử mang điện (lực điện từ) định luật cảm ứng điện từ Do đó, cần phải nghiên cứu vấn đề từ trường cảm ứng điện từ I CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN A TỪ TRƯỜNG Một biểu quan trọng dòng điện tạo từ trường Biểu cụ thể làm lệch kim nam châm nhỏ vị trí xác lập mới, xuất lực hút (hoặc đẩy) hai dây dẫn có dịng điện Xung quanh dây dẫn có dịng điện tồn môi trường vật chất đặc biệt tác dụng lực lên nam châm, dây dẫn khác có dịng điện Lực gọi lực điện từ Vậy: Từ trường môi trường vật chất đặc biệt bao quanh điện tích chuyển động, ln tồn tác dụng lực điện từ - Lực điện từ lực từ trường tác dụng lên điện tích chuyển động hay nói cách khác từ trường xuất nơi có điện tích chuyển động - Từ trường NCVC (nam châm vĩnh cửu) kết dòng điện nguyên tử phân tử chuyển động tự quay quay quanh quỹ đạo điện tử nguyên tử phân tử tạo Như vậy: Dòng điện từ trường hai khái niệm không tách rời * Đường sức từ: Đường sức từ đường cong khép kín mà tiếp tuyến chúng điểm có phương trùng với phương véc tơ cảm ứng từ điểm Chiều xác định quy tắc vặn nút chai ( quy tắc bàn tay phải) B XÁC ĐỊNH ĐƯỜNG SỨC TỪ TRONG MỘT SỐ TRƯỜNG HỢP I N I I S Hình 4.1 Cách xác định đường sức từ Từ trường dây dẫn thẳng có dịng điện Đường sức từ đường cong khép kín bao quanh dây dẫn thẳng nằm mặt phẳng vng góc với dây dẫn thẳng có dịng điện Từ trường vịng dây có dịng điện Đường sức từ đường cong khép kín bao quanh dây dẫn, nằm mặt phẳng vng góc với mặt phẳng cuả vòng dây Riêng đường sức qua tâm vòng dây đường thẳng trùng với trục vòng dây Từ trường ống dây hình trụ có dòng điện Nếu chiều dài ống dây đủ lớn so với đường kính ống dây đường sức từ lòng ống dây đường thẳng song song xác định theo qui tắc khum bàn tay phải với ống dây Từ trường nam châm vĩnh cửu Nếu hai cực NC mặt phẳng khoảng cách chúng gần đường sức hai cực đường thẳng song song cách nhau, từ trường Đường sức từ NC có chiều cực bắc (N), vào cực nam (S) C CÁC ĐẠI LƯỢNG TỪ CƠ BẢN Sức từ động (FM ) Dòng điện tạo từ trường, dòng điện lớn tạo từ trường mạnh Khả gây từ dây dẫn có dịng điện gọi lực từ hóa hay sức từ động.(Hình 4.2) Trong thực tế, để tạo từ trường người ta cho dòng điện chạy qua cuộn dây Mỗi cuộn dây có dịng điện gọi nguồn từ Mỗi nguồn từ có sức từ động F để đặc trưng cho khả gây từ s.t.đ: i FM W Nếu cuộn dây có W vịng dịng điện I qua, Hình 4.2 Sức từ động FM = IW (A.vg) Vậy: Sức từ động nguồn từ tỷ lệ với số vòng dây dòng điện qua cuộn dây Chiều s.t.đ chiều đường sức từ lòng cuộn dây Cường độ từ trường (H) Để đặc trưng cho độ mạnh từ trường điểm - Cường độ từ trường đại lượng véc tơ có trị số: I r H I (A/ m) dài l Cường độ từ trường xác định s.t.đ phân bố đơn vị chiều - Với ống dây thì: H =IW/ l Hình 4.3 Cường độ từ trường - Với dây dẫn thẳng thì: H = I/2Πr Cảm ứng từ hệ số từ thẩm Qua thí nghiệm, người ta thấy nguồn từ (tức I từ hoá hay H) đặt môi trường khác tạo từ trường mạnh yếu khác Để đặc trưng cho độ mạnh từ trường có xét tới ảnh hưởng môi trường, người ta dùng đại lượng cảm ứng từ độ từ cảm): (còn gọi cường (T) Ở đây: hệ số từ môi tuyệt đối môi trường (H/m) + Ở môi trường chân khơng cảm ứng từ là: Trong đó: khơng (T) (H / m) hệ số từ môi tuyệt đối chân + Khi đặt nguồn từ vào môi trường vật chất, ảnh hưởng từ trường phân tử nên Trong đó: , ta có : hệ số từ môi tương đối môi trường Như vậy: Tỷ số cường độ từ cảm môi trường vật chất (B) cường độ từ cảm môi trường chân không (B 0) hệ số từ mơi tương đối mơi trường (µ) Hệ số từ mơi tuyệt đối mơi trường tích hệ số từ môi tuyệt đối chân không với hệ số từ môi tương đối môi trường * Ý nghĩa: Hệ số từ môi tương đối cho biết đặt nguồn từ mơi trường vật chất cảm ứng từ mạnh lên không lần so với đặt chân Từ thông Từ thông qua mặt phẳng S đại lượng đo tích hình chiếu véc tơ cảm ứng từ lên phương vng góc với mặt phẳng S với diện tích mặt phẳng S Từ thông đại lượng đại số: - Trong từ trường đều, (Wb) thì: B= (*) S - Trong khơng thì: Từ biểu thức (*) ta thấy: Trong từ trường lượng Ф qua đơn vị diện tích đặt vng góc với đường sức từ, từ thơng Từ áp Tương tự điện áp điện trường từ áp hai điểm từ trường đại lượng đo tích chiều dài đoạn thẳng với hình chiếu véc tơ cường độ từ trường lên đoạn thẳng nối điểm cịn gọi mật độ a b H l a - Trong từ trường đều, đoạn Hl thì: l - Nếu đoạn b góc , thì: II LỰC ĐIỆN TỪ Các thí nghiệm cho thấy: Khi đặt phần tử mang điện vào từ trường phần tử mang điện chịu tác dụng lực F đt Lực điện từ ứng dụng rộng rãi kỹ thuật sở để chế tạo thiết bị điện khí cụ điện A LỰC TÁC DỤNG LÊN DÂY DẪN THẲNG CĨ DỊNG ĐIỆN Trường hợp đặc biệt Dây dẫn thẳng chiều dài l có dịng điện I đặt cắt ngang vng góc với cảm ứng từ chịu tác dụng lực có: + Trị số: F = BIl (N) + Phương: + Chiều: Theo quy tắc bàn tay trái Như vậy: Lực điện từ tác dụng lên dây dẫn mang dòng điện tỷ lệ với độ lớn cảm ứng từ , cường độ dòng điện I với chiều dài dây dẫn nằm từ trường Trường hợp tổng qt Dây dẫn thẳng có dịng điện I đặt cắt ngang tạo với cảm ứng từ phải phân tích góc thành phần: có thành phần pháp tuyến tác dụng lực điện từ BIlsin (N)) ta gây Hình 4.5 Cách xác định lực điện từ (phương chiều phụ thuộc ; độ lớn: Fđt = BnIl = Ví dụ: Dây dẫn l = 0,5m có I = 200A đặt cắt ngang hợp với đường sức từ góc 300 từ trường B = 0,8T dây dẫn chịu tác dụng lực điện từ Fđt = BIlsin300 = 40 (N) phương, I1 chiều xác định hình vẽ B TÁC DỤNG TƯƠNG HỖ GIỮA HAI DÂY DẪN THẲNG SONG SONG CĨ DỊNG ĐIỆN Hai dây dẫn thẳng song song có dịng điện đặt cách a Dịng điện chạy hai dây chiều ngược chiều + Dòng điện I1 tạo dòng điện I2 tạo I2 F21 a F12 I1 nơi có I2 nơi đặt I1: I2 F21 a F12 Chiều theo qui tắc vặn nút chai + Dòng điện đặt từ trường chịu tác dụng lực điện từ: Chiều lực điện từ xác định theo qui tắc bàn tay trái Như vậy: - Hai lực điện từ tác dụng lên hai dây dẫn có trị số (F = F2 = F), phương ngược chiều - gọi lực tác dụng tương hỗ - Hai dây dẫn song song có dịng điện chạy chiều hút nhau, ngược chiều đẩy C TÁC DỤNG CỦA TỪ TRƯỜNG LÊN DỊNG ĐIỆN KÍN Xét khung dây abcd, có dịng điện I qua đặt từ trường với cạnh t.dụng (ab cd) với chiều dài l cắt ngang ; cịn hai cạnh (ad bc) có chiều dài 2r - Góc hợp véc tơ pháp tuyến khung dây với véc tơ a Fđt b Mq I Fđt d c góc - Lực điện từ tác dụng lên cạnh (ab cd): Fđt = BIl (N) Chiều tuân theo qui tắc bàn tay trái - Hai Fđt tác dụng vào hai cạnh có chiều ngược cách khoảng tạo thành ngẫu lực sinh mô men quay: (N.m) - Dưới tác dụng Mq làm khung dây quay tới vị trí cho véc tơ pháp tuyến trùng với véc tơ cảm ứng từ (khi ) III VẬT LIỆU SẮT TỪ A PHÂN LOẠI VẬT LIỆU SẮT TỪ Căn vào hệ số từ môi tương đối sắt từ mà người ta chia làm loại: Vật liệu sắt từ thường Là vật liệu sắt từ có hệ số từ mơi xấp xỉ Tức khơng làm thay đổi đáng kể cảm ứng từ so với đặt nguồn từ chân khơng coi Có loại : - Vật liệu thuận từ: (khơng khí, nhơm, thiếc …) Cụ thể: - Vật liệu nghịch từ: (đồng, chì , bạc, kẽm …) Cụ thể: Vật liệu sắt từ Là vật liệu sắt từ có lớn từ hàng trăm tới hàng vạn Qua thí nghiệm thấy cường độ từ trường H cảm ứng từ B vật liệu sắt từ lớn nhiều lần cảm ứng từ đặt chân không Như: sắt, niken, côban hợp kim chúng (ferít , fecmanơi …) Vậy: Sắt từ vật liệu có hệ số từ mơi tương đối thuộc vào cường độ từ trường lớn phụ B CHU TRÌNH TỪ HĨA CỦA VẬT LIỆU SẮT TỪ Từ biểu thức , ta thấy (tức ) Do đó, quan hệ cường độ từ cảm với cường độ từ trường môi trường vật chất quan hệ tỷ lệ mà quan hệ phi tuyến phức tạp đa trị phải nghiên cứu chu trình từ hóa vật liệu sắt từ: Chu trình từ hóa - Luyện từ cho sắt từ cách tăng dần từ giá trị H = đến giai đoạn bão hòa thực Bb (điểm a), - Giảm dần H B giảm theo (đoạn ab) Đáng ý cường độ H có trị số cảm ứng từ B: B H giảm lớn B H tăng - tượng từ trễ: “Trong d trình biến thiên, cảm ứng từ biến thiên chậm biến thiên cường độ tù trường” Khi H giảm tới 0, mà B = ; ta B Hc A b c a f e H - từ dư sắt từ (đoạn ob) - Để khử từ dư người ta đổi ngược chiều I từ hóa (tức đổi ngược chiều H) tăng dần trị số (về phía âm đồ thị) B = Giá trị tương ứng từ trường khử từ (đoạn oc) - Tiếp tục tăng H đến giai đoạn bão hịa thực phía âm (đoạn cd) - Giảm dần H giá trị B giảm theo (đoạn de) - Đổi ngược chiều H tăng dần tới giá trị bão hòa thực dương (điểm a) Đường cong abcdefa chu trình từ hóa (hay chu trình từ trễ) VLST Diện tích chu trình từ hóa tạo gọi mắt từ trễ Nhánh aod đường cong từ hóa Tính chất vật liệu sắt từ ứng dụng thực tế Căn vào đường cong từ hóa mắt từ trễ để ta đánh giá tính chất vật liệu sắt từ đưa vào ứng dụng thực tế a) Biết mức độ bão hòa: chia làm giai đoạn sau: - Giai đoạn chưa bão hòa (đoạn OA): Giai đoạn tỷ lệ để chế tạo khí cụ điện - Giai đoạn bắt đầu bão hòa (đoạn Aa): Giai đoạn B tăng chậm theo H … - Giai đoạn bão hòa thực (> từ điểm a): Giai đoạn b) Biết mức từ dư: Để chế tạo nam châm vĩnh cửu mềm c) Biết mắt từ trễ: Thì VLST có loại: Vật liệu sắt từ cứng v.liệu sắt từ * Khi cường độ H thay đổi theo thời gian chu trình từ hóa xuất hiện, kèm theo q trình tổn hao lượng gọi tổn hao từ trễ, phụ thuộc vào diện tích mắt từ trễ (khi mắt từ trễ bé tổn hao nhỏ) Do đó, mạch từ máy điện, khí cụ điện dùng vật liệu sắt từ mềm thép KTĐ, hợp kim sắt kền (Pécmalơi), Ferít