Bài giảng Cảm ứng điện từ

BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ VẬT LÝ ĐIỆN - QUANG        NỘI DUNG Chương Trường tĩnh điện Chương Vật dẫn Điện môi Chương Dòng điện không đổi Chương Từ trường dòng điện không đổi Chương Hiện tượng cảm ứng điện từ Chương Tính chất sóng ánh sáng Chương Tính chất lượng tử ánh sáng BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ VẬT LÝ ĐIỆN - QUANG        NỘI DUNG Chương Trường tĩnh điện Chương Vật dẫn Điện môi Chương Dòng điện không đổi Chương Từ trường dòng điện không đổi Chương Hiện tượng cảm ứng điện từ Chương Tính chất sóng ánh sáng Chương Tính chất lượng tử ánh sáng BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ VẬT LÝ Nguyễn Thành Nam, PhD − Email: namnt@iforce.com.vn ĐIỆN - QUANG Chương CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ Chương CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ NỘI DUNG 5.1 HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ 5.2 HIỆN TƯỢNG TỰ CẢM 5.3 NĂNG LƯỢNG TỪ TRƯỜNG 5.1 HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ 5.1.1 Thí nghiệm cảm ứng điện từ Dòng điện sinh từ trường Ngược lại, từ trường có sinh dòng điện không? Bằng thí nghiệm mình, Nhà bác học Faraday phát rằng: từ thông qua mạch kín biến thiên mạch xuất dòng điện Dòng điện gọi dòng điện cảm ứng tượng phát sinh dòng điện cảm ứng gọi tượng cảm ứng điện – từ 5.1 HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ 5.1.1 Thí nghiệm cảm ứng điện từ Sự biến thiên từ thông gửi qua mạch kín nguyên nhân sinh dòng điện cảm ứng mạch kín Dòng điện cảm ứng xuất thời gian từ thông qua mạch kín thay đổi Cường độ dòng điện cảm ứng tỷ lệ thuận với tốc độ biến thiên từ thông gửi qua mạch Chiều dòng cảm ứng phụ thuộc từ thông tăng hay giảm 5.1 HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ 5.1.2 Các định luật cảm ứng điện từ Định luật Lenz: Chiều dòng điện cảm ứng Dòng điện cảm ứng có chiều cho từ trường mà sinh có tác dụng chống lại biến thiên từ thông sinh 5.1 HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ 5.1.2 Các định luật cảm ứng điện từ Định luật Lenz: Chiều dòng điện cảm ứng Dòng điện cảm ứng có chiều cho từ trường mà sinh chống lại biến thiên từ thông sinh v Ý nghĩa: Định luật Lenz cho phép xác định chiều dòng điện cảm ứng xuất mạch kín từ thông qua mạch biến thiên 5.1 HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ 5.1.3 Một số ví dụ cảm ứng điện từ Máy phát điện: Từ thông qua khung: Φ m = NBScos α = NBScos ( ωt + ϕ ) Suất điện động cảm ứng: dΦ m ξ = − = NBSω sin ( ωt + ϕ ) dt ξ = ξ0 sin ( ωt + ϕ ) 5.1 HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ 5.1.3 Một số ví dụ cảm ứng điện từ Khi đặt khối vật Dòng điện Foucault: dẫn từ trường biến thiên lòng vật dẫn xuất dòng điện cảm ứng khép kín gọi dòng điện xoáy hay dòng điện Foucault Thí nghiệm 5.2 HIỆN TƯỢNG TỰ CẢM 5.2.1 Hiện tượng tự cảm Khi dòng điện chạy mạch kín có từ thông dòng điện gởi qua mạch kín Nếu cường độ dòng điện mạch biến thiên từ thông qua mạch biến thiên mạch xuất suất điện động cảm ứng Hiện tượng xuất mạch dòng cảm ứng gây biến thiên dòng điện mạch Chiều dòng điện tự cảm tuân theo định luật Lentz, nghĩa có xu hướng làm cho dòng điện mạch đạt trạng thái ổn định 5.2 HIỆN TƯỢNG TỰ CẢM 5.2.2 Suất điện động tự cảm Từ định lý Biot - Savart - Laplace Theo biểu thức từ thông: L gọi hệ số tự cảm mạch d ( LI ) dΦ m ξ tc =− =− dt dt BI   Φ m  ∫ B ⋅ dS Φm = L.I Công thức trường hợp mạch điện đặt môi trường tính sắt từ (trong môi trường sắt từ, L hàm số theo I) dI ξ tc =−L dt 5.2 HIỆN TƯỢNG TỰ CẢM 5.2.3 Hệ số tự cảm Biểu thức: Φm L= I Hệ số tự cảm phụ thuộc hình dạng, kích thước mạch điện, môi trường đặt mạch điện Hệ số tự cảm số đo mức độ quán tính mạch biến đổi dòng điện mạch Đơn vị: Henry (H) 5.2 HIỆN TƯỢNG TỰ CẢM 5.2.3 Hệ số tự cảm Hệ số tự cảm ống dây điện thẳng dài vô hạn: N B  = µ.µ n I =µ.µ I l N 2S Φ m  NBS = = µµ I l N 2S L = µµ l 5.2 HIỆN TƯỢNG TỰ CẢM 5.2.4 Hiệu ứng bề mặt Hiện tượng tự cảm xảy mạch điện mà xảy lòng dây dẫn có dòng điện biến đổi chạy qua Đối với dòng điện cao tần chạy dây dẫn mật độ dòng điện bề mặt dây dẫn lớn, lõi dây dẫn mật độ dòng nhỏ Hiệu ứng gọi hiệu ứng bề mặt 5.2 HIỆN TƯỢNG TỰ CẢM 5.2.4 Hiệu ứng bề mặt 5.3 NĂNG LƯỢNG TỪ TRƯỜNG 5.3.1 Năng lượng từ trường ống dây điện thẳng Định luật Ohm cho mạch kín: ξ + ξ= i(R + r) tc di = ξ i(R + r) + L dt ξidt= i ( R + r ) dt + Lidi Năng lượng mà nguồn cung cấp cho mạch thời gian dt: dA Năng lượng nhiệt tỏa thời gian dt: dQ 5.3 NĂNG LƯỢNG TỪ TRƯỜNG 5.3.1 Năng lượng từ trường ống dây điện thẳng dA = dQ + Lidi Tích phân thời gian biến đổi từ dòng từ đến I A= Q + LI Năng lượng từ trường lòng ống dây: Wm = LI 5.3 NĂNG LƯỢNG TỪ TRƯỜNG 5.3.2 Năng lượng từ trường Với ống dây thẳng dài vô hạn: µµ N S µµ N 2 L= lS n V = = µµ l l 1 B Wm= µµ n VI 2= V 2 µµ Năng lượng từ trường: B2 BH ω = = m 2µµ Wm = ∫V ωmdV =2 ∫V BHdV MỘT SỐ VÍ DỤ Ví dụ 1: Có cuộn cảm 2H, có dòng điện 5,0A chạy qua Khi ngắt điện, dòng điện giảm xuống 0A khoảng thời gian 1,0 ms Hãy tính độ lớn suất điện động cuộn cảm ngắt điện? ΔI ξ= L = 2.5000 = 10000V Δt MỘT SỐ VÍ DỤ Ví dụ 2: Một kim loại có hai đầu đặt hai ray song song với nhau, đầu hai ray nối với để tạo thành mạch điện kín Mạch điện đặt từ trường hợp với góc α (hình vẽ) Cho kim loại chuyển động với tốc độ v, tính độ lớn suất điện động cảm ứng xuất hai đầu d= Φ m BdScos = α B.cos α.v.l.dt ξ = B.v.l.cos α [...]... động trong từ trường 5.1 HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ 5.1.3 Một số ví dụ về cảm ứng điện từ Máy phát điện: 5.1 HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ 5.1.3 Một số ví dụ về cảm ứng điện từ Máy phát điện: Từ thông qua khung: Φ m = NBScos α = NBScos ( ωt + ϕ ) Suất điện động cảm ứng: dΦ m ξ = − = NBSω sin ( ωt + ϕ ) dt ξ = ξ0 sin ( ωt + ϕ ) 5.1 HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ 5.1.3 Một số ví dụ về cảm ứng điện từ Khi đặt... Icư= 0 5.1 HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ 5.1.2 Các định luật cơ bản về cảm ứng điện từ Định luật Faraday: Suất điện động cảm ứng Suất điện động cảm ứng xuất hiện trong mạch kín bằng về trị số nhưng trái dấu với tốc độ biến thiên của từ thông gửi qua diện tích giới hạn bởi mạch điện dΦ m ξC = − dt Để xuất hiện dòng điện cảm ứng trong một mạch điện kín thì hoặc mạch kín đó ứng yên trong từ trường biến thiên;... hiện suất điện động cảm ứng Hiện tượng xuất hiện trong mạch một dòng cảm ứng gây bởi chính sự biến thiên của dòng điện trong mạch Chiều của dòng điện tự cảm tuân theo định luật Lentz, nghĩa là nó luôn có xu hướng làm cho dòng điện trong mạch đạt trạng thái ổn định 5.2 HIỆN TƯỢNG TỰ CẢM 5.2.2 Suất điện động tự cảm Từ định lý Biot - Savart - Laplace Theo biểu thức của từ thông: L gọi là hệ số tự cảm của... đặt một khối vật Dòng điện Foucault: dẫn trong từ trường biến thiên thì trong lòng vật dẫn xuất hiện các dòng điện cảm ứng khép kín gọi là dòng điện xoáy hay dòng điện Foucault Thí nghiệm 5.2 HIỆN TƯỢNG TỰ CẢM 5.2.1 Hiện tượng tự cảm Khi dòng điện chạy trong một mạch kín thì có từ thông do chính dòng điện này gởi qua mạch kín đó Nếu cường độ dòng điện trong mạch biến thiên thì từ thông qua mạch cũng... hợp mạch điện đặt trong môi trường không có tính sắt từ (trong môi trường sắt từ, L là hàm số theo I) dI ξ tc =−L dt 5.2 HIỆN TƯỢNG TỰ CẢM 5.2.3 Hệ số tự cảm Biểu thức: Φm L= I Hệ số tự cảm phụ thuộc hình dạng, kích thước của mạch điện, môi trường trong đó đặt mạch điện Hệ số tự cảm là số đo mức độ quán tính của mạch đối với sự biến đổi dòng điện trong mạch Đơn vị: Henry (H) 5.2 HIỆN TƯỢNG TỰ CẢM 5.2.3... TỰ CẢM 5.2.3 Hệ số tự cảm Hệ số tự cảm của ống dây điện thẳng dài vô hạn: N B  = µ.µ 0 n 0 I =µ.µ 0 I l N 2S Φ m  NBS = = µµ 0 I l N 2S L = µµ 0 l 5.2 HIỆN TƯỢNG TỰ CẢM 5.2.4 Hiệu ứng bề mặt Hiện tượng tự cảm không những xảy ra trong một mạch điện mà còn xảy ra ngay trong lòng một dây dẫn có dòng điện biến đổi chạy qua Đối với dòng điện cao tần chạy trong dây dẫn thì mật độ dòng điện ở bề mặt ngoài dây... một cuộn cảm 2H, có dòng điện 5,0A chạy qua Khi ngắt điện, dòng điện giảm đều xuống 0A trong khoảng thời gian 1,0 ms Hãy tính độ lớn của suất điện động trong cuộn cảm khi ngắt điện? ΔI ξ= L = 2.5000 = 10000V Δt MỘT SỐ VÍ DỤ Ví dụ 2: Một thanh kim loại có hai đầu đặt trên hai thanh ray song song với nhau, đầu của hai thanh ray được nối với nhau để tạo thành mạch điện kín Mạch điện được đặt trong từ trường... TỪ TRƯỜNG 5.3.1 Năng lượng từ trường của ống dây điện thẳng dA = dQ + Lidi Tích phân trong thời gian biến đổi từ dòng từ 0 đến I 1 2 A= Q + LI 2 Năng lượng từ trường trong lòng ống dây: 1 2 Wm = LI 2 5.3 NĂNG LƯỢNG TỪ TRƯỜNG 5.3.2 Năng lượng từ trường Với ống dây thẳng dài vô hạn: µµ 0 N 2 S µµ 0 N 2 2 L= lS n V = = µµ 0 2 l l 2 1 1 B Wm= µµ 0 n 2 VI 2= V 2 2 µµ 0 Năng lượng từ trường: B2 BH ω = = m... rất nhỏ Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng bề mặt 5.2 HIỆN TƯỢNG TỰ CẢM 5.2.4 Hiệu ứng bề mặt 5.3 NĂNG LƯỢNG TỪ TRƯỜNG 5.3.1 Năng lượng từ trường của ống dây điện thẳng Định luật Ohm cho mạch kín: ξ + ξ= i(R + r) tc di = ξ i(R + r) + L dt ξidt= i 2 ( R + r ) dt + Lidi Năng lượng mà nguồn cung cấp cho mạch trong thời gian dt: dA Năng lượng nhiệt tỏa ra trong thời gian dt: dQ 5.3 NĂNG LƯỢNG TỪ TRƯỜNG 5.3.1... của hai thanh ray được nối với nhau để tạo thành mạch điện kín Mạch điện được đặt trong từ trường đều hợp với nó một góc α (hình vẽ) Cho thanh kim loại chuyển động với tốc độ v, tính độ lớn suất điện động cảm ứng xuất hiện trên hai đầu thanh d= Φ m BdScos = α B.cos α.v.l.dt ξ = B.v.l.cos α