CHUONG15 HIEN TUONG CAM UNG DIEN TU

CHƢƠNG 15 : HIỆN TƢỢNG CẢM ỨNG ÐIỆN TỪ I CÁC ÐỊNH LUẬT VỀ HIỆN TƢỢNG CẢM ỨNG ÐIỆN TỪ Thí nghiệm Faraday Ðịnh luật Lenz Ðịnh luật tượng cảm ứng điện từ Ðịnh nghĩa đơn vị từ thông Cách tạo nên dòng điện xoay chiều Dòng điện Foucault II HIỆN TƢỢNG TỰ CẢM Thí nghiệm Suất điện động tự cảm hệ số tự cảm Ý nghĩa đơn vị hệ số tự cảm Hệ số tự cảm L ống dây điện thẳng dài Hiệu ứng da Dòng điện tự cảm ngắt mạch III HIỆN TƢỢNG HỖ CẢM Thí nghiệm Suất điện động hỗ cảm Hệ số hỗ cảm NĂNG LƢỢNG TỪ TRƢỜNG Năng lượng từ trường ống dây điện Năng lượng ống dây Mật độ lượng từ trường Năng lượng từ trường IV Năm 1831, Faraday chứng tỏ thực nghiệm từ trường sinh dòng điện Thực vậy, cho từ thông gửi qua mạch kín thay đổi mạch xuất dòng điện Dòng điện gọi dòng điện cảm ứng Hiện tượng gọi tượng cảm ứng điện từ I CÁC ÐỊNH LUẬT VỀ HIỆN TƢỢNG CẢM ỨNG ÐIỆN TỪ TOP Thí nghiệm Faraday - Nếu rút nam châm ra, dòng điện cảm ứng có chiều ngược lại (hình 15.1b) - 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 dòng điện chạy qua, tiến hành thí nghiệm trên, ta có kết tương tự Từ thí nghiệm đó, Faraday rút kết luận sau đây: a Từ thông gửi qua mạch kín biến đổi theo thời gian nguyên nhân sinh dòng điện cảm ứng mạch b Dòng điện cảm ứng tồn thời gian từ thông gửi qua mạch kín biến đổi c Cường độ dòng điện cảm ứng tỉ lệ thuận với tốc độ biến đổi từ thông d Chiều dòng điện cảm ứng phụ thuộc vào tăng hay giảm từ thông gửi qua mạch TOP Ðịnh luật Lenz Ðồng thời với Faraday, Lenz nghiên cứu tượng cảm ứng điện từ tìm định luật tổng quát giúp ta xác định chiều dòng điện cảm ứng, gọi định luật Lenz Nội dung định luật sau: Dòng điện cảm ứng phải có chiều cho từ trường sinh có tác dụng chống lại nguyên nhân sinh Ðiều nầy có nghĩa từ thông 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 Nếu từ thông qua mạch giảm, từ trường cảm ứng (do dòng điện cảm ứng sinh nó) có tác dụng chống lại giảm từ thông, lúc từ trường cảm ứng chiều với từ trường Dưới đây, ta vận dụng định luật để xác định chiều dòng điện cảm ứng trường hợp (hình 15.1a), Cực Bắc nam châm di chuyển vào lòìng ống dây làm cho từ thông ( gửi qua ống dây tăng lên Theo định luật Lenz, dòng điện cảm ứng phải sinh từ trường ngược chiều với từ trườngĠcủa nam châm để từ thông c sinh có tác dụng làm giảm tăng nguyên nhân sinh Muốn dòng điện cảm ứng phải có chiều hình vẽ Bằng lí luận ta nhận thấy dịch chuyển cực Bắc nam châm xa ống dây, dòng điện cảm ứng xuất mạch có chiều ngược với chiều dòng điện cảm ứng trường hợp (Hình 15.1b) Như vậy, theo định luật Lenz, dòng điện cảm ứng có tác dụng chống lại dịch chuyển nam châm Do đó, để dịch chuyển nam châm, ta phải tốn công Chính công mà ta tốn biến thành điện dòng điện cảm ứng TOP Ðịnh luật tƣợng cảm ứng điện từ Sự xuất dòng điện cảm ứng chứng tỏ mạch có suất điện động Suất điện động gọi suất điện động cảm ứng Mặt khác, trình dịch chuyển vòng dây nói trên, ta tốn công học Gọi công dA' Theo định luật Lenz, lực từ tác dụng lên dòng điện cảm ứng có tác dụng ngăn cản dịch chuyển vòng dây nguyên nhân xuất dòng điện Vì công lực từ dA công cản Công có trị số ngược dấu với công dA' Ta viết: Ðịnh nghĩa đơn vị từ thông TOP Cách tạo nên dòng điện xoay chiều TOP Ðể tạo nên dòng điện xoay chiều khung dây điện, ta cho khung dây quay từ trường không đổi xung quanh trục đối xứng (Hình 15.3) Như vậy, từ thông gửi qua mặt khung biến đổi cách tuần hoàn đó, khung xuất dòng điện cảm ứng xoay chiều 6 Dòng điện Foucault TOP Với đặc điểm ấy, dòng điện Foucault có tác động quan trọng kỹ thuật a- Tác hại dòng Foucault Trong máy biến động điện v.v lõi sắt chúng chịu tác dụng từ trường biến đổi Vì vậy, lõi có dòng điện Foucault xuất Do hiệu ứng Joule-Lenz, lượng dòng Foucault bị dạng nhiệt làm máy mau bị nóng Do phần lượng bị hao phí cách vô ích, hiệu suất máy bị giảm Ðể giảm tác hại này, người ta không dùng khối sắt lớn làm lõi mà dùng nhiều sắt mỏng sơn cách điện ghép lại với cho nhát cắt song song với chiều từ trường Như vậy, dòng điện Foucault chạy mỏng (Hình15.5) Vì có kích thước nhỏ, có điện trở lớn, nên cường độ dòng điện Foucault bị giảm nhiều so với cường độ dòng Foucault khối sắt lớn Vì vậy, lượng điện bị hao phí giảm Trong kỹ thuật, người ta thường dùng sắt làm lõi biến có điện trở suất cao gọi Ferit để hạn chế tối đa dòng Foucault Hình 15.5 b- Lợi ích dòng Foucault Trong máy điện kể trên, toả nhiệt dòng Foucault có hại Trái lại, lò điện cảm ứng, nhiệt lượng toả lại sử dụng để nấu chảy kim loại, đặc biệt nấu chảy kim loại chân không để tránh tác dụng không khí xung quanh Muốn vậy, người ta đặt kim loại vào lò có chỗ để hút không khí bên ra; xung quanh lò ta quấn dây điện Cho dòng điện có tần số lớn chạy qua cuộn dây Dòng điện tạo nên khối kim loại từ trường biến đổi nhanh, làm xuất dòng điện Foucault mạnh nấu chảy kim loại Dòng điện Foucault dùng để hãm dao động Thực vậy, muốn hãm dao động kim thị máy đo điện chẳng hạn, người ta gắn vào kim đĩa kim loại (đồng nhôm) đặt đĩa từ trường nam châm vĩnh cửu Khi kim dao động, đĩa kim loại dao động theo Từ thông qua đĩa thay đổi làm xuất đĩa dòng điện Foucault Theo định luật Lenz, dòng điện Foucault phải có chiều cho tác dụng chống lại biến thiên từ thông gửi qua đĩa kim loại, tức chống lại dao động đĩa kim loại Kết dao động kim bị tắt nhanh chóng II HIỆN TƢỢNG TỰ CẢM TOP Thí nghiệm Trong thí nghiệm Faraday, dòng điện cảm ứng xuất biến đổi từ thông gửi qua diện tích mạch gây Từ thông từ trường bên tạo nên Bây giờ, ta làm thay đổi cường độ dòng điện sẵn có mạch để từ thông dòng điện sinh gửi qua diện tích mạch thay đổi, mạch xuất dòng điện cảm ứng, phụ thêm vào dòng điện sẵn có mạch Dòng điện cảm ứng gọi dòng điện tự cảm Hiện tượng gọi tượng tự cảm Hiện tượng tự cảm xuất mạch kín có dòng điện xoay chiều chạy qua, mạch điện chiều ta đóng mạch hay ngắt mạch Hình 15.6 Suất điện động tự cảm hệ số tự cảm TOP Suất điện động gây nên dòng điện tự cảm gọi suất điện động tự cảm Theo định luật tượng cảm ứng điện từ, biểu thức suất điện động tự cảm là: Như vậy: suất điện động tự cảm tỉ lệ thuận với tốc độ biến đổi cường độ dòng điện mạch Dấu trừ (-) công thức (15.6) chứng tỏ: suất điện động tự cảm có tác dụng chống lại biến đổi cường độ dòng điện mạch TOP Ý nghĩa đơn vị hệ số tự cảm Hệ số tự cảm L ống dây điện thẳng dài TOP Hiệu ứng da TOP Hiện tượng tự cảm xảy mạch điện mà xảy lòng dây dẫn có dòng điện biến đổi chạy qua Thực nghiệm chứng tỏ rằng: cho dòng điện cao tần (dòng điện biến đổi với tần số cao) chạy qua dây dẫn tượng tự cảm, dòng điện không chạy lòng dây mà chạy lớp Hiệu ứng gọi hiệu ứng da Dưới ta giải thích tượng Giả sử dòng điện cao tần từ lên (Hình 15.8) Dòng điện gây lòng dây dẫn từ trường, với đường sức cảm ứng từ có chiều hình vẽ (qui tắc vặn nút chai) Vì dòng điện biến đổi, nên từ trường gây biến đổi theo Nếu xét tiết diện chứa trục đối xứng dây, từ thông gửi qua tiết diện biến đổi Vì tiết diện xuất dòng điện tự cảm khép kín dòng 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, dòng điện cao tần chạy lớp bề mặt dây dẫn Trong trường hợp dòng cao tần giảm (Hình 15.8b), người ta chứng minh kết Lý thuyết thực nghiệm chứng tỏ: dòng điện cao tần có tần số 105 Hz trở lên, dòng điện chạy lớp bề mặt dày 0,20mm củìa dây dẫn Vì lý đó, người ta làm dây dẫn rỗng để mang dòng điện cao tần, tiết kiệm nhiều kim loại Một ứng dụng quan trọng hiệu ứng da kim loại lớp 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 da Cách làm sau: cho dòng điện cao tần chạy qua chi tiết máy để nung nóng lớp mặt tới nhiệt độ cần thiết Sau ta nhúng chi tiết máy vào chất lỏng để kết lớp mặt cứng, bên chi tiết máy dẻo TOP Dòng điện tự cảm ngắt mạch Khi mở cầu dao mạch điện có chứa máy phát điện hay động điện, ta thường thấy hồ quang điện xuất hai cực cầu dao Nguyên nhân ngắt mạch, dòng điện giảm đột ngột giá trị không, cuộn dây máy điện có xuất dòng điện tự cảm lớn Dòng điện phóng lớp không khí hai cực cầu dao gây nguy hiểm cho hệ thống điện Ðể khử hồ quang điện ngắt mạch, người ta đặt cầu dao dầu, dùng khí mạnh v.v dập tắt hồ quang III HIỆN TƢỢNG HỖ CẢM TOP Thí nghiệm Suất điện động hỗ cảm Hệ số hỗ cảm TOP Suất điện động gây dòng điện hỗ cảm gọi suất điện động hỗ cảm Công thức tuân theo định luật tượng cảm ứng điện từ, nghĩa là: So sánh công thức (15.9) với công thức (15.5) ta nhận thấy rằng: hệ số hỗ cảm M có đơn vị hệ số tự cảm L, nghĩa tính Henry Hiện tượng hỗ cảm ứng dụng để chế tạo máy biến Ðó dụng cụ quan trọng kỹ thuật điện IV NĂNG LƢỢNG TỪ TRƢỜNG TOP Năng lƣợng từ trƣờng ống dây điện Giả sử lúc đầu mạch đóng kín, mạch có dòng điện không đổi I Khi đó, toàn lượng dòng điện sinh biến thành nhiệt Ðiều nghiệm mạch có dòng điện không đổi, không nghiệm đóng mạch ngắt mạch Thực vậy, đóng mạch, dòng điện i tăng dần từ giá trị không đến giá trị ổn định cực đại I Do đó, mạch xuất dòng điện tự cảm itc ngược chiều với dòng điện io nguồn phát ra, làm cho dòng điện toàn phần i=io-itc mạch nhỏ io Kết có phần điện nguồn sinh biến thành nhiệt Trái lại, ngắt mạch, dòng điện giảm đột ngột từ giá trị I giá trị không Do đó, mạch xuất dòng điện tự cảm chiều với dòng điện làm cho dòng điện giảm đến giá trị không chậm Như vậy, sau ngắt mạch, mạch dòng điện chạy thời gian ngắn nữa, toả nhiệt mạch Thực nghiệm lý thuyết xác nhận nhiệt lượng toả mạch sau ngắt mạch có giá trị phần lượng không toả nhiệt mà ta nói Như vậy, rõ ràng đóng mạch, phần lượng nguồn điện sinh tiềm tàng dạng lượng để ngắt mạch, phần lượng toả dạng nhiệt mạch Ta nhận thấy đóng mạch, dòng điện mạch tăng từ trường ống dây tăng theo Mà từ trường ta biết dạng vật chất Nó có mang lượng, phần lượng tiềm tàng nói lượng từ trường ống dây điện TOP Năng lƣợng ống dây Ðể tính phần lượng này, ta áp dụng định luật Ohm cho mạch điện trình dòng điện thành lập: Trong công thức này, L tính Henry, I tính Ampère, lượng từ trường W tính Joule TOP Mật độ lƣợng từ trƣờng Lý thuyết thí nghiệm chứng tỏ lượng từ trường phân bố khoảng không gian có từ trường Như ta biết, từ trường ống dây điện thẳng dài vô hạn từ trường Vì vậy, lượng từ trường ống dây phân bố đêù thể tích Nếu gọi V thể tích ống dây mật độ lượng từ trường ống dây điện là: Năng lƣợng từ trƣờng TOP TRỌNG TÂM ÔN TẬP ***&&&*** Thế tượng cảm ứng điện từ Sức điện động dòng điện cảm ứng Nguyên nhân tượng cảm ứng điện từ Ðịnh luật Lenz chiều dòng điện cảm ứng, cho ví dụ Ðịnh luật sức điện động cảm ứng Cách tạo dòng điện xoay chiều với N vòng dây Khi xuất dòng điện Foucault Cách khắc phục tác hại dòng điện Foucault Ứng dụng dòng điện Foucault Thế tượng tự cảm Khi xuất dòng điện tự cảm Hệ số tự cảm cuộn dây Hiện tượng hỗ cảm Hệ số hỗ cảm Năng lượng ống dây - Năng lượng từ trường - Mật độ lượng từ trường CÂU HỎI ĐIỀN THÊM ***&&&*** Dòng điện cảm ứng tồn Ðể tạo dòng điện xoay chiều khung dây Dòng điện tự cảm sinh mà Dòng điện cảm ứng phải có chiều cho từ trường mà sinh có tác dụng chống lại Năng lượng từ trường nhận biết qua mà Trong dòng điện xoay chiều có dòng điện Bởi Hỗ cảm tượng mà đặt hai dây dẫn mà dây PHÂN TÍCH NHỮNG CÂU HỎI ĐÚNG SAI ***@@@*** Cường độ dòng điện cảm ứng tỷ lệ với tốc độ biến thiên từ thông qua mạch Khi từ thông qua mạch tăng từ trường cảm ứng chiều từ trường Khi đặt vật dẫn từ trường biến đổi, thể tích vật dẫn xuất dòng điện Foucault Trong ống dây có lõi sắt từ trường giảm nhiều lần Dòng điện tạo từ trường ngược lại từ trường tạo dòng điện Ðể giảm hao phí điện máy biến thế, người ta dùng sắt mỏng ghép với Khi dòng điện cao tần f = 100.000Hz chạy qua mạch dòng điện chạy lớp mặt dày 0,2mm CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM ***&&&*** BÀI TẬP ***&&&*** [...]... Hệ số hỗ cảm 4 Năng lượng của ống dây - Năng lượng từ trường - Mật độ năng lượng từ trường CÂU HỎI ĐIỀN THÊM ***&&&*** 1 Dòng điện cảm ứng chỉ tồn tại khi 2 Ðể tạo ra dòng điện xoay chiều trong một khung dây 3 Dòng điện tự cảm sinh ra khi mà 4 Dòng điện cảm ứng phải có chiều sao cho từ trường mà nó sinh ra có tác dụng chống lại 5 Năng lượng của từ trường có thể nhận biết qua khi mà nó 6 Trong dòng