Bg vat ly 1 phan 2 3625

CHƯƠNG CÁC NGUYÊN LÝ NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC 1.1 Nội hệ nhiệt động Công nhiệt 1.1.1 Hệ nhiệt động Mọi tập hợp vật xác định hồn tồn số thơng số vĩ mô, độc lập với gọi hệ số vĩ mô hay hệ nhiệt động Gọi tắt hệ Tất vật cịn lại, ngồi hệ ngoại vật hệ hay môi trường xung quanh hệ Hệ bao gồm hệ cô lập không cô lập Hệ khơng lập hệ có tương tác với mơi trường bên ngồi Trong tương tác có trao đổi cơng nhiệt Nếu hệ mơi trường khơng trao đổi nhiệt hệ cô lập ngoại vật phương diện nhiệt Trong trường hợp ta nói hệ ngoại vật có vỏ cách nhiệt Nếu hệ ngoại vật trao đổi nhiệt khơng sinh cơng hệ cô lập phương diện học Hệ gọi lập hồn tồn khơng tương tác trao đổi lượng với môi trường bên ngồi 1.1.2 Nội Ta biết vật chất ln ln vận động lượng hệ đại lượng xác định mức độ vận động vật chất trạng thái Ở trạng thái, hệ có dạng vận động xác định có lượng xác định Khi trạng thái hệ thay đổi lượng hệ thay đổi Năng lượng hàm trạng thái Năng lượng hệ gồm động ứng với chuyển động có hướng (chuyển động cơ) hệ, hệ trường lực phần lượng ứng với vận động bên hệ tức nội hệ W = Wd + Wt+ U Tuỳ theo tính chất chuyển động tương tác phân tử cấu tạo nên vật, ta chia nội thành phần sau đây: a Động chuyển động hỗn loạn phân tử (tịnh tiến quay) b Thế gây lực tương tác phân tử c Động chuyển động dao động nguyên tử phân tử Trong nhiệt động học, ta giả thuyết chuyển động có hướng hệ không đáng kể hệ không đặt trường lượng hệ nội hệ Nội hệ hàm trạng thái Trong nhiệt động học điều quan trọng 55 khơng phải tính nội U mà độ biến thiên ΔU biến đổi từ trạng thái sang trạng thái khác Do việc chọn gốc tính nội khơng quan trọng Thơng thường người ta giả thuyết nội hệ không nhiệt độ không tuyệt đối (T = 0K) 1.1.3 Công nhiệt - phụ thuộc công nhiệt vào q trình biến đổi trạng thái a Cơng nhiệt Công nhiệt hai khái niệm quan trọng nhiệt động học Thí nghiệm chứng tỏ hệ khác tương tác với chúng trao đổi với lượng Có hai dạng truyền lượng: Một dạng truyền lượng làm tăng mức độ chuyển động có trật tự vật.Trong nhiệt động học học người ta gọi dạng truyền lượng cơng Thí dụ: Khí dãn nở xylanh làm pittơng chuyển động Như khí truyền lượng cho pittông dạng công - Hai lượng trao đổi trực tiếp phân tử chuyển động hỗn loạn vật tương tác với Khi hệ trao đổi lượng, mức độ chuyển động hỗn loạn phân tử hệ nội hệ tăng lên hay giảm Trong nhiệt động học người ta gọi dạng truyền lượng nhiệt Thí dụ: Cho vật lạnh tiếp xúc vật nóng, phân tử chuyển động nhanh vật nóng va chạm với phân tử vật lạnh chuyển động chậm truyền cho chúng phần động Do nội vật nặng tăng lên, nội vật nóng giảm Quá trình tăng giảm dừng lại nhiệt độ hai vật Tóm lại: Công nhiệt đại lượng đo mức độ trao đổi lượng hệ Sự khác sâu sắc công nhiệt chỗ công liên quan đến chuyển động có trật tự, có nhiệt liên quan tới chuyển động hỗn loạn phân tử hệ chúng có mối liên hệ chặt chẽ với chuyển hố lẫn nhau: Cơng biến thành nhiệt, nhiệt biến thành cơng Ví dụ: truyền nhiệt cho vật, vật nóng lên nội vật tăng lên đồng thời vật giãn nở, nghĩa phần nhiệt biến thành công Cần ý công nhiệt đại lượng dùng để đo mức độ trao đổi lượng, chúng dạng lượng Công nhiệt xuất trình biến đổi trạng thái hệ Ở trạng thái, hệ có giá trị xác định lượng, khơng thể có cơng nhiệt hệ biến đổi từ trạng thái sang trạng thái khác theo đường khác cơng nhiệt q trình biến đổi có giá trị khác Vậy 56 công nhiệt hàm trạng thái mà hàm q trình b Sự phụ thuộc cơng nhiệt vào trình biến đổi trạng thái Trong phần xem xét trao đổi công nhiệt hệ môi trường, xét xem công nhiệt phụ thuộc vào trình biến đổi trạng thái Xét hệ khối khí chứa xylanh ngăn pittông di chuyển được, áp suất khí xylanh giữ giá trị nhờ viên chì đặt giường Thành xylanh làm chất cách nhiệt Đáy xylanh hở tiếp xúc với nguồn nhiệt có nhiệt độ T điều chỉnh Ở đây, nguồn nhiệt ta hiểu hệ lớn để ln ln giữ nhiệt độ không đổi tiếp xúc với vật khác Giả thuyết trạng thái ban đầu, có áp suất P1, thể tích V1, nhiệt độ T1 Ở trạng thái cuối khí có áp suất P2, thể tích V2, nhiệt độ T2 Quá trình hệ thay đổi từ trạng thái đảo sang trạng thái cuối gọi trình nhiệt động Trong trình nhiệt truyền từ nguồn nhiệt vào hệ ngược lại từ hệ nguồn nhiệt công hệ (khí) tác dụng làm cho pittơng dịch chuyển lên hay xuống Ta quy ước: Nếu pittông lên (khí sinh cơng) cơng hệ có giá trị dương Nếu pittơng xuống (khí nhận cơng) cơng hệ có giá trị âm Ngồi ta giả thuyết rằng, q trình dịch chuyển pittơng xylanh xảy vô chậm cho thời điểm hệ trạng thái cân nhiệt động Vì ta biểu diễn q trình giản đồ (p,V) Đó đồ thị áp suất P phụ thuộc vào thể tích V Giả thuyết có số viên chì lấy bớt khỏi pittơng Lúc khí đẩy r pittơng dịch chuyển lên phía đoạn dS, lực F có hướng lên Vì dS r nhỏ giả thuyết lực F số trình dịch chuyển Nếu thiết r diện pittông S lực F P.S, P áp suất khí tác dụng lên phương Cơng ngun tố dA khí sinh q trình pittơng dịch chuyển là: Trong dV biến thiên thể tích khí pittơng dịch chuyển Nếu giả thuyết số viên chì bỏ đủ cấp cho thể tích khí thay đổi V1 đến V2 cơng tồn khối khí sinh là: 57 Để tính tích phân ta phải biết thay đổi áp suất thể tích thay đổi q trình cụ thể từ trạng thái đầu đến trạng thái Có nhiều cách thay đổi áp suất P để đưa hệ từ trạng thái sang trạng thái Trên hình biểu diễn số cách khác để đưa hệ từ trạng thái đến trạng thái Tích phân (*) (cơng thực hiện) diện tích bao đường cong giản đồ (P.V) Ví dụ hình (2.2a) diện tích bao 12V2V 1, cơng có giá trị dương thể tích khí tăng (dV > 0) Ngược lại, cơng thực q trình đồ thị (2.2d) có giá trị âm (dv < 0): q trình nén khí Ta xét phụ thuộc cơng nhiệt vào trình đồ thị (2.2b) (2.2c) - Đồ thị (2.2b) biểu diễn trình la2 gồm hai q trình: đẳng áp 1a đẳng tích a2 Q trình đắng áp 1a thực cách giữ nguyên trọng lượng giường cho xylanh nhận nhiệt từ nguồn nhiệt, nhiệt độ khí tăng từ T1 đến Ta pittông dịch chuyển lên làm thể tích tăng từ V1, đến V2 Kết q trình khí nhận nhiệt lượng Q1 từ nguồn nhiệt (Q1 > 0) sinh công A (A > 0) có diện tích 1a2V1V2 Q trình đẳng tích a2 thực cách cho xylanh tiếp xúc với nguồn nhiệt có nhiệt độ T2 thấp T1 Vị trí pittơng giữ ngun Trong q trình hệ truyền nhiệt Q2 có nguồn nhiệt (Q2 < 0), kết q trình 1a2 hệ sinh cơng nhận nhiệt - Quá trình 1a2 đồ thị (2.2c) tạo lên từ hai trình đẳng tích đẳng áp đường khác hẳn Rõ ràng cơng hệ sinh q trình nhiệt lượng hệ nhận nhỏ q trình Tóm lại: có nhiều cách khác để đưa hệ từ trạng thái sang trạng thái khác Cơng nhiệt hệ trao đổi q trình phụ thuộc vào cách đưa hệ từ trạng thái đầu đến trạng thái cuối Hay nói cơng nhiệt hàm trình 1.2 Nguyên lý thứ nhiệt động học 1.2.1 Phát biểu Nguyên lý thứ trường hợp riêng định luật bảo toàn biến đổi lượng vận dụng vào q trình vĩ mơ (q trình nhiệt động học) 58 Độ biến thiên lượng toàn phồn ΔW hệ q trình biến đổi vĩ mơ có giá trị tổng cơng A nhiệt Q mà hệ nhận q trình Trong biểu thức đại lượng đo đơn vị giống Ở ta giả thuyết hệ không đổi (Wđ + Wt = const), ta có ΔW = U hệ thức n trở thành: Nghĩa là: Trong trình biến đổi, độ biến thiên nội hệ có giá trị tổng công nhiệt mà hệ nhận q trình Đây phát biểu ngun lý thứ nhiệt động học Trong số trường hợp, để tính tốn thuận tiện, người ta dùng ký hiệu phát biểu sau: a Nếu A Q công nhiệt mà hệ nhận thì: A' = - A Q' = - Q công nhiệt mà hệ sinh b Từ (3) ta phát biểu nguyên lý thứ sau: Nhiệt truyền cho hệ trình có giá trị độ biến thiên nội hệ cơng hệ sinh q trình Các đại lượng DU, A, Q dương hay âm Nếu A > Q > DU > 0, nghĩa hệ thực nhận cơng nhiệt từ bên ngồi nội hệ tăng Nếu A < Q < DU < 0, nghĩa hệ thực sinh cơng toả nhiệt bên ngồi nội hệ giảm 1.2.2 Hệ Một vài trường hợp riêng nguyên lý thứ nhất: a Quá trình đoạn nhiệt Quá trình đoạn nhiệt trình khơng có trao đổi nhiệt hệ mơi trường Ta nói hệ có vỏ cách nhiệt Qúa trình Q = theo biểu thức (2) Của nguyên lý I Công thức (4) cho ta thấy hệ sinh cơng (A > 0) nội hệ giảm ngược lại Trong thực tế trình đoạn nhiệt thực ta cho trình xảy nhanh cho thời gian nhiệt chưa kịp truyền ngồi Q trình nén khí bơm xe đạp q trình nén đoạn nhiệt Khí nhận cơng từ bên ngồi làm tăng nội nóng lên (ma sát bơm khơng đáng kể) Q trình nén dãn khí sóng âm truyền qua q trình nén, dãn đoạn nhiệt 59 b Q trình đẳng tích Nếu thể tích hệ (ví dụ khí) giữ khơng đổi khơng sinh cơng Đặt A = vào biểu thức (2) nguyên lý I ta có: Do q trình hệ nhận nhiệt (Q > 0) nội tăng (DU > 0) ngược lại hệ toả nhiệt (Q < 0) nội giảm (DU < 0) c Chu trình Là trình sau hệ trao đổi công nhiệt hệ lại quay trở trạng thái ban đầu Chu trình biểu diễn giản đồ (P) Vì đường cong khép kín (Hình 2.3) ta gọi chu trình thuận Ngược lại, chu trình thực ngược chiều kim đồng hồ chu trình nghịch, chu trình diễn biến hai chiều gọi chu trình thuận nghịch Khi thực chu trình, nội hệ không đổi DU = Biểu thức (5) có nghĩa là: - Nếu hệ sinh cơng (A > 0) phải nhận nhiệt (Q > 0) - Nếu hệ nhận cơng (A < 0) hệ toả nhiệt Về giá trị A = Q Như theo nguyên lý I, động (hoạt động theo chu trình) muốn sinh cơng phải nhận nhiệt từ bên ngồi Khơng thể có động khơng nhận nhiệt mà sinh công sinh công lớn nhiệt nhận Những động có tính chất gọi động vĩnh cửu loại I Nguyên lý I khẳng định khơng thể chế tạo động vĩnh cịn loại I Đó ý nghĩa ngun lý I nhiệt động học * Nguồn gốc lượng thể Tính chất sinh nhiệt tính chất tổng quát vật chất sống, đặc trưng cho tế bào có chuyển hố Những chức sinh lý kéo theo sinh nhiệt Đối với động vật người, nguồn gốc nhiệt lượng thức ăn Thức ăn thể sử dụng thơng qua q trình đồng hố để cải tạo tổ chức tạo thành chất dự trữ vật chất lượng thể, phát sinh nhiệt để trì nhiệt độ thể chống lại mát nhiệt vào môi trường xung quanh, dùng để sinh công hoạt động học thể có sinh cơng 60 Nhiều thí nghiệm động vật người chứng tỏ không sinh công mơi trường bên ngồi, lượng nhiệt tổng cộng cho thể sinh gần lượng nhiệt sinh đốt vật chất hữu nằm thành phần thức ăn thành CO2 H2O Nếu ta gọi ΔQ nhiệt lượng sinh q trình đồng hố thức ăn ΔE phần mát lượng vào môi trường xung quanh, ΔA công mà thể thực để chống lại lực mơi trường bên ngồi, ΔM lượng dự trữ dạng hố ngun lý thứ nhiệt động học áp dụng cho hệ thống sống viết dạng: Đây phương trình cân nhiệt thể người NGUYÊN LÝ THỨ HAI CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC 2.1 Máy nhiệt Máy nhiệt hệ thống biến nhiệt thành công biến công thành nhiệt Các chất vận chuyển có tác dụng biến nhiệt thành cơng thành nhiệt máy nhiệt gọi tác nhân Khi máy nhiệt hoạt động, tác nhân trao đổi nhiệt với hai nguồn nhiệt với nhiệt độ khác 2.1.1 Động nhiệt Động nhiệt loại máy biến nhiệt thành cơng Ví dụ hình (2.4a) vẽ sơ đồ động nhiệt Tác nhân biến đổi theo chu trình thuận nghĩa đường cong biểu diễn chu trình có chiều kim đồng hồ động sinh cơng Nếu chu trình tác nhân nhận nguồn nóng nhiệt lượng Q1 nhả cho nguồn lạnh nhiệt lượng Q2 sinh cơng A công A Q1 − Q2 Q Người ta định nghĩa hiệu suất động nhiệt ký hiệu T1 tỷ số công thực chu trình (cái ta thu được) nhiệt lượng hấp thụ trình (cái ta phải tiền để có) Theo cơng thức (6) T1 hay 100% Q2 = Tức khơng có nhiệt lượng thừa truyền cho nguồn lạnh Động gọi động vĩnh cửu loại 61 Động trao đổi nhiệt với nguồn nhiệt sinh công Trong thực tế dù có cố gắng khơng chế tạo động 2.1.2 Máy làm lạnh Nhiệt truyền cách tự phát từ nơi nóng sang nơi lạnh Khơng có q trình truyền nhiệt tự nhiên theo hướng ngược lại Máy làm lạnh máy làm nhiệm vụ chuyển nhiệt lượng từ nơi có nhiệt độ thấp đến nơi có nhiệt độ cao Hình 2.5a vẽ sơ đồ máy làm lạnh Khi thực chu trình (nghịch) tác nhân nhận nhiệt lượng Q2 từ nguồn lạnh T2 nhận cơng A từ ngồi Cơng A nhiệt lượng Q2 tổng hợp thành dạng lượng nhiệt Q1 truyền cho nguồn nóng T1 Một ví dụ máy làm lạnh tủ lạnh dùng gia định Nguồn lạnh T2 buồng lạnh dùng để đựng thức ăn Công tủ lạnh nhận công mơ tơ nén khí Ngồi máy điều hoà nhiệt độ thuộc loại máy làm lạnh Mục đích máy làm lạnh chuyển lượng dạng nhiệt từ nguồn lạnh đến nguồn nóng tác dụng công ngoại lực lên tác nhân Để đánh giá hiệu suất máy, người ta đưa đại lượng gọi hệ số làm lạnh K: Hệ số làm lạnh cao máy làm lạnh tốt tủ lạnh mà không cần nhận công từ bên ngồi Vì A = K có giá trị lớn vơ Trong thực tế khơng thể chế tạo máy làm lạnh vĩnh cửu 2.2 Phát biểu nguyên lý hai Nguyên lý thứ hai rút từ thực nghiệm nghiên cứu trình xảy tự nhiên Có nhiều cách phát biểu nguyên lý hai, trình bày phát biểu 2.2.1 Phát biểu Claodiut Nhiệt tự truyền từ vật lạnh sang vật nóng mà khơng kèm theo biến đổi 2.2.2 Phát biểu Tôm xơn Không thể chế tạo động vĩnh cửu loại hai 62 * Chú ý: Hai cách phát biểu hoàn toàn tương đương Ta dễ dàng chứng minh điều Giả sử có vật sinh cơng A cách lấy nhiệt từ nguồn có nhiệt độ Tz (vi phạm nguyên lý hai phát biểu Tôm xơn) đem cơng A cung cấp cho vật có nhiệt độ T1 > T2 q trình ma sát, cơng A biến hồn tồn thành nhiệt; nghĩa vật có nhiệt độ T1 nhận nhiệt lượng Q Cuối cùng, kết dãy trình truyền lượng dạng nhiệt từ vật lạnh sang vật nóng Điều vi phạm nguyên lý hai cách phát biểu Claodiut Như chứng minh chứng tỏ hai cách phát biểu tương đương ENTROPI VÀ NGUYÊN LÝ THỨ HAI CỦA NHIÊT ĐỘNG LỰC HỌC 3.1 Quá trình thuận nghịch 3.1.1 Máy nhiệt lý tưởng Trong phần máy nhiệt ta thấy tồn động vĩnh cửu, nghĩa tồn động thực với hiệu suất 100%.Vậy hiệu suất tối đa động thực đạt bao nhiêu? Để nghiên cứu đỡ phức tạp ta đưa mơ hình máy nhiệt lý tưởng Nó trường hợp giới hạn máy nhiệt thực tế Máy nhiệt lý tưởng gồm xylanh có pittơng chứa khí lý tưởng, nguồn nhiệt T1 T2 Thành xi lanh cách nhiệt Ở tác nhân (hay hệ) khí lý tưởng Xylanh, pittơng, thành cách nhiệt hai nguồn nhiệt môi trường hệ Ta giả thiết, máy nhiệt lý tưởng khơng có ma sát, dịng xốy nhiệt Đó điều mà thực tế ta mong muốn hạn chế tới mức tối đa Ngoài giả thuyết q trình dãn khí, nén khí, thay đổi áp suất nhiệt độ khí xảy chậm Do q trình coi trình chuẩn cân 3.1.2 Quá trình thuận nghịch Quá trình diễn biến theo chiều từ trạng thái A đến B theo trạng thái trung gian 1,2,3 gọi trình thuận nghịch ta thay đổi điều kiện mơi trường dù hệ thay đổi chiều diễn biến từ B sang A qua đầy đủ trình trung gian 3,2,1 Quá trình diễn biến từ A → B không thuận nghịch diễn biến theo chiều nghịch hệ không qua lại trạng thái qua chiều thuận Q trình khơng thuận nghịch khơng phải q trình cân bằng, khơng biểu diễn giản đồ trạng thái, ví dụ giản đồ (P,V) Các trình xảy tự nhiên q trình thuận nghịch Ví dụ q trình dao động lắc, có ma sát nên biên độ giảm dần lắc 63 khơng trở trạng thái trước Các q trình học có ma sát q trình khơng thuận nghịch Q trình giãn nở khơng khí vào chân khơng từ nơi có áp suất cao đến nơi có áp suất thấp q trình khơng thuận nghịch Nhiệt truyền từ nơi nóng sang nơi lạnh, q trình truyền nhiệt không thuận nghịch Hiện tượng truyền nhiệt thuận nghịch nhiệt độ vật tiếp xúc Ngồi q trình truyền nhiệt phải vơ chậm Theo định nghĩa trình thuận nghịch trạng thái trình trạng thái cân Do kết luận: Mọi trình chuẩn cân trình thuận nghịch Ta thấy trình xảy máy nhiệt lý tưởng trình thuận nghịch Điều có nghĩa máy nhiệt lý tưởng hoạt động theo hai chiều thuận (động nhiệt) nghịch (máy làm lạnh) Trong hai chiều công nhiệt đổi dấu không thay đổi giá trị Máy nhiệt lý tưởng máy nhiệt thuận nghịch Không tồn trình thuận nghịch thiên nhiên, động thuận nghịch mang tên động nhiệt lý tưởng 3.2 Chu trình Các nơ (Carno) Ta tìm chu trình mà tác nhân khí lý tưởng thoả mãn điều kiện máy nhiệt thuận nghịch Như chu trình mà máy nhiệt thực phải chu trình thuận nghịch Muốn phải tạo lên từ trình thuận nghịch Chu trình Các nơ thoả mãn điều kiện Có bao gồm hai trình đẳng nhiệt thuận nghịch hai q trình đoạn nhiệt thuận nghịch (Hình 2.6) mơ tả hoạt động chu trình (Hình 2.7) diễn tả chu trình giản đồ (P,V) Qua bốn bước: * Bước 1: Xylanh tiếp xúc với nguồn nóng T1 Khí lý tưởng trạng thái ban đầu A, ứng với nhiệt độ T1, áp suất PA, thể tích VA giản đồ (P,V) Bớt dần trọng lượng pittông để khí dãn chậm đến điểm B giản đồ (P,V) Nhiệt độ khí giữ ngun T1 khí nhận nhiệt lượng Ql từ nguồn nóng T1 Đây q trình đẳng nhiệt, nội khí khơng đổi tất nhiệt hấp thụ biến thành cơng dương khí dãn 64 Ta biểu diễn biểu thức tốn học tổng quát sau: 2.2.2 Trong môi trường Thực nghiệm chứng tỏ, hai phần tử dòng điện đặt môi trường, khoảng cách so với chúng đặt chân khơng lực tác dụng thay đổi μ lần μ gọi độ từ thẩm mơi trường Nếu μ > mơi trường gọi chất thuận từ μ < gọi môi trường nghịch từ Và định luật Amue viết tổng quát cho môi trường là: Nhận xét: định luật Ampe định luật tương tác từ Thật dịng điện tập hợp phần tử dịng điện biết tương tác hai phần tử dòng điện ta tính tương tác dịng điện, giống định luật Cu lông định luật tương tác điện tích VÉC TƠ CẢM ỨNG TỪ, VÉC TƠ CƯỜNG ĐỘ TỪ TRƯỜNG 3.1.Véc tơ cảm ứng từ B Từ định luật Ampe ta xét vectơ Thì véc tơ dB phụ thuộc vào I.dl phần tử dòng điện gây từ trường vị trí điểm xét, khơng phụ thuộc vào I dl dB gọi véc tơ cảm ứng từ phần tử dòng điện I dl gây điểm M Biểu thức (3) gọi định luật Bio-sava-laplat Định lý phát biểu sau: Véc tơ cảm ứng từ phần tử dòng điện gây điểm từ trường có: - Phương vng góc với mặt phẳng chứa phần tử dòng điện điểm xét (mặt r phẳng chứa I dl r ) r r - Chiều cho thứ tự ba véc tơ I dl r , lập thành tam diện thuận (chiều r ) - Có độ lớn: 99 * Chú ý: - Với khái niệm dB định luật Ampe biểu diễn: - Rõ ràng so sánh với biểu thức lực tĩnh điện: r Thì thấy dB tương đương với véc tơ E - Chùm vectơ dB tìm theo quy tắc đinh ốc sau đây: Đặt đinh ốc theo phương dòng điện vặn đinh ốc cho tiến theo chiều dịng điện, chiều quay đinh ốc chiều véc tơ dB - Trong hệ SI đơn vị cảm ứng từ Tesla (T) 3.2 Nguyên lý chồng chất từ trường Dựa vào định luật Ampe ta tính véc tơ cảm ứng từ dòng điện n dòng điện gây điểm từ trường Thật vậy: - Đối với dòng điện: - Đối với n dòng điện: Trong B véc tơ cảm ứng từ dịng điện thứ i gây Biểu thức (5) (6) gọi nguyên lý chồng chất từ trường 3.3 Véc tơ cường độ từ trường H r Cũng giống điện trường, ngồi véc tơ E người ta cịn dùng véc tơ D để đặc trưng cho điện trường Trong từ trường ngồi véc tơ B ta cịn dùng đại lượng véc tơ cường độ từ trường H định nghĩa: Rõ ràng H B phương chiều khác độ lớn, H không phụ thuộc vào μ Trong hệ SI đơn vị H Ampelmet (Anh) 3.4 Véc tơ cảm ứng từ B cường độ từ trường H vài trường hợp đặc biệt Dựa vào định luật Ampe nguyên lý chồng chất từ trường ta tính véc tơ cảm ứng từ B cho dòng điện Ta xét số trường hợp đặc biệt sau: 100 3.4.1 Dịng điện trịn Giả sử có dây dẫn hình trịn bán kính R, có dịng điện I chạy qua Ta tính cảm ứng từ dòng điện gây tâm O Xét phần tử I dl bất kỳ, ta thấy: α = 900 độ lớn: Còn phương chiều áp dụng quy tắc đinh ốc (trong trường hợp có phương vng góc với mặt phẳng chứa dây dẫn, chiều vào) (Hình 3.6) Các phần tử I dl dây dẫn gây O véc tơ cảm ứng từ dB phương chiều có độ lớn bằng: Do đó: Chú ý: - Để đặc trưng cho tính chất từ địng điện trịn người ta đại lượng lý mô men từ dòng điện tròn định nghĩa sau: Trong đó: I cường độ dịng điện S véc tơ có cường độ lớn diện tích hình trịn chứa vịng dây có dịng điện chạy, chiều S chiều B đó: Nếu dùng khái niệm: Thì cảm ứng từ B dịng điện trịn gây tâm O viết 101 Để tìm chiều véc tơ cảm ứng từ gây dòng điện tròn người ta dùng quy tắc kim đồng hồ sau: Nhìn vào vịng dây, dòng điện chạy ngược chiều kim đồng hồ cực bắc (đường sức cảm ứng từ từ cực bắc) dòng điện chạy chiều kim đồng hồ cực nam Biết B0 ta tính H : Về độ lớn: Rõ ràng theo (9) hệ SI đơn vị H (A/m) 3.4.2 Dòng điện thẳng Giả sử có dây điện thẳng dài AB, có cường độ I qua Hãy tính cảm ứng từ B H dòng điện gây điểm M cách dây dẫn khoảng R (Hình 3.8) Muốn dây dẫn điểm C ta lấy phấn tử dịng điện I dl I dl gây M véc tơ cảm ứng từ có phương chiều xác định quy tắc đinh ốc (trong hình vẽ có phương vng góc với mặt phẳng chứa I dl điểm xét, chiều vào) Có độ lớn: Gọi CH = ta có: Vì dl > nên: 102 Mặt khác ta có: Do đó: Ta thấy phần tử dịng điện dây dẫn gây M véc tơ cảm ứng từ dù có phương, chiều Do độ lớn Nếu dây dẫn dài vơ hạn thì: Và (10) trở thành: Tương tự véc tơ cường độ từ trường H dòng điên gây M có phương, chiều chiều với B Cịn độ lớn: Và trường hợp dây dẫn dài vô hạn: 103 CHƯƠNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ THÍ NGHIỆM VỀ HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ Ta biết dòng điện gây xung quanh từ trường Vậy ngược lại từ trường gây dịng điện khơng? Năm 1831 nhà vật lý học người Anh Faraday thực nghiệm chứng tỏ có từ trường biến đổi sinh mạch kín dịng điện, gọi dịng điện cảm ứng, tượng gọi tượng cảm ứng điện từ Phát minh tượng cảm ứng điện từ phát minh quan trọng vật lý nói riêng khoa học nói chung 1.1.Thí nghiệm 1: Dùng nam châm thẳng để gần đầu ống dây A, ống dây A nối với điện kế nhận G (Hình 4.1) Nếu giữ nguyên ống dây dịch chuyển nam châm thời gian nam châm dịch chuyển, ống dây A có dịng điện Độ lớn chiều dòng điện phụ thuộc vào tốc độ dịch chuyển nam châm (nếu dịch chuyển nam châm nhanh cường độ dịng cảm ứng lớn Nếu đưa cực bắc lại gần ống dây, dịng cảm ứng xuất có chiều ngược chiều với đưa cực bắc xa ống dây) Nếu giữ nguyên nam châm dịch chuyển ống dây tượng xảy tương tự trên.Vậy có chuyển động tương đối nam châm ống dây ống dây xuất dịng cảm ứng 1.2.Thí nghiệm Thay nam châm ống dây B, ống dây B nối với nguồn điện chiều (Hình 4.2) - Nếu đóng khố K Cho ống dây A, B chuyển động tương đối ống dây A có dịng cảm ứng thí nghiệm - Nếu để A B đứng n, đóng ngắt khố K ta thấy ống dây A xuất dịng cảm ứng Dịng cảm ứng có chiều đóng K ngược chiều với dòng cảm ứng xuất ngắt khố K * Nhận xét: qua thí nghiệm ta thấy ống dây có dịng điện chiều chạy qua tương đương với nam châm thẳng, ta gọi nam châm điện * Kết luận: qua nhiều thí nghiệm Faraday đến kết luận Khi từ thông qua mạch kín biến đổi mạch kín xuất dòng cảm ứng 104 - Dòng điện cảm ứng tồn thời gian từ thông biến đổi qua mạch kín - Nồng độ dịng cảm ứng tỷ lệ thuận với tốc độ biến thiên từ thông qua mạch kín Chiều dịng điện cảm ứng phụ thuộc vào biến đổi từ thơng qua mạch kín tăng hay giảm CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN VỀ CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ 2.1 Định luật Len xơ chiều dòng cảm ứng 2.1.1 Phát biểu Dòng cảm ứng có chiều cho từ trường sinh chống lại nguyên nhân sinh 2.1.2 Thí dụ Trong thí nghiệm đưa cực bắc nam châm lại gần đầu ống dây A Ta thấy từ thông qua ống dây A tăng lên, theo định luật Len xơ dịng cảm ứng phải có chiều cho từ trường sinh chống lại tăng từ thơng Muốn đường sức từ trường dòng điện ống dây gây phải ngược chiều với đường sức từ nam châm gây (Hình 4.3) Áp đụng quy tắc kim đồng hồ ta thấy đầu ống dây A gần nam châm phải cực bắc.Tương tự đưa cực bắc nam châm xa ống dây đầu ống dây A gần nam châm phải cực nam Dịng điện ống dây lúc chạy theo chiều ngược lại Chú ý: muốn dịch chuyển nam châm ta phải tốn lượng học, lượng biến thành lượng dòng cảm ứng, định luật Len xơ biểu định luật bảo toàn lượng 2.2 Định luật Faraday suất điện động cảm ứng Sự suất dòng điện cảm ứng chứng tỏ mạch xuất suất điện động Suất điện động gọi suất điện động cảm ứng Để tính suất điện động cảm ứng ta xét thí nghiệm tổng qt sau: Dịch chuyển vịng dây kín (C) từ trường từ vị trí (1) đến vị trí (2) cho từ thơng qua mạch kín biến đổi (Hình 4.4) Giả sử sau thời gian dt, từ thơng qua mạch kín biến đổi lượng dΦ cường độ dòng cảm ứng IC Khi cơng từ lực tác dụng lên dịng cảm ứng là: Theo định luật Len xơ, từ lực tác dụng lên dòng điện cảm ứng phải ngăn cản 105 dịch chuyển vịng dây dịch chuyển nguyên nhân gây dòng cảm ứng nên cơng từ lực tác dụng lên dịng cảm ứng phải cơng cản Vì để dịch chuyển vịng dây ta phải tốn cơng dA' cơng cản Theo định luật bảo tồn lượng, cơng dA' phải chuyển thành lượng dòng điện cảm ứng Nếu gọi εC suất điện động cảm ứng, ta phải có: (16.1) gọi định luật Faraday suất điện động cảm ứng phát biểu sau: Suất điện động cảm ứng luôn trị số trái dấu với tốc độ biến thiên từ thơng gửi qua diện tích mạch điện Chú ý: Theo định luật Len xơ công từ lực tác dụng dịng cảm ứng cơng cản, để dịch chuyển mạch điện từ trường ta phải tốn công trị số trái dấu với cơng cản Vì dấu (-) biểu thức (16.1) biểu mặt toán học định luật Len xơ Vậy định luật Faraday suất điện động cảm ứng định luật tổng quát tượng cảm ứng điện từ MỘT SỐ TRƯỜNG HỢP ĐẶC BIỆT CỦA CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ 3.1 Dòng điện xoay chiều Một ứng dụng quan trọng cảm ứng điện từ tạo dòng điện xoay chiều Dòng xoay chiều trường hợp dịng cảm ứng xuất có biến thiên từ thơng tuần hồn qua mạch kín Thật ta xét khung dây đặt từ trường cảm ứng từ B Ở thời điểm t = 0, B vng góc với mặt phẳng khung, từ thông qua mạch là: Nếu ta quay khung với vận tốc góc ω Xung quanh trục OO' (Hình 4.5) thời điểm t từ thơng qua khung là: 106 Theo định luật cảm ứng điện từ suất điện động khung là: Vậy suất điện động trường hợp suất điện động xoay chiều hình sin, nên mạch kín xuất dịng điện có cường độ dịng điện Dịng điện gọi dịng điện xoay chiều với chu kỳ: Tần số: Chú ý: - Trong kỹ thuật máy phát điện tạo dòng điện xoay chiều gọi máy dao điện - Các máy dao điện tạo dịng điện có tần số 50Hz 60Hz - Nếu khung dây gồm nhiều vòng dây thì: 3.2 Dịng điện Phucơ: Khi có khối vật dẫn chuyển động từ trường, từ trường biến thiên khối vật dẫn khối vật dẫn xuất dịng điện cảm ứng, trường hợp gọi dịng Phucơ Cường độ dịng Phucơ là: Vì R nhỏ nên εF lớn, theo định luật Jun- Len xơ tác dụng nhiệt địng Phucơ lớn Với đặc điểm dịng Phucơ có vai trị quan trọng kỹ thuật 3.2.1 Tác hại dịng Phucơ Trong biến điện, máy phát điện, động điện lõi sắt chúng xuất dịng Phucơ, phần lượng dạng toả nhiệt, đặc biệt lõi sắt có điện trở nhỏ tác dụng nhiệt lớn, bị nóng chảy Để làm giảm tác đụng nhiệt này, lõi người ta không dùng khối kim loại mà gồm nhiều kim loại mỏng ghép lại, kim loại sơn cách điện với 3.2.2 Dịng Phucơ có lợi: Trong nhiều trường hợp tác dụng nhiệt dịng Phucơ lại có lợi Thí dụ để nóng chảy kim loại người ta dùng lị cảm ứng, lò để kim loại, dùng từ trường biến thiên qua lò, tác dụng nhiệt làm kim loại nóng chảy Ưu điểm phương pháp so với phương pháp khác thực chân không 107 CHƯƠNG DAO ĐỘNG ĐIỆN TỪ- SÓNG ĐIỆN TỪ CÁC LUẬN ĐIỂM MACXOEN 1.1 Luận điểm Macxoen thứ nhất: Như biết, thí nghiệm Farađây tượng cảm ứng điện từ chứng tỏ ta làm biến đổi từ thơng gửi qua vịng dây khép kín, cách đặt vòng dây từ trường biến thiên, vòng dây xuất dòng điện cảm ứng có chiều xác định định luật Len xơ: từ thơng gửi qua vịng dây tăng, dịng điện cảm ứng có chiều hình; từ thơng gửi qua vịng dây giảm, dịng diện cảm ứng có chiều hình Sự xuất dịng điện cảm ứng chứng tỏ dây dẫn xuất điện r trường E , có chiều chiều dịng điện cảm ứng Làm thí nghiệm với nhiều vòng dây chất khác nhau, nhiệt độ khác nhau, Mắc xoen thấy: Suất điện động cảm ứng - đại lượng đặc trưng tượng cảm ứng điện từ mạch kín - khơng phụ thuộc chất dây, khơng phụ thuộc nhiệt độ dây Điều có nghĩa là, vịng dây khơng phải ngun nhân sinh điện trường, mà phương tiện giúp ta phát có mặt điện trường Trong tượng cảm ứng điện từ, nguyên nhân gây dòng điện cảm ứng biến đổi từ thông gửi qua mạch điện, tức biến đổi từ trường nơi đặt mạch Vậy điện trường gây nên dịng cảm ứng từ trường biến đổi theo thời gian sinh Rõ ràng điện trường điện trường tĩnh đường sức điện trường tĩnh đường cong hở, công điện trường tĩnh dịch chuyển hạt điện theo đường cong kín Vì điện trường tĩnh làm cho hạt điện dịch chuyển theo đường cong kín để tạo thành dịng điện (Vì điện trường tĩnh.l tạo nên dịng điện khép kín nghĩa ta không tốn công mà sinh lượng điện?) Muốn làm cho hạt điện chuyển động theo đường cong kín cơng điện trường dịch chuyển hạt điện theo đường cong kín phải khác không: 108 Nghĩa đường sức điện trường phải đường cong kín Thực nghiệm xác nhận điện trường gây nên dịng điện cảm ứng có đường sức khép kín Vì vậy, người ta gọi điện trường điện trường xốy Tóm lại, sở phân tích trên, Măcxoen phát biểu luận điểm tổng quát, gọi luận điểm thứ Măcxoen: Bất kì từ trường biến đổi theo thời gian sinh điện trường xoáy 1.2 Luận điểm thứ hai Măcxoen Theo luận điểm thứ Măcxoen, từ trường biến đổi theo thời gian sinh điện trường xoáy Vậy ngược lại điện trường biến đổi theo thời gian sinh từ trường khơng? Để đảm bảo tính đối xứng mối liên hệ điện trường từ trường, Măcxoen giải vấn đề luận điểm gọi luận điểm thứ hai Măcxoen: Bất kì điện trường biến đổi theo thời gian sinh từ trường Luận điểm thực nghiệm chứng minh Như vậy, theo luận điểm thứ nhất, từ trường sinh điện trường với luận điểm thứ hai, Măcxoen khẳng định rằng, ngược lại, điện trường sinh từ trường Ở cần lưu ý điện trường nói chung khơng đồng khơng gian, nghĩa biến đổi từ điểm sang điểm khác, theo luận điểm thứ hai Măcxoen, biến đổi điện trường không sinh từ trường mà có biến đổi theo thời gian sinh từ trường SỰ TẠO THÀNH SĨNG ĐIỆN TỪ, CÁC TÍNH CHẤT, ĐẶC ĐIỀM CỦA SĨNG ĐIỆN TỪ 2.1 Sự tạo thành sóng điện từ: Héc làm thí nghiệm sau: Dùng nguồn xoay chiều cao tần, nối qua hai ống dây tự cảm L, L' đến hai kim loại D, D' đầu hai kim loại có gắn hai cầu kim loại A, B gần Người ta điều chỉnh hiệu điện khoảng cách AB để để có tượng phóng điện AB Như AB xuất điện trường biến thiên theo thời gian Nếu dùng dụng cụ phát hiện, ta thấy điểm M khơng gian có cặp r véc tơ cường độ điện trường E cường độ từ trường H , chúng biến thiên theo thời gian Vậy thí nghiệm Héc chứng tỏ: điện từ trường biến thiên truyền không gian Quá trình giải thích nhờ hai luận điểm Măcxoen 109 Thí dụ: Tại điểm O, ta tạo điện trường biến thiên: véc tơ cường độ điện r trường E biến thiên theo thời gian Theo luận điểm thứ hai Măcxoen, điện trường O biến thiên tạo từ trường, nghĩa điểm M, M', M'' xuất véc r tơ cường độ từ trường H , H ', H ''… E biến thiên tuần hồn theo thời gian nên H , H ', H ''… biến thiên tuần hoàn theo thời gian Theo luận điểm thứ Măcxoen, từ trường biến thiên gây điện trường xoáy, điểm M', M'' xuất r r r véc tơ cường độ điện trường E , E ' Như ta thấy cặp véc tơ E , H truyền đến điểm khơng gian, q trình truyền gọi sóng điện từ Sóng điện từ trường điện từ biến thiên truyền khơng gian 2.2 Các tính chất, đặc điểm sóng điện từ: + Sóng điện từ tồn môi trường vật chất chân khơng (khác với sóng học khơng tồn chân khơng) + Sóng điện từ sóng ngang: điểm khoảng khơng gian có sóng điện r từ, phương véc tơ E , H , tức phương dao động, vng góc với phương truyền sóng + Vận tốc truyền sóng điện từ môi trường đồng đẳng hướng: v= c εμ ε : Hằng số điện môi ε, độ từ thẩm môi trường μ n = εμ : chiết suất tuyệt đối môi trường Trong chân không ε = l, μ = 1, v = c = 3.108 m/s Thực nghiệm chứng tỏ n > 1, c > v, nghĩa vận tốc truyền sóng điện từ chân khơng lớn so với mơi trường khác THANG SĨNG ĐIỆN TỪ Người ta gọi sóng điện từ phẳng đơn sắc sóng điện từ có tần số (hoặc bước sóng xác định) Gọi λ bước sóng, T chu kì, v vận tốc truyền sóng điện từ mơi trường ta có: Trong λ = c.T bước sóng sóng điện từ chân khơng Vậy bước sóng sóng điện từ phụ thuộc mơi trường, có giá trị lớn chân không Người ta phân loại sóng điên từ đơn sắc theo độ lớn tần số (tính đơn vị Héc) hay bước sóng (trong chân khơng) Ta lập bảng ghi tên loại sóng điện từ ứng với bước sóng từ nhỏ đến lớn gọi thang sóng điện từ 110 111 Kế hoạch giảng dạy học tập cụ thể Số buổi Nội dung giảng dạy Nội dung học tập sinh viên Số tiết Phần 1: CƠ HỌC - Giới thiệu tổng quan mơn học - Giới thiệu hình thức đánh giá, phương pháp học tập - Giảng lý thuyết chương - Kiểm tra kiến thức học - Giảng lý thuyết chương - Sinh viên giới thiệu tài liệu tham khảo, hình thức đánh giá mơn học - Sinh viên học lý thuyết chương - Sinh viên đọc trước nội dung chương Đọc tài liệu tham khảo nội dung học chương - Sinh viên học lý thuyết chương - Kiểm tra kiến thức học - Giả ng lý thuyết chương - Sinh viên đọc trước nội dung chương 3, Đọc tài liệu tham khả o nội dung h ọc chương - Sinh viên học lý thuyết chương Phần 2: NHIỆT HỌC - Kiểm tra kiến thức học - Sinh viên đọc trước nội dung chương - Giảng lý thuyết chương - Sinh viên học lý thuyết chương - Kiểm tra kiến thức học - Sinh viên đọc trước nội dung chương - Giảng lý thuyết chương - Sinh viên học lý thuyết chương 5 - Kiểm tra kiến thức học - Sinh viên đọc trước nội dung chương - Giảng lý thuyết chương - Sinh viên học lý thuyết chương Phần 3: ĐIỆN TỪ - Kiểm tra kiến thức học - Sinh viên đọc trước nội dung chương 1,2 - Giảng lý thuyết chương 1,2 - Sinh viên học lý thuyết chương 1,2 - Kiểm tra kiến thức học - Sinh viên đọc trước nội dung chương 3,4 - Giảng lý thuyết chương 3,4 - Sinh viên học lý thuyết chương 3,4 - Kiểm tra kiến thức học - Sinh viên đọc trước nội dung chương - Giảng lý thuyết chương - Sinh viên học lý thuyết chương Duyệt đơn vị Hậu giang ngày 9, tháng 08, năm 2013 Giảng viên biên soạn ( ký, ghi rõ họ tên) Th.S Lâm Văn Ngoán 5