Hiện tượng và định luật cảm ứng điện từ là một trong những hiện tượng cơ bản của KHKT nói chung và KTĐ nói riêng. Ứng dụng của nó có ý nghĩa hết sức quan trọng trong thực tế đời sống. Nội dung cơ bản của bài học nghiên cứu về định luật cảm ứng điện từ và cách xác định sức điện động cảm ứng trong một số trường hợp cụ thể.
MỞ ĐẦU Hiện tượng định luật cảm ứng điện từ tượng KHKT nói chung KTĐ nói riêng Ứng dụng có ý nghĩa quan trọng thực tế đời sống Nội dung học nghiên cứu định luật cảm ứng điện từ cách xác định sức điện động cảm ứng số trường hợp cụ thể I HIỆN TƯỢNG VÀ ĐỊNH LUẬT CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ A HIỆN TƯỢNG Có nam châm vĩnh cửu đặt dọc trục ống dây, hai đầu cuộn dây mắc với điện kế G nhạy (Hình 2.1) S N - Khi cực bắc (N) nam châm gần ống dây: + Cho NC tiến dần vào ống dây (từ thông tăng), kim điện kế G giá trị dương Chứng tỏ có dịng điện từ cực “+” tới cực “-” điện kế qua ống dây G + Cho NC dời xa dần ống dây, kim điện kế G lại giá trị âm - Khi đổi cực tính nam châm tiến hành làm lại trên, người ta nhận kết ngược lại Hình 2.1 Như vậy: Khi có từ thông biến thiên qua ống dây, ống dây xuất sức điện động B ĐỊNH LUẬT CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ Nội dung Khi từ thông qua vòng dây biến thiên, xuất sức điện động gọi sức điện động cảm ứng Sức điện động cảm ứng có chiều cho dịng điện sinh tạo từ trường có tác dụng chống lại biến thiên từ thông sinh Biểu thức Mắcxoen (V) C SỨC ĐIỆN ĐỘNG CẢM ỨNG TRONG MỘT SỐ TRƯỜNG HỢP S.đ.đ cảm ứng vịng dây có từ thơng biến thiên Có NCVC đặt dọc trục vịng dây (hình 2.2) - Qui ước chiều dương cho vịng dây : (+) ’ S ’ N - Cho NC chuyển dịch dọc trục vịng dây, ta có: Hình 2.2 e, c ; i , c ec ; ic Sức điện động cảm ứng vòng dây tốc độ biến thiên từ thơng qua ngược dấu Khi từ thơng khơng biến thiên ( ), đó: - Khi từ thơng qua vịng dây tăng dần , tức ngược chiều dương quy ước Dòng điện ic chiều với ec tăng có chiều chống lại qua vịng dây - Khi từ thơng qua vịng dây giảm dần , tức chiều dương quy ước Dòng điện ic chiều với ec giảm có chiều chống lại qua vòng dây S.đ.đ cảm ứng dây dẫn thẳng chuyển động cắt ngang từ trường a) Trường hợp đặc biệt - Dây dẫn có chiều dài l đặt từ trường B, chuyển động với vận tốc v vng góc Ta coi dây dẫn khép kín qua vịng dây lớn Trong thời gian Δt, dây dẫn chuyển động + ec 900 qng đường là: Hình 2.3 Do đó, dây dẫn quét qua lượng: Theo định luật cảm ứng điện từ dây dẫn xuất sđđ: - (V) Vậy: S.đ.đ cảm ứng tỷ lệ với cường độ từ cảm B, với chiều dài dây dẫn nằm từ trường với tốc độ chuyển động dây dẫn Chiều s.đ.đ cảm ứng ec xác định theo qui tắc bàn tay phải + ec Hình 2.4 b) Trường hợp tổng quát Ta phân tích véc tơ v thành thành phần: vt ; thành phần véc tơ pháp tuyến gây ra: (V) Sức điện động cảm ứng cuộn dây S Ta xét cuộn dây đứng yên có W vịng N Từ thơng qua vịng dây làm xuất ec, nên: Hình 2.5 Từ thơng móc vịng: Nếu ta coi: Thì: (V) Vậy: S.đ.đ cảm ứng cuộn dây có từ thơng móc vịng biến thiên tỷ lệ với số vòng dây cuộn dây tốc độ biến thiên từ thơng qua II HIỆN TƯỢNG TỰ CẢM A ĐIỆN CẢM Khi cuộn dây có dịng điện, có từ thơng móc vịng qua cuộn dây Từ thông gọi từ thông tự cảm Người ta thấy rằng: - Dòng điện qua cuộn dây lớn tổng lớn - Cùng cường độ dòng điện I qua cuộn dây khác cấu tạo (kích thước, số vịng dây) có giá trị khác Tỷ số từ thơng tự cảm với cường độ dịng điện qua cuộn dây đặc trưng cho khả tự luyện từ cuộn dây gọi hệ số tự cảm (hay điện cảm) cuộn dây L R,L H R1 R R2 l * Đối với cuộn dây hình xuyến có thiết diện S, với điện cảm: * Đối với cuộn dây hình trụ điện cảm: Hình 2.6 * Nếu hệ số tự cảm khơng phụ thuộc vào dịng điện I qua cuộn dây phần tử tuyến tính Cịn hệ số tự cảm thay đổi theo I cuộn dây gọi phần tử phi tuyến B HIỆN TƯỢNG TỰ CẢM Giả sử có dịng điện xoay chiều qua cuộn dây từ thơng tự cảm biến thiên theo làm xuất s.đ.đ cảm ứng gọi s.đ.đ tự cảm (eL) Sự xuất s.đ.đ cảm ứng (theo định luật cảm ứng điện từ) cuộn dây dịng điện qua biến thiên gọi tượng tự cảm Từ biểu thức: S.đ.đ tự cảm tỷ lệ với giá trị điện cảm tốc độ biến thiên dòng điện i qua cuộn dây * Dịng điện biến thiên nhanh s.đ.đ tự cảm lớn * Dấu “-” biểu thức thể chiều s.đ.đ tự cảm Ví dụ: Một cuộn dây có điện cảm L = 0,1H có dòng điện xoay chiều qua i = 5Sin(314t) S.đ.đ tự cảm: C Q TRÌNH ĐĨNG CẮT MẠCH ĐIỆN CÓ ĐIỆN CẢM Xét mạch điện đơn giản gồm điện trở R nối tiếp với cuộn dây có điện cảm L đặt vào điện áp chiều U Khi khóa K mở i = Khi khóa K đóng vị trí “1” R i L eL U K Nếu mạch giá trị điện cảm L, đóng khóa K theo định luật Ơm coi dịng điện tức khắc đạt trị số: Nhưng mạch có cuộn dây với điện cảm L nên sau K đóng dịng điện mạch tăng từ đến giá trị I có xuất s.đ.đ tự cảm: Hình 2.7 Áp dụng định luật Kiếckhốp II cho mạch vịng: (*) Đây phương trình vi phân tuyến tính cấp I dịng điện i Giải phương trình (*), ta được: i I Xét thời điểm: t + t = 0: +t= : +t= : +t= : Hình 2.8 Lúc này, coi ổn định: i ≈ I Như vậy, dòng điện mạch đạt ổn định sau khoảng thời gian Khi khóa K đóng vị trí “2” i I Theo định luật Kiếckhốp II có: Giải phương trình ta được: Xét thời điểm có : t 5 + Tại thời điểm t = Hình 2.9 + Tại thời điểm + Tại thời điểm + Tại thời điểm + Tại thời điểm Căn vào giá trị xác định trên, ta vẽ đồ thị biểu diễn giảm dịng điện ngắt mạch điện có điện cảm khỏi nguồn chiều Về lý thuyết, i = t = ∞ thực tế t = người ta coi i = * Trường hợp khóa K ngắt khỏi nguồn mà khơng tiếp xúc với tiếp điểm “2”, ta có: Điện trở khe khơng khí có giá trị lớn nên thời điểm K ngắt mạch với s.đ.đ tự cảm lớn làm hỏng cách điện dây quấn D NĂNG LƯỢNG TỪ TRƯỜNG Khi ta đóng mạch có điện cảm L vào nguồn chiều dịng điện mạch tăng từ đến giá trị ổn định I Ta có phương trình mạch vịng: U = iR +Ldi / dt → Uidt = iRidt +iLdi Uidt - lượng nguồn cấp cho mạch thời gian dt - lượng điện tiêu hao R thời gian dt - lượng từ trường tích lũy thêm thời gian dt Tổng tất lượng vi phân tích lũy từ trường I tăng từ đến giá trị ổn định I lượng tích lũy cuộn dây dạng lượng từ trường: Như vậy: Năng lượng từ trường tích lũy cuộn dây tỷ lệ với giá trị điện cảm bình phương cường độ dòng điện qua cuộn dây Người ta chứng minh rằng: Năng lượng từ trường tích lũy cuộn dây hình xuyến tỷ lệ với bình phương cường độ từ cảm, thể tích lõi hình xuyến tỷ lệ nghịch với hệ số từ thẩm: Ở đây: V = Sl thể tích lõi hình xuyến III HIỆN TƯỢNG HỖ CẢM Xét cuộn dây có số vịng W1, W2 đặt gần - Khi cho i1 qua cuộn W1, tạo qua W1 có phần móc vịng sang W2 Lượng gọi từ thơng móc vịng hỗ cảm Tổng từ thơng móc vịng hỗ cảm từ W1 sang W2 là: Hình tỷ lệ với i1 tỷ số i1 ln có 2.10 giá trị không đổi Đặc trưng cho mức độ quan hệ hỗ cảm từ W1 sang W2 gọi hệ số hỗ cảm từ W1 sang W2: Do i1 biến thiên nên từ thơng móc vịng hỗ cảm biến thiên làm xuất s.đ.đ cảm ứng cuộn dây W2 gọi s.đ.đ hỗ cảm: - Khi i2 qua W2 tương tự W1 có: W1 W2 W1 W2 * Người ta chứng minh được: Vậy: Trị số s.đ.đ hỗ cảm tỷ lệ với tốc độ biến thiên dòng điện qua cuộn dây hệ số hỗ cảm chúng - Khi cuộn dây có dịng điện biến thiên, ngồi s.đ.đ hỗ cảm xuất cuộn dây cịn có s.đ.đ tự cảm tương ứng: - Giả sử điện áp đặt vào cuộn dây u 1, u2 Theo định luật Kiếckhốp II với mạch vịng cuộn dây có: Ở đây: Dấu “+” ứng với trường hợp cuộn dây đấu cực tính (tức lại , chiều); dấu “-” trường hợp ngược Thay giá trị vào ta có phương trình cân điện áp cuộn dây: * Ứng dụng: Để chế tạo máy biến áp truyền cảm tín hiệu