Báo cáo bài tập nhóm chương 5 hiện tượng cảm ứng điện từ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ QUỐC DÂN VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ KINH TẾ SỐ BỘ MÔN VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG BÁO CÁO BÀI TẬP NHÓM CHƯƠNG HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ Nhóm Lớp Khoa học máy tính 64 (CNTT1191(122)_01) 2022 THÀNH VIÊN TRONG NHĨM Nguyễn Thị Khánh Linh Phạm Văn Linh Trịnh Quỳnh Ly Lê Đức Minh Phạm Đình Minh Cù Tiến Nam Vũ Đình Bảo Ngọc Nguyễn Hoàng Nguyên MỤC LỤC Phần I – Hiện tượng cảm ứng điện từ Dịng điện Foucault (Fư-cơ)…….3 A – Hiện tượng cảm ứng điện từ .4 I Thí nghiệm Faraday Định luật Lenz : .4 Thí nghiệm Faraday: .4 Định luật Lenz: II Hiện tượng cảm ứng điện từ: III Hiện tượng tự cảm Suất điện động cảm ứng: .6 IV Các định luật tượng cảm ứng điện từ: B – Dịng điện Fư-cơ: I Thí nghiệm Fucơ: .7 II Tác hại dịng Fư-cơ: III Lợi ích dịng Fư-cô: Phần II – Ứng dụng tượng cảm ứng điện từ : Tàu đệm từ … I Sơ lược tàu đệm từ: .10 II Cấu tạo thành phần tàu đệm từ: 11 Phần tàu : 11 Phần đường ray : 12 III Nguyên lý hoạt động: 12 Năng lượng sử dụng: 12 Cách tàu hoạt động: 13 Lực nâng 13 Lực giúp tàu không lệch sang hai bên .14 Phần III – Hiện tượng điện mặt 16Y I Thí nghiệm tượng: .16 II Hiện tượng điện mặt: 16 III Ứng dụng tượng điện mặt: Sự kim loại lớp ngoài: 17 PHẦN I HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ DÒNG ĐIỆN FOUCAULT (FƯ-CÔ) A – Hiện tượng cảm ứng điện từ Trong lĩnh vực ứng dụng kĩ thuật, người phát minh phát vô số định luật, tượng có sức ảnh hưởng lớn đến khoa học toàn nhân loại Tuy nhiên, bật số phải kể đến tượng Cảm ứng điện từ - Một tượng thấy thường xuyên nhiều ứng dụng đời sống I Thí nghiệm Faraday Định luật Lenz : Michael Faraday Heinrich Lenz nhà khoa học vô xuất sắc tiếng Michael Faraday thực thí nghiệm nghiên cứu Cảm ứng điện từ năm 1831 Heinrich Lenz nghiên cứu lĩnh vực này, đồng thời ông đưa định luật tổng quát Thí nghiệm Faraday: Lấy cuộn dây mắc nối tiếp với điện kế G thành mạch kín (hình a) Phía ống dây đặt nam châm cực BắcNam Thí nghiệm cho thấy: Hình Thí nghiệm Faraday  Nếu rút nam châm ra, dịng điện cảm ứng có chiều ngược lại (hình b)  Di chuyển nam châm nhanh, cường độ dòng điện cảm ứng Ic lớn  Giữ nam châm đứng yên so với ống dây, dòng điện cảm ứng không  Nếu thay nam châm ống dây có dịng điện chạy qua, tiến hành thí nghiệm trên, ta có kết tương tự Từ thí nghiệm đó, Faraday rút kết luận sau đây: • Từ thơng gửi qua mạch kín biến đổi theo thời gian nguyên nhân sinh dòng điện cảm ứng mạch • Dịng điện cảm ứng tồn thời gian từ thơng gửi qua mạch kín biến đổi • Cường độ dịng điện cảm ứng tỉ lệ thuận với tốc độ biến đổi từ thông • Chiều dòng điện cảm ứng phụ thuộc vào tăng hay giảm từ thông gửi qua mạch (vì hình 1a 1b ta thấy từ thơng hai đầu nam châm lớn vị trí nam châm) Định luật Lenz: Nội dung định luật Lenz: Dòng điện cảm ứng phải có chiều cho từ trường sinh có tác dụng chống lại nguyên nhân sinh Định luật giúp ta xác định chiều dịng điện cảm ứng: - Khi từ thơng qua mạch tăng lên, từ trường cảm ứng sinh có tác dụng chống lại tăng từ thông: từ trường cảm ứng ngược chiều với từ trường - Khi từ thông qua mạch giảm, từ trường cảm ứng (do dịng điện cảm ứng sinh nó) có tác dụng chống lại giảm từ thơng, lúc từ trường cảm ứng chiều với từ trường ngồi Nếu Dịng điện cảm ứng, biểu diễn toán học sau: II Hiện tượng cảm ứng điện từ: Từ thí nghiệm nhà khoa học trên, ta có khái niệm tượng cảm ứng điện từ sau: Hiện tượng cảm ứng điện từ tượng hình thành suất điện động (điện áp) vật dẫn vật dẫn đặt từ trường biến thiên Trên thực tế, ta bắt gặp tượng phổ biến sống, ví dụ : - Lị vi sóng - Máy xay - Lị nướng - Chuông cửa - Loa … Tất ứng dụng đóng vai trị thiết yếu hỗ trợ người nhiều hoạt động thường nhật Từ đó, ta hiểu phần tầm quan trọng tính thực tiễn tượng vật lý thú vị III Hiện tượng tự cảm Suất điện động cảm ứng: Hiện tượng tự cảm tượng cảm ứng điện từ xảy mạch có dịng điện biến thiên Dịng điện mạch biến thiên làm từ thông qua cuộn dây mạch biến thiên sinh dòng điện gọi dòng điện tự cảm Suất điện động cảm ứng suất điện động sinh tượng cảm ứng điện từ Suất điện động cảm ứng luôn trị số, trái dấu với tốc độ biến thiên từ thơng gửi qua diện tích mạch điện Từ suy biểu thức suất điện động: Docum Discover more from: Học liệu Kinh tế Quốc Dân TQL2022 Đại học Kinh tế Quốc dân 26 documents Go to course Academic Quản trị Syllabus - document… marketing -… Internationa… Học liệu… None Học liệu… None Học liệu… None Fin360 Autumn 202… Học liệu… None IV Các định luật tượng cảm ứng điện từ: Công lực từ tác dụng lên dịng điện cảm ứng có giá trị: Theo định luật Lenz, công từ lực tác dụng lên dịng điện cảm ứng cơng cản có giá trị: Công chuyển thành lượng dịng cảm ứng có giá trị: B – Dịng điện Fư-cơ: I Thí nghiệm Fucơ: - Thử quay đĩa kim loại quanh trục khơng có ma sát Ta thấy đĩa quay thời gian lâu - Thử lại, lần đặt đĩa kim loại quay từ trường mạnh Lúc này, đĩa nhanh chóng dừng lại, đồng thời có tượng nóng lên Thí nghiệm giải thích sau: Các hạt tích điện chuyển động tự đĩa kim loại (cụ thể electron), chuyển động, với đĩa, từ trường chịu lực Lorentz gây từ trường, làm lệch quỹ đạo chuyển động Điều có nghĩa hạt tích điện chuyển động tương đối so với đĩa tạo dòng điện, gọi dòng điện Fưcơ Dịng điện : +) Bị cản trở điện trở đĩa sinh nhiệt lượng làm nóng đĩa +) Theo định luật bảo tồn lượng, động đĩa quay chuyển hóa thành nhiệt nó, đĩa buộc phải quay chậm lại nóng lên Cường độ dịng điện Fucơ tính: Trong đó:  R điện trở vật dẫn  I  c  m nên từ trường biến đổi nhanh I mạnh II Tác hại dịng Fư-cơ: Trong máy biến thế, động điện, máy phát điện lõi sắt chúng xuất dịng Fucơ, theo hiệu ứng Jun-Lenx lượng dịng Fucơ bị chuyển hóa thành nhiệt làm máy nhanh bị nóng, phần lượng bị hao phí làm giảm hiệu suất máy Ví dụ: Máy biến thay lõi sắt thành kim loại ghép sát để giảm dịng Fucơ III Lợi ích dịng Fư-cơ: Mặc dù làm giảm hiệu suất máy móc, số trường hợp định, dịng Fư-cơ lại có lợi Chẳng hạn bếp từ (hay bếp điện cảm ứng), bếp tạo ra, khoảng cách vài milimét bề mặt bếp, từ trường biến đổi Đáy nồi kim loại nằm từ trường nóng lên, nấu chín thức ăn Ưu điểm bếp tốc độ đun nấu nhanh, giảm nhiệt dung (khơng cịn nhiệt dung bếp, có nhiệt dung nồi) Việc điều chỉnh nhiệt độ chế độ nấu nướng thực xác dễ dàng Tuy nhiên bếp có hiệu ứng cảm ứng điện từ chưa kiểm chứng sức khỏe người Hay ví dụ khác đồng hồ đo điện: Trong số loại đồng hồ đo điện, người ta ứng dụng dịng điện Fucơ để làm tắt nhanh dao động kim đồng hồ, tránh sai số Người ta gắn vào đầu kim đĩa kim loại nhỏ (bằng đồng nhôm), đặt đĩa từ trường nam châm vĩnh cửu Khi kim chuyển động, đĩa kim loại bị chuyển động theo Từ thông qua đĩa thay đổi làm xuất đĩa dịng điện Fucơ Theo định luật Lenz, dịng điện Fucô tương tác với từ trường nam châm gây lực chống lại chuyển động đĩa Kết dao động kim bị tắt nhanh chóng PHẦN II ỨNG DỤNG CỦA HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ : TÀU ĐỆM TỪ Trong cách mạng khoa học công nghệ 4.0, hàng loạt nguyên lý, định lý, tượng vật lý áp dụng vào đời sống trở thành công cụ hữu ích giúp sống người trở nên dễ dàng thuận tiện Hiện tượng cảm ứng điện từ ngoại lệ Bên cạnh ứng dụng phổ biến tượng lị vi sóng, chng cửa, … ta phải kể đến ứng dụng khiến việc lại người trở nên nhanh gọn nhiều, tàu đệm từ I Sơ lược tàu đệm từ: - Là phương tiện chuyên chở nâng lên, dẫn lái đẩy tới lực từ lực điện từ Khi tàu chạy, nam châm điện cực mạnh nhấc lên khỏi đường ray, bay lên mặt đất - Phương pháp giúp tàu chạy nhanh tiện nghi loại phương tiện sử dụng bánh xe Tàu đệm từ đạt đến tốc độ ngang với máy bay sử dụng động cánh quạt hay phản lực, khoảng 500 – 580 km/h - Vì tàu lơ lửng không nên giảm đáng kể lực ma sát, loại bỏ cấu trúc khí cịn tác dụng khí động học (lực cản khơng khí) - Tàu đệm từ có tốc độ cao, tiêu tốn lượng tiếng ồn - Hiện áp dụng số nước Nhật, Đức, Trung Quốc, Mĩ, Hàn Quốc chi phí xây dựng đắt đỏ - Một số hình ảnh loại phương tiện hữu dụng : Tàu đệm từ siêu tốc Trung Quốc 10 Tàu đệm từ Nhật Bản Tàu đệm từ sân bay Icheon, Hàn Quốc II Cấu tạo thành phần tàu đệm từ: Phần tàu : • Hai bên thân tàu gắn nam châm điện siêu dẫn, tạo từ trường cực mạnh để nâng đẩy tàu với tốc độ tối đa 500 km/h • Nam châm điện siêu dẫn cấu tạo từ hợp kim Niobium – Titan trì nhiệt độ siêu lạnh khoảng - 270 °C (được làm lạnh Helium lỏng Nitơ lỏng) 11 Phần đường ray : - Cấu tạo: máng hình chữ U - Các đường ray bên chủ yếu để tàu tăng tốc từ ->150 bánh cao su - Phần (màu xanh) nam châm bình thường nối với trạm biến áp, dùng để điều chỉnh tần số dòng điện -> kiểm sốt tốc độ tàu - Các vịng bên ngồi có cấu tạo giống số khơng có dịng điện qua dùng để tạo lực từ giúp nâng giữ tàu ổn định không lệch khỏi đường III Nguyên lý hoạt động: Năng lượng sử dụng: - Tàu sử dụng lượng điện, không cần cung cấp thêm trình di chuyển 12 - Bên đường ray có cuộn dây nối với nguồn điện, cuộn dây sinh từ trường bên tàu có cuộn dây Với khoảng cách tàu mặt đất đủ bé so với chiều từ trường, cuộn dây bên tàu sinh dòng điện xử lí tạo thành dịng điện lưu thơng trì ổn định nguồn điện cho hệ thống làm mát thiết bị điện - Nhờ nhiệt độ siêu lạnh khiến điện trở R nên cần cung cấp cho tàu lượng lượng điện ban đầu, dòng điện di chuyển vĩnh viễn bên cuộn dây hợp kim Cách tàu hoạt động: - Tàu có bánh xe cao su để tàu tăng tốc từ 0-150 km/h Sau bánh hạ lên tàu nâng lên cách mặt đất khoảng từ 1015mm - Nam châm hai bên máng đổi cực liên tục nhờ dòng điện chạy qua, kết hợp với nam châm thành tàu hình thành lực hút – đẩy chồng chất làm tàu chuyển động phía trước - Tùy chỉnh tốc độ thay đổi chiều dòng điện (tần số) Thay đổi tốc độ đổi cực  thay đổi tốc độ tàu Lực nâng - Nam châm siêu dẫn hai bên thành tàu tạo từ trường cực mạnh tốc độ cao  từ thông qua cuộn dây số biến thiên liên tục  sinh cảm ứng từ, biến cuộn dây thành nam châm điện 13 - Nam châm hai bên thành tàu đường tàu tạo lực đẩy ( S – S, N – N) lực hút (S – N) Tạo lực đẩy lên lực thắng lực hấp dẫn khiến cho tàu bay mặt đất khoảng từ 10-15 cm - Tâm nam châm siêu dẫn tâm cuộn dây nằm đường thẳng song song mặt đất Nếu tâm nam châm tàu lệch xuống vị trí này, từ thông chạy qua cuộn dây thay đổi tạo dịng điện có chiều (b) đẩy tàu lại vị trí cân Lực giúp tàu không lệch sang hai bên - Cuộn dây số hai bên nối với dây dẫn thông qua bên đường tàu - Khi tàu bị lệch, dịng điện bên mạnh (càng gần từ trường số đường sức qua cuộn dây lớn  từ thông qua cuộn dây lớn  tạo dòng điện lớn hơn) qua dây dẫn truyền bên lại tạo lực kéo tàu lại vị trí ban đầu - Ví dụ: tàu bị lệch sang bên phải từ trường tác động vào cuộn dây bên phải mạnh tạo dòng điện chuyền bên trái tạo lực kéo tàu lại vị trí 14 PHẦN III HIỆN TƯỢNG ĐIỆN MẶT Hiện tượng tự cảm xảy mạch điện mà cịn xảy lịng dây dẫn có dịng điện biến đổi chạy qua I Thí nghiệm tượng: Giả sử dòng điện cao tần từ lên : - Dòng điện gây lòng dây dẫn từ trường, với đường sức cảm ứng từ có chiều hình vẽ (quy tắc vặn nút chai) - Vì dịng điện biến đổi, nên từ trường gây biến đổi theo => Nếu xét tiết diện chứa trục đối xứng dây, từ thơng gửi qua tiết diện biến đổi Vì tiết diện xuất dịng điện tự cảm khép kín dịng điện ic hình Như vậy, dòng điện cao tần tăng, dòng điện tự cảm xuất dây dẫn chống lại tăng phần dòng điện cao tần chạy ruột dây, làm thuận lợi cho tăng phần dòng điện cao tần chạy bề mặt dây Nói cách khác, dịng điện cao tần chạy lớp bề mặt dây dẫn Và trường hợp dòng cao tần giảm, người ta chứng minh kết II Hiện tượng điện mặt: Hiện tượng mơ tả thí nghiệm gọi tượng điện mặt 15 Mô tả tượng điện mặt Khi cho dòng điện cao tần (dòng điện biến đổi với tần số cao) chạy qua dây dẫn tượng tự cảm, dịng điện khơng chạy lịng dây mà chạy lớp ngồi Lý thuyết thực nghiệm chứng tỏ: dòng điện cao tần có tần số 105 Hz trở lên, dịng điện chạy lớp bề mặt ngồi dày 0,20mm dây dẫn Vì lý đó, người ta làm dây dẫn rỗng để mang dòng điện cao tần, tiết kiệm nhiều kim loại III Ứng dụng tượng điện mặt: Sự kim loại lớp ngoài: Nhiều chi tiết máy biên trục máy, bánh khía cần đạt yêu cầu kỹ thuật là: lớp phải thật cứng, song bên phải có độ dẻo thích hợp Một phương pháp thuận tiện đơn giản lợi dụng hiệu ứng điện mặt Cách làm sau: Cho dòng điện cao tần chạy qua chi tiết máy để nung nóng lớp mặt ngồi tới nhiệt độ cần thiết Sau ta nhúng chi tiết máy vào chất lỏng để tơi kết lớp mặt ngồi cứng, bên chi tiết máy dẻo 16