nghiên cứu các kiến thức phần cảm ứng điện từ

Quy tắc bàn tay phải Quy tắc bàn tay phải được áp dụng để xác định chiều dòng điện cảm ứng trong trường hợp có sự chuyển động của mạch điện.. Từ khái niệm từ thông, có thể phát biểu định

MỞ ĐẦU

Học phần nghiên cứu chương trình Vật lý phổ thông có nhiệm vụ nghiên cứu cấu trúc chương trình, nội dung kiến thức được thể hiện trong sách giáo khoa Vật lý phổ thông và cách tổ chức dạy học một số kiến thức cụ thể Việc hiểu sâu sắc nội dung kiến thức phổ thông và cách trình bày các kiến thức đó trong sách giáo khoa là điều kiện cơ bản để giáo viên thực hiện tốt công tác giảng dạy Cũng với mục đích như vậy nên chúng tôi đã chọn đề tài: ''Phân tích kiến thức phần Cảm ứng điện từ" làm tiểu luận môn học

Trong khuôn khổ tiểu luận này, tôi tập trung vào nhiệm vụ chính là phân tích các kiến thức cơ bản phần “ Cảm ứng điện từ”

Để thực hiện được các nhiệm vụ trên, chúng tôi sử dụng phương pháp nghiên cứu lí thuyết để nghiên cứu các tài liệu Bao gồm : thu thập, lựa chọn, phân tích, tổng hợp từ các tài liệu liên quan như sách giáo khoa, sách giáo viên, giáo trình Vật lý đại cương, các tài liệu trên Internet

Trong cách trình bày các kiến thức cơ bản chúng tôi sẽ cố gắng quan tâm nhiều đến ý nghĩa vật lý của kiến thức, hạn chế đến mức tối thiểu việc sử dụng các công cụ toán học phức tạp Tuy nhiên, do đặc thù nội dung phần này, các phép tính vec tơ và tích phân cũng được dùng đến nhằm để làm rõ và chính xác kiến thức

CHƯƠNG V: CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ

NỘI DUNG CÁC KIẾN THỨC CƠ BẢN

Trong không gian của một từ trường bất kì, vectơ cảm ứng từ có thể biến đổi

từ điểm này sang điểm khác cả về hướng và độ lớn Vì vậy, để có một hình ảnh khái quát nhưng cụ thể về sự biến đổi ấy, người ta đưa ra khái niệm đường cảm ứng từ

“Đường cảm ứng từ là một đường cong vạch ra trong từ trường sao cho tiếp tuyến tại mọi điểm của nó trùng với phương của vectơ cảm ứng từ tại những điểm ấy, chiều của đường cảm ứng từ là chiều của vectơ cảm ứng từ”

Đường cảm ứng từ có các tính chất sau:

- Qua một điểm trong từ trường luôn vẽ được một đường cảm ứng từ

- Đường cảm ứng từ là đường cong khép kín hoặc vô hạn ở hai đầu

- Các đường cảm ứng từ không cắt nhau

- Quy ước vẽ số đường cảm ứng từ qua một đơn vị diện tích nằm vuông góc với phương của từ trường tỉ lệ với độ lớn của vectơ cảm ứng từ tại nơi đặt diện tích đó

dφ =BdS α =B dS =BdS

dφ

có thể dương hoặc âm phụ thuộc vào góc α nhọn hoặc tù

Số đường cảm ứng từ vẽ qua diện tích dS n vuông góc với từ trường tỉ lệ với tích

n

BdS

Như vậy, số đường cảm ứng từ qua dS cũng tỉ lệ vớiBdS n, tức là tỉ lệ với từ thông

Nếu muốn tính từ thông qua một diện tích S có kích thước lớn nằm trong một

từ trường bất kì, chia S thành các diện tích khá nhỏ dS sao cho trên mỗi phần tử

ấy vectơ cảm ứng từ là không đổi Như vậy, từ thông gửi qua diện tích lớn là

S

BdS

φ = ∫ r r

Nếu diện tích S là phẳng nằm trong từ trường đều và vuông góc với các đường cảm ứng

là một đại lượng đại số, có thể âm hoặc dương phụ thuộc vào góc α Dựa vào

công thức trên, nếu thay đổiα

,

Br

, dS

r

thì từ thông qua dS cũng sẽ thay đổi

Trong hệ SI, đơn vị của cảm ứng từ B là Tesla, đơn vị của S là

2

m

, lúc đó đơn vị của

từ thông là Wb

1.1.3 Định lý O-G đối với từ trường

Trường tĩnh điện được gây bởi các điện tích đứng yên, còn từ trường được gây ra bởi các điện tích chuyển động, cho đến nay, người ta chưa hề tìm thấy các

từ tích Vì vậy định lí O–G đối với từ trường được phát biểu là: “Từ thông gửi qua bất kỳ mặt kín nào cũng bằng không”

Công thức này chứng tỏ đường sức của từ trường phải là đường khép kín.

II HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ

2.1 CHIỀU DÒNG ĐIỆN CẢM ỨNG

2.1.1 Định luật Len-xơ về chiều dòng điện cảm ứng

Như vậy, khi từ thông qua một mạch kín biến thiên thì trong mạch xuất hiện dòng điện cảm ứng Vậy chiều của dòng điện cảm ứng tuân theo qui luật nào?

Nghiên cứu hiện tượng CƯĐT, Len-xơ đã tìm ra định luật tổng quát về

chiều dòng điện cảm ứng, gọi là định luật Len-xơ:

Dòng điện cảm ứng xuất hiện trong một mạch điện kín có chiều sao cho nó chống lại sự biến đổi đã sinh ra nó

Giải thích:

Áp dụng định luật lenz vào thí nghiệm như hình vẽ bên theo một cách khác Hình bên vẽ các đường sức từ B của thanh nam châm Theo quan điểm này, sự thay đổi đã được nói đến trong định luật lenz, là sự tăng của ΦB qua vòng dây Khi đó, thông lượng tăng lên, mật độ đường sức từ tăng lên, và vòng dây nhận được nhiều đường sức hơn Dòng điện cảm ứng i chống lại sự thay đổi này bằng cách thiết lập nên từ trường Bi của chính nó, để chống lại sự tăng của thông lượng

Như vậy từ trường Bi phải hướng từ trái sang phải qua mặt của vòng dây vẽ bên hình trên(a) Ở đây cũng chỉ rõ cách dùng quy tắc bàn tay phải để gắn chiều của dòng điện cảm ứng i với chiều của từ trường Bi do i gây ra

Từ trường cảm ứng không chống lại từ trường của thanh nam châm Nó chỉ chống lại sự thay đổi trong trương này, mà ở trường hợp đang xét sự thay đổi đó

là sự tăng của từ thông qua vòng dây Nếu kéo thanh nam châm ra xa, từ thông qua vòng dây bị giảm Từ trường cảm ứng lúc này sẽ chống lại sự giảm của từ thông ΦB (tức là sự thay đổi) bằng cách làm cho từ trường mạnh lên

Chiều của dòng điện tạo ra tác dụng ấy được vẽ trên hình(6c)

Nếu dặt đối diện cực nam của nam châm với vòng dây rồi dưa nam châm lại gần

vòng dây, sau đó lại kéo nó ra xa thì từ trường cảm ứng sẽ giống như đã vẽ trên hình (c) và (d) tương ứng Trong cả bốn hình , tù trường cảm ứng đều chống lại sự thay đổi đã sinh ra nó

2.1.2 Quy tắc bàn tay phải

Quy tắc bàn tay phải được áp dụng để xác định chiều dòng điện cảm ứng trong trường hợp có sự chuyển động của mạch điện Thực ra, quy tắc bàn tay phải

Hình6b

có thể được thay thế bằng quy tắc bàn tay trái bởi vì nếu xác định được chiều của lực Lorenxơ tác dụng lên các hạt mang điện tự do ở trong mach thì sẽ suy ra được chiều của dòng cảm ứng Tuy nhiên, quy tắc bàn tay phải hiện nay vẫn được sử dụng vì nó thuận tiện Quy tắc bàn tay phải: “Đặt bàn tay phải hứng các đường cảm ứng từ, ngón cái choải ra 90o hướng theo chiều chuyển động của đoạn dây, khi đó đoạn dây dẫn đóng vai trò như một nguồn điện, chiều từ cổ tay đến bốn ngón tay chỉ chiều từ cực âm sang cực dương của nguồn điện đó”.

2.2 SUẤT ĐIỆN ĐỘNG CẢM ỨNG

2.2.1 Định luật Faraday

Sự xuất hiện dòng điện cảm ứng chứng tỏ trong mạch có một suất điện động (s.đ.đ) Suất điện động ấy được gọi là s.đ.đ cảm ứng Faraday đã nghiên cứu định lượng các yếu tố ảnh hưởng đến độ lớn của s.đ.đ cảm ứng Ông đã khảo sát được s.đ.đ càng lớn nếu từ trường biến đổi càng nhanh, song s.đ.đ không chỉ tỉ lệ đơn giản vào sự biến thiên của từ trường mà chính xác là nó tỉ lệ với sự biến thiên

từ thông gởi qua khung dây Do vậy mà ban đầu, khi phân tích các kết quả thí nghiệm, Faraday đã phát biểu như sau :

Một lực điện động sinh ra bởi cảm ứngkhi từ trưòng quanh vật dẫn điện thay đổi Độ lớn của lực điện động cảm ứng tỉ lệ thuận với độ thay đổi của từ thông qua vòng mạch điện.

Từ khái niệm từ thông, có thể phát biểu định luật Faraday một cách định

lượng: “Suất điện động cảm ứng luôn bằng về trị số, nhưng trái dấu với tốc độ biến thiên của từ thông gởi qua vòng dây đó”

Nếu thay đổi từ thông qua cuộn dây có N vòng, mổi vòng xuất hiện một suât điện động cảm ứng, và các suất điện động cảm ứng này cộng vào nhau giống như các pin mắc nối tiếp Nếu cuộn dây quấn chặt, từ thông qua các vòng đều như nhau thì suất điên động cảm ứng trong cuộn dây là

cu

dΦ

ε = -N

dt

Biểu thức định lượng của s.đ.đ cảm ứng đối với trường hợp riêng của mạch

điện kín cũng có thể tìm được dựa trên cơ sở của định luật bảo toàn năng lượng.

Xét một mạch điện như hình, đoạn dây dẫn MN chuyển động được và tiếp xúc điện với hai thanh ray, và được đặt trong một từ trường B vuông góc với mặt phẳng của mạch Khi từ thông qua mạch kín EFMN biến thiên thì trong mạch xuất hiện dòng điện cảm ứng I và s.đ.đ Thanh MN chịu tác dụng của lực Ampe sau thời gian dt sẽ dịch chuyển được một đoạn dx, như vậy công do lực Ampe thực hiện được sau thời gian dt là:

dA = Fadx = IBldx = IBdS = IdΦ Trong đó:

Fa : là lực Ampe

I : dòng điện cảm ứng trong mạch

l : chiều dài của thanh từ M đến N

ldx : độ biến thiên diện tích dS của mạch

dΦ : độ biến thiên từ thông qua mạch

Nếu điện trở của mạch là R, theo định luật Jun-Lenx, nhiệt lượng tỏa ra trong mạch sau thời gian dt sẽ là I2Rdt

Theo định luật bảo toàn năng lượng, công toàn phần do nguồn có suất điện động dùng để tỏa nhiệt Jun-Lenx và để dịch chuyển đoạn MN trong từ trường:

 

 ÷

 

(*) Công thức (5) là định luật Ôhm cho đoạn mạch Trong công thức (*), ngoài biểu thức s.đ.đ còn có thêm biểu thức của s.đ.đ cảm ứng

ur gọi là

điện trường cảm ứng Lúc này, electron chịu tác dụng của hai lực, lực điện trường

Dấu trừ đưa vào để nói về chiều của suất điện động cảm ứng

2.3 NĂNG LƯỢNG TỪ TRƯỜNG

2.3.1 Năng lượng từ trường của ống dây điện

Cho một mạch điên như hình vẽ Giả sử ban đầu mạch được đóng kín, trong mạch có dòng điện không đổi I Khi ấy toàn bộ điện năng do nguồn điện sinh ra đều biến thành nhiệt Điều này là đúng khi trong mạch có dòng điện không đổi, nhưng không đúng trong lúc đóng hoặc ngắt mạch Khi đóng mạch dòng điện trong mạch

tăng từ 0 đến I Trong quá trình ấy, trong mạch điện xuất hiện dòng điện tự cảm i tc

ngược chiều với dòng điện chính i0 do nguồn phát ra, làm cho dòng điện toàn phần

ở trong mạch i i= −0 i tc nhỏ hơn i0 Kết quả là chỉ có một phần điện năng trong mạch biến thành nhiệt mà thôi Trái lại, khi ngắt mạch, dòng điện chính giảm đột ngột về

0 Do đó, trong mạch xuất hiên dòng điện tự cảm, làm cho dòng điện toàn phần trong mạch lớn lên và giảm chậm lại, nhiệt lượng tỏa ra trong mạch lúc này lớn hơn năng lượng do nguồn sinh ra

Vậy rõ ràng là, khi đóng mạch một phần điện năng do nguồn điện sinh ra được tiềm tàng dưới một dạng năng lượng nào đó, để khi ngắt mạch, phần năng lượng này tỏa ra dưới dạng nhiệt trong mạch Vì khi đóng mạch, dòng điện trong mạch tăng thì từ trường trong cuộn dây cũng tăng theo, cho nên phần năng lượng được tiềm tàng đó chính là năng lượng từ trường của cuộn dây điện

Bây giờ, ta đi tính phần năng lượng này:

Gọi R là điện trở trong toàn mạch, áp dụng định luật Ôhm cho mạch điện trong quá trình dòng điện đang được thành lập, ta có:

chính là năng lượng do nguồn điện sinh ra trong khoảng thời gian dt,

năng lượng này một phần tỏa thành nhiệt trong mạch (Ri dt 2 )

còn một phần được

tiềm tàng dưới dạng năng lượng từ trường dW = Lidi

Vậy, trong cả quá trình thành lập dòng điện, phần năng lượng của nguồn điện được tiềm tàng dưới dạng năng lượng từ trường là:

W = LI 2

Đây là công thức tính năng lượng tồn trữ trong cuộn dây khi có dòng điện I chạy qua

2.3.2 Mật độ năng lượng từ trường

Năng lượng từ trường được phân bố trong không gian có từ trường Có thể coi cuộn dây điện thẳng dài vô hạn mà ta xét ở trên có từ trường được phân bố đều chỉ trong thể tích của cuộn dây Nếu gọi V là thể tích của cuộn dây thì ta có mật độ năng lượng từ trường của cuộn dây điện là:

Trong vấn đề sử dụng điện thì người ta cần dùng một điện áp tương đối thấp (trong sinh hoạt, sản xuất,…) Nhưng khi truyền tải điện năng từ nhà máy điện đến nơi tiêu thụ thì phải làm sao cho sự tổn hao năng lượng

về nhiệt trên dây tải càng nhỏ càng tốt Gọi P UI= là công suất điện cần truyền tải Công suất hao phí trên

đường dây tải điện là

2 2

Để giảm công suất hao phí thì ta phải tăng

U hoặc giảm r trong đó cách tăng U đơn giản hơn Vì vậy khi truyền tải điện năng

đi xa người ta tăng điện áp giữa 2 cực của máy phát điện lên bằng máy tăng áp rồi truyền truyền đi trên các đường dây, đến nơi tiêu thụ người ta hạ điện áp xuống nhờ máy hạ áp

Từ yêu cầu đó cần phải dùng một thiết bị mà nó có tác dụng nâng điện thế khi truyền tải và hạ điện thế khi sử dụng Thiết bị cho phép làm

công việc đó đối với dòng điện xoay chiều chính là máy biến

thế

2.4.1.1 Cấu tạo

Máy biến thế lý tưởng gồm hai cuộn dây có số vòng dây

khác nhau quấn trên một lõi làm bằng thép kỹ thuật gồm nhiều

lá thép mỏng xếp cách điện với nhau

Một cuộn dây của máy được nối với mạch điện xoay chiều gọi là cuộn sơ cấp

gồm N1 vòng dây Cuộn dây thứ hai nối với tải tiêu thụ gọi là cuộn thứ cấp gồm

2

N

vòng dây Các cuộn dây được cách điện với lõi

2.4.1.2 Nguyên tắc hoạt động

Máy biến thế hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ

Khi mắc cuộn sơ cấp vào mạng điện xoay chiều thì dòng điện xoay chiều trong cuộn sơ cấp gây ra từ thông biến thiên qua cuộn thứ cấp làm xuất hiện trong cuộn thứ cấp 1 suất điện động xoay chiều Nếu mạch thứ cấp kín thì có dòng điện xoay chiều chạy trong cuộn thứ cấp

+ Sự biến đổi điện áp

Giả sử cuộn sơ cấp có N1 vòng, cuộn thứ cấp cóN2 vòng Khi mắc cuộn sơ cấp của máy biến thế vào dòng điện xoay chiều thì từ trường tức thời tại mọi tiết diện của lõi sắt có giá trị như nhau Từ trường biến thiên này gây ra trong mỗi cuộn dây 1 suất điện động cảm ứng có giá trị tức thời là:

+Sự biến đổi của cường độ dòng điện

Nếu hao phí điện năng trên máy biến áp là không đáng kể thì công suất trong mạch sơ cấp và thứ cấp là như nhau.Lúc đó:

2.4.1.3 Lưu ý khi sử dụng máy biến thế

Nhiều hộ gia đình ở nông thôn, miền núi vẫn đang sử dụng máy biến thế

để làm tăng, giảm điện khi nguồn điện không ổn định, làm tăng tuổi thọ cho các

đồ dùng điện trong gia đình

Tuy nhiên, sau một thời gian sử dụng, máy biến thế thường bị nóng và có tiếng kêu, có thể kiểm tra và tự khắc phục theo cách:

- Khi máy bị nóng quá, cần kiểm tra xem máy có bị quá tải không Nếu đồ dùng bằng điện: ti vi, máy bơm, đèn điện,… đấu vào máy biến thế có công suất quá lớn, cần phải cắt giảm bớt 1 trong số các đồ dùng điện

- Khi máy phát ra tiếng kêu, phải kiểm tra kỹ các bộ phận của máy biến thế Cần vặn chặt bu lông, ốc vít, lõi thép vì nếu bị lỏng sẽ tạo ra tiếng kêu ở máy Xem

xét kỹ các đầu dây dẫn, các cực ra, không bị chạm vào nhau hoặc lớp cách điện bị rách, bị nhiễm bẩn Máy cần để nơi thoáng mát, đôi khi phải ngắt điện để máy nghỉ nếu phát hiện máy quá nóng

Khi dùng máy biến thế đổi điện (đổi điện 220 V thành 110 V hoặc ngược lại) để đưa vào đài hoặc máy thu vô tuyến: Nên mua loại máy biến thế có dây cuốn sơ cấp và thứ cấp cách điện với nhau, không nên mua loại máy biến thế chế tạo theo kiểu tự ngẫu (dây cuốn sơ cấp và thứ cấp không cách điện với nhau) vì trong các trường hợp có sự đóng cắt đột ngột các đồ dùng điện, phía thứ cấp của máy biến thế tự ngẫu sẽ làm ảnh hưởng đến chất lượng của đồ dùng

Những khi có sự tăng giảm điện đột ngột, máy thu vô tuyến và đài thường phát ra tiếng kêu lạ, tiếng nói và hình ảnh không rõ Để tránh tình trạng này khi mua máy biến thế, nên chọn loại có vỏ máy làm bằng tôn dày khoảng 1 - 2mm, kiểu bọc kín bằng thép, việc khử tạp âm sẽ tốt hơn

2.4.2 Máy phát điện xoay chiều một pha

Máy phát điện xoay chiều một pha còn gọi là máy dao điện một pha, dòng điện mà nó phát ra gọi là dòng điện xoay chiều một pha

2.4.2.2 Cấu tạo của máy phát điện xoay chiều

Các cuộn dây trong máy phát điện được mắc nối tiếp nhau, hai đầu dây được nối với mạch tiêu thụ bằng một cơ cấu riêng gọi là bộ góp

Bộ góp bao gồm hệ thống vành khuyên và chổi quét Hai vành khuyên đặt đồng trục với khung dây và cùng quay với khung dây Nối đầu đầu dây A với vành khuyên 1 và dây B với vành khuyên 2 Hai chổi quét a và b cố định tì lên hai vành khuyên và được nối với mạch ngoài

Trong máy phát điện, phần tạo ra từ trường được gọi là phần cảm, phần tạo ra dòng điện gọi là phần ứng Các máy phát điện nhỏ như trong xe đạp thì dùng nam châm vĩnh cửu làm phần cảm, nhưng đa số là người ta dùng nam châm điện để tạo

ra từ trường mạnh

Các cuộn dây của phần cảm và phần ứng đều được quấn trên các lõi thép kĩ thuật điện (thép silic hoặc tôn silic) để tăng từ thông qua các cuộn dây Để tránh dòng điện phucô, các lõi thép được ghép bằng nhiều tấm thép mỏng cách điện với nhau