Bài giảng vật lý đại cương A2 (Cảm ứng điện từ)

Hiện tượng cảm ứng điện từ Dòng cảm ứng xuất hiện trong mạch kín là kết quả của quá trình biến đổi từ thông qua mạch đó.. Dòng cảm ứng chỉ tồn tại trong thời gian từ thông gửi qua mạch t

1 Hiện tượng cảm ứng điện từ

2 Hiện tượng tự cảm

3 Năng lượng từ trường

CHƯƠNG 5 – CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ

1 Hiện tượng cảm ứng điện từ

Michael Faraday (1791-1867)

Thí nghiệm Faraday

vr

N

'

S N

S N

'

Br '

Br

S

N

S N

1 Hiện tượng cảm ứng điện từ

Thí nghiệm Faraday

Michael Faraday (1791-1867)

vr

'

Br

Br

Tăng dần

Br

thay đổi

1 Hiện tượng cảm ứng điện từ

) Dòng cảm ứng xuất hiện trong mạch

kín là kết quả của quá trình biến đổi từ

thông qua mạch đó

) Dòng cảm ứng chỉ tồn tại trong thời

gian từ thông gửi qua mạch thay đổi

) Cường độ dòng cảm ứng tỉ lệ thuận

với tốc độ biến đổi của từ thông

) Chiều dòng cảm ứng phụ thuộc vào

từ thông gửi qua mạch tăng hay giảm

Thí nghiệm Faraday

Michael Faraday (1791-1867)

Định luật Lenz

Heinrich Lenz (1804-1865)

) Nội dung: Dòng cảm ứng có chiều

sao cho từ trường do nó sinh ra chống

lại sự biến thiên của từ thông sinh ra nó

1 Hiện tượng cảm ứng điện từ

) Áp dụng:

'

Br

S N

S N

vr

IC

B’

B

ª Khi cực Bắc (N) tiến vào vòng dây

⇒ từ thông Φm do từ trường B của nam

châm gửi qua cuộn dây có chiều từ trên

xuống và tăng dần ⇒ xuất hiện dòng

cảm ứng I C ⇒ tạo ra B’ cảm ứng ngược

chiều B ⇔ từ thông Φ’ m của B’ chống

lại sự tăng của Φm ⇒ xác định chiều Ic.

vr S

N

IC

ª Rút thanh nam ra khỏi vòng dây ⇒

hiện tượng ngược lại

Sức điện động cảm ứng

ª Vòng dây dẫn kín di chuyển trong B

1 Hiện tượng cảm ứng điện từ

ª Công của từ lực để di chuyển vòng dây: dA = I c dΦm

ª Biến thiên từ thông gửi qua vòng

dây trong thời gian dt: dΦm ⇒ dòng

cảm ứng I c ⇔ xuất hiện một nguồn

điện cảm ứng hay s.đ.đ cảm ứng Ec

ª Theo đ/l Lenz: từ lực tác dụng lên I c ngăn cản sự di chuyển

của vòng dây (là nguyên nhân sinh ra Ic) ⇒ công cản:

dA’ = - dA = - I c dΦm ) Định luật cơ bản của hiện tượng

cảm ứng điện từ

ª Sức điện động cảm ứng trong một mạch kín bất kỳ bằng về trị

số nhưng khác dấu với tốc độ thay đổi của từ thông qua mạch.

ª Nếu từ thông gửi qua diện tích mạch kín giảm từ giá trị Φm về 0:

t t

dt

C

Δ

Φ

= Δ

Φ

−

−

=

Φ

−

ª Webe là từ thông gây ra trong một vòng dây dẫn bao quanh

nó một sức điện động cảm ứng bằng 1 V khi từ thông đó giảm đều xuống giá trị 0 trong thời gian 1 s

ª Theo đ/l bảo toàn năng lượng: dA’ chuyển thành NL của I c

⇒

dA’ = -I c dΦm = Ec I c dt (NL của I c)

dt

d m

C

Φ

−

=

E

Sức điện động cảm ứng

1 Hiện tượng cảm ứng điện từ

ª Với Δt = 1 s, Ec = 1 V ⇒ Φm = 1 (V) 1 (s) = 1 Webe (Wb)

) Định luật cơ bản của hiện tượng cảm ứng điện từ

) Định nghĩa đơn vị từ thông

Máy phát điện xoay chiều

1 Hiện tượng cảm ứng điện từ

ª Vị trí ban đầu của khung

tương ứng góc α giữa pháp

tuyến mặt phẳng khung vànr Br

ª Sau khoảng thời gian t ⇒

vị trí khung ứng với góc:

ϕ = ωt + α

) Khung dây (N vòng dây)

diện tích S quay trong từ

trường đều ( ) với vận

tốc góc ω

const

Br =

IC

α

Br

nr

O

Chổi than

Cổ góp

ωr

~

) Từ thông gửi qua khung sau khoảng thời gian t:

Φ = N.B.S.cosϕ = N.B.S.cos(ωt+α)

Máy phát điện xoay chiều

1 Hiện tượng cảm ứng điện từ

ª Đặt Ecmax = N.B.S.ω ⇒ EC = Ecmax sin(ωt + α)

ª Chu kỳ = chu kỳ quay của khung:

ω

2π

T =

R

NBSω R

E

0 max

R

NBSω

I = = I c = I 0 sinωt

Đặt:

) Khi khung quay đều trong

từ trường ⇒ xuất hiện 1 s.đ.đ

cảm ứng xoay chiều hình sin

theo đ/l Lenz:

(ω α)

=

−

= N.B.S sin t

dt

dΦ m

C

E

Φm = NB.S.cosωt

ωt NB.S.ωB.S.

C =

E

Φm ,Ec ,

Vị trí khung dây trong từ trường B

Dòng xoáy (dòng Foucault/ eddy current)

1 Hiện tượng cảm ứng điện từ

Léon Foucault (1819-1868)

) Dòng cảm ứng (có dạng xoáy) xuất hiện

trên bề mặt vật dẫn khi đặt trong từ trường:

R

F

E

=

ª Xuất hiện từ trường riêng

của dòng cảm ứng I F

Cuộn dây

Từ trường cuộn dây

Dòng xoáy

Từ trường dòng xoáy

Vật dẫn

) Hệ quả:

ª Dòng cảm ứng xuất hiện

trên bề mặt vật dẫn sẽ bị tiêu

tán dưới dạng nhiệt ⇒ tiêu hao

năng lượng vô ích ⇒ giảm

hiệu suất thiết bị (đặc biệt với

các động cơ)

1 Hiện tượng cảm ứng điện từ

) Do có từ trường của dòng cảm ứng xuất hiện trên bề mặt vật dẫn ⇒ ứng dụng trong các thiết bị dò tìm kim loại

Cửa an ninh (security gate)

Dòng xoáy

Báo động

Thiết bị dò mìn (mine detector)

Dòng xoáy

Dòng tạo

từ trường

Dòng cảm ứng do từ trường dòng xoáy

Dòng xoáy (dòng Foucault/ eddy current)

2 Hiện tượng tự cảm

Hiện tượng

ª Đóng mạch ⇒ quá trình ngược lại.

ª Dòng tự cảm : dòng điện sinh ra trong một mạch điện khi từ

) Mạch điện:

+ ống dây có lõi sắt

+ Điện kế (G)

K

G

I

K

G

I c

ª Ngắt mạch ⇒ từ thông qua

cuộn dây giảm từ Φm → 0:

Xuất hiện dòng cảm ứng Ic

ngược chiểu dòng ban đầu (đ/l

Lenz) ⇒ kim của G lệch theo

chiều ngược lại

K

G

ª Sau khoảng thời gian t ⇒ kim G trở về 0

ª Trong mạch điện đứng yên và không thay đổi hình dạng, sức điện động tự cảm luôn bằng tốc độ biến thiên cường độ dòng điện trong mạch.

S.đ.đ tự cảm

2 Hiện tượng tự cảm

Φ m∼ B

B ∼ I

dt

d m tc

Φ

−

=

E

) Theo đ/l Lenz:

dt

dI L dt

LI

d

tc = − ( ) = −

E

) Đ/v mạch đứng yên và giữ nguyên hình dạng:

(L: Hệ số tự cảm)

2 Hiện tượng tự cảm

ª Do μ lõi sắt lớn ⇒ đơn vị H lớn ⇒ thực tế chỉ dùng đơn vị

μ

Hệ số tự cảm

l S

N vòng

) Trường hợp ống dây có lõi sắt:

l

S

n I.l

S.I

n I

N.B.S I

Φ L

2 2

0

=

=

=

ª Đơn vị : Henry (H),

A

Wb 1 1A

1Wb 1H = =

ª H là hệ số tự cảm của 1 mạch

kín, khi có dòng điện cường độ 1 A

chạy qua mạch đó thì sinh ra trong

chân không, từ thông bằng 1 Wb.

) Định nghĩa đơn vị đo hệ số tự cảm (L)

Hiệu ứng bề mặt

Br

) Khi cho dòng điện cao tần chạy

qua 1 dây dẫn ⇒ dòng tự cảm chỉ

xuất hiện ở bề mặt dây dẫn

2 Hiện tượng tự cảm

ª Dùng dây dẫn rỗng để tải dòng cao tần

ª Kỹ thuật tôi bề mặt hợp kim bằng dòng cao tần

) Ứng dụng trong công nghệ:

ª Tần số f = 103 Hz ⇒ dòng tự

cảm chạy trong lớp vật liệu bề mặt

~ 2 mm

ª Tần số f = 105 Hz ⇒ dòng tự cảm chỉ chạy trong lớp vật liệu bề mặt ~ 0,2 mm

3 Năng lượng từ trường

+ Sức điện động E, dòng i0

+ Ống dây hệ số tự cảm L

+ Điện trở R

ª Khi đóng mạch ⇒ i ↑ ⇒ B

& Φm gửi qua L ↑ ⇒ i tc ngược

chiều i 0 ⇒ i = i 0 - i tc ⇒ NL

nguồn (~ i02) > NL mạch (~ i 2)

i tc

K

i 0

ª Khi ngắt mạch ⇒ i ↓ ⇒ B

& Φm gửi qua L ↓ ⇒ i tc cùng

chiều i 0 ⇒ i = i 0 + i tc ⇒ NL

nguồn (~ i02) < NL mạch (~ i 2)

i tc

K

i 0

Năng lượng từ trường của một ống dây

) Áp dụng đ/l Ohm trong quá trình

hình thành dòng điện i:

E + Etc = R.i

NL nguồn NL nhiệt NL từ trường

2

I i

0 i 0

L.I 2

1 L.i.di

dW

=

ª NL từ trường khi thiết lập dòng điện trong ống dây: dW = L.i.di

3 Năng lượng từ trường

Năng lượng từ trường của một ống dây

dt

di L R.i +

= E Hay:

E idt = R.i 2 dt + L.i.di

ª Nhân 2 vế với idt:

3 Năng lượng từ trường

2 2

2 0

2 2

0 2

m

I l

n μμ 2 1

l.S

I l

S n μμ 2

1 l.S

L.I 2

1 V

W w

=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

=

=

=

ª Mật độ NL từ trường trong ống dây:

I l

n μμ

) Trong ống dây có thể tích: V = l.S

ª Áp dụng cho mọi từ trường bất kỳ

0

2 m

μμ

B 2 1

w = (trong ống dây: B = const)

3 Năng lượng từ trường

Năng lượng từ trường không gian

) Chia không gian từ trường thành những thể tích vô

cùng nhỏ dV sao cho B = const trong mỗi dV.

ª Năng lượng từ trường trong mỗi thể tích dV:

dV

B dV

w

dW m m

0

2

2

1 μμ

=

=

ª Năng lượng từ trường trong cả không gian:

∫

=

1

dV

B dW

W

2

V

m

0

μμ

V

2

1

BHdV

W m