Bài giảng Vật lý 1: Cảm ứng điện từ - TS. Nguyễn Kim Quang

Bài giảng Vật lý 1: Cảm ứng điện từ cung cấp cho người học các kiến thức: Các định luật về hiện tượng cảm ứng điện từ, sức điện động của vật dẫn chuyển động, điện trường cảm ứng, dòng điện Foucault, hiện tượng hỗ cảm,... Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

10/06/2016 CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ ĐIỆN TỪ TS Nguyễn Kim Quang Các định luật tượng cảm ứng điện từ Sức điện động vật dẫn chuyển động Điện trường cảm ứng Dòng điện Foucault Hiện tượng hỗ cảm Hiện tượng tự cảm Năng lượng từ trường Tóm tắt cơng thức CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ ĐIỆN TỪ TS Nguyễn Kim Quang Các định luật cảm ứng điện từ (Electromagnetic induction) Cảm ứng điện từ nguyên lý hoạt động thiết bị điện từ động điện, máy phát điện, biến thế, Định luật Faraday phát biểu mối liên hệ sức điện động cảm ứng với biến đổi từ thơng qua mạch kín định luật Lenz chiều sức điện động dòng điện cảm ứng Từ thơng qua mặt A: dΦB = B ∙ dA = B dA cosϕ ΦB = B ∙ dA = A , ϕ = 𝐵, 𝑑 𝐴 B dA cosϕ A Định luật Faraday: Sức điện động cảm ứng (induced electromotive force) sinh mạch kín có độ lớn ngược dấu với tốc độ biến đổi theo thời gian từ thơng qua mạch dΦB dΦB Nếu gồm N vòng dây: ℰ = −N ℰ=− dt 𝑑𝑡 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 10/06/2016 CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ ĐIỆN TỪ TS Nguyễn Kim Quang Các định luật cảm ứng điện từ Những nguyên nhân biến đổi từ thông: Biến đổi cường độ từ trường Quay mặt phẳng vòng dây Biến đổi diện tích vòng dây ĐIỆN TỪ CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ TS Nguyễn Kim Quang Các định luật cảm ứng điện từ Định luật Lenz: Hiệu ứng cảm ứng từ có chiều chống lại nguyên nhân gây hiệu ứng Nói cách khác, dòng điện cảm ứng phải có chiều cho từ trường sinh có tác dụng chống lại biến đổi từ thông CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 10/06/2016 CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ ĐIỆN TỪ TS Nguyễn Kim Quang Sức điện động vật dẫn chuyển động – Thanh dẫn điện Từ lực nguồn gốc sinh sức điện động cảm ứng vật dẫn chuyển động từ trường Trường hợp dẫn ab chuyển động vận tốc v từ trường B theo phương vng góc: Điện tích tự q chịu từ lực: F = qv × B  Điện trường tương đương thanh: F , Eeq= vB Eeq = = v × B q Điện trường Eeq làm điện tích tự dịch chuyển đầu Quá trình dịch chuyển điện tích làm xuất điện trường tĩnh E tăng dần đến cân với Eeq: F= qvB = qE b  Hiệu điện hai đầu thanh: Uab = E dl = EL = vBL a CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ ĐIỆN TỪ TS Nguyễn Kim Quang Sức điện động vật dẫn chuyển động – Thanh dẫn điện Trường hợp dẫn điện ab trượt khung dẫn chữ U với vận tốc v theo phương vng góc với từ trường B: Điện tích q chịu từ lực: a F = qv × B Điện trường tương đương: F Eeq = = v × B , Eeq= vB q + Sức điện động cảm ứng lưu số Eeq dọc theo khung dây: b ℰ= v × B ∙ dl = Eeq dl = −vBL b Chiều + mạch kín theo chiều kim đồng hồ (xác định theo vectơ mặt A) a Cách khác: Áp dụng định luật Faraday dΦB d BdS B(L vdt) ℰ=− =− =− = −BLv dt dt dt CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 10/06/2016 ĐIỆN TỪ CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ TS Nguyễn Kim Quang Sức điện động vật dẫn chuyển động – Đĩa tròn R Dùng điện trường tương đương  ℰ = R v × B ∙ dr = Bωr dr = BωR2 Cách khác: Trong thời gian dt, bán kính đĩa tròn quét segment vi cấp dS Từ thông qua dS là: dΦB = B ∙ dS = B R ds 1 dΦB = B R Rdθ = BR2 dθ 2 dΦB ℰ=− = − BR ω dt Dấu – sức điện động cảm ứng chống lại nguyên nhân gây Điện tích dương dịch chuyển theo bán kính Ob đĩa chịu từ lực ngược với chiều quay đĩa ĐIỆN TỪ CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ TS Nguyễn Kim Quang Sức điện động cảm ứng - Ứng dụng Thành phần chủ yếu thiết bị ngắt dòng chạm đất (Rò điện, Ground fault circuit Interrupter – Circuit Breaker) Bình thường dòng điện ngược chiều, từ thơng vòng sắt (Iron ring) Khi rò điện, dòng điện dây khơng nhau, từ thơng vòng sắt biến đổi sinh sức điện động cảm ứng cuộn dây (Sensing coil), kích hoạt ngắt dòng điện CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 10/06/2016 CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ ĐIỆN TỪ A dynamic microphone TS Nguyễn Kim Quang The pickup on an electric guitar ĐIỆN TỪ CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ TS Nguyễn Kim Quang Sức điện động cảm ứng - Ứng dụng Nguyên tắc hoạt động guitar điện Dây đàn guitar kim loại bị từ hóa nam châm (Magnet) Khi dây đàn dao động làm thay đổi từ thông qua cuộn dây (Pickup coil) sinh sức điện động cảm ứng cuộn dây, dẫn đến amplifer khuếch đại dao động âm, dẫn đến loa 10 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 10/06/2016 ĐIỆN TỪ CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ TS Nguyễn Kim Quang Điện trường cảm ứng Sức điện động cảm ứng sinh vật dẫn chuyển động từ trường có biến đổi từ thông qua vật dẫn đứng yên Xét trường hợp dòng điện I có tốc độ biến đổi dI/dt sinh dòng điện cảm ứng I’ Lực tác dụng lên điện tích dây dẫn (màu vàng) tạo dòng điện cảm ứng I’ khơng phải từ lực điện tích chuyển động mà xuất điện trường cảm ứng (điện trường lạ, điện trường xoáy), khác với điện trường tĩnh dΦB (Khơng bảo tồn) ℰ = E c ∙ dl = − dt Điện trường cảm ứng Ec sinh khơng có vật dẫn đặt Tính chất điện trường cảm ứng hay điện trường tĩnh tác dụng lực F lên điện tích q: F = qE ĐIỆN TỪ 𝑑𝐼 >0 𝑑𝑡 CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ 11 TS Nguyễn Kim Quang Dòng điện Foucault (Eddy currents) Dòng điện xốy cảm ứng vật dẫn biến thiên từ thơng Dòng điện chạy theo vòng kín nằm mặt vng góc với từ trường ngồi Dòng điện sinh từ trường chống lại biến đổi từ thông 12 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 10/06/2016 CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ ĐIỆN TỪ TS Nguyễn Kim Quang Dòng điện Foucault (Eddy currents) (Máy dò kim loại) 13 CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ ĐIỆN TỪ TS Nguyễn Kim Quang Nguyên tắc sinh nhiệt bếp cảm ứng dòng điện Foucault đáy nồi làm kim loại sắt từ (gang, thép không rỉ) 14 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 10/06/2016 CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ ĐIỆN TỪ TS Nguyễn Kim Quang Bếp cảm ứng điện từ đun sôi nồi thức ăn khơng làm nóng nồi thủy tinh bàn tay 15 ĐIỆN TỪ CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ TS Nguyễn Kim Quang Hiện tượng hỗ cảm (mutual inductance) Hai mạch điện đặt cạnh gồm N1 N2 vòng dây Dòng điện biến đổi mạch làm từ thông qua mạch thay đổi ngược lại, sinh sức động động cảm ứng mạch, gọi tượng hỗ cảm Sức điện động hỗ cảm cuộn dây: dΦB1 di2 ℰ1 = − = −M dt dt dΦB2 di1 ℰ2 = − = −M dt dt Φ ΦB ΦB M=− 1=− i2 i1 B1 : Từ thông qua cuộn gây cuộn M: hệ số hỗ cảm Hiện tượng hỗ cảm sở hoạt động máy biến phát điện 17 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 10/06/2016 CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ ĐIỆN TỪ TS Nguyễn Kim Quang Hiện tượng tự cảm (self inductance) Dòng điện biến đổi mạch điện sinh sức động cảm ứng emf mạch gọi sức điện động tự cảm Emf tự cảm chống lại biến đổi dòng điện dΦB Theo định luật Faraday: ℰ = − dt Độ (hệ số) tự cảm mạch điện: L= ΦB i (H = Wb/A = V.s/A = .s = J/A2) Sức điện động tự cảm: ℰ=− Thí dụ cuộn dây Solenoid: d Li di = −L dt dt ΦB = NBS = N μ0  Hệ số tự cảm cuộn dây: L = μ0 N N2 I S = μ0 IS l l N2 S l 18 CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ ĐIỆN TỪ TS Nguyễn Kim Quang Năng lượng từ trường Năng lượng cung cấp cho mạch điện dòng điện biến đổi vi cấp di: dU = id = Lidi Năng lượng cung cấp cho mạch điện từ i= đến i lượng từ trường i dòng điện i: Um = L i di = Li2 Thí dụ cuộn solenoid: Um = N2 Li = μ0 S 2 l → Mật độ lượng từ trường: ωm = Năng lượng từ trường thể tích V: Bl μ0 N CuuDuongThanCong.com H= B μ Um = ⇒ Um = B2 Sl μ0 Um B = V μ0 ωm dV = V Định nghĩa vectơ H: = V B2 dV μ BH dV V https://fb.com/tailieudientucntt 19 10/06/2016 CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ ĐIỆN TỪ TS Nguyễn Kim Quang TĨM TẮT CƠNG THỨC 1) Định luật Faraday: ℰ=− dΦB d =− dt dt B ∙ dS S 2) Điện trường tương đương vật dẫn chuyển động từ trường: Eeq = v × B dΦB dt dΦB d Li di ℰtc = − =− = −L 4) Sức điện động tự cảm: dt dt dt ΦB 5) Độ (hệ số) tự cảm vật dẫn: L = I Um B ωm = = 6) Mật độ lượng từ trường: V μ 3) Điện trường cảm ứng EC: ℰ= Ec ∙ dl = − 7) Năng lượng từ trường thể tích V: Um = ωm dV = V V B2 dV μ 20 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 10 ... https://fb.com/tailieudientucntt 10/06/2016 CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ ĐIỆN TỪ A dynamic microphone TS Nguyễn Kim Quang The pickup on an electric guitar ĐIỆN TỪ CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ TS Nguyễn Kim Quang Sức điện động cảm ứng - Ứng dụng Nguyên... 10/06/2016 CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ ĐIỆN TỪ TS Nguyễn Kim Quang Bếp cảm ứng điện từ đun sôi nồi thức ăn khơng làm nóng nồi thủy tinh bàn tay 15 ĐIỆN TỪ CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ TS Nguyễn Kim Quang Hiện tượng hỗ cảm (mutual... 10/06/2016 ĐIỆN TỪ CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ TS Nguyễn Kim Quang Điện trường cảm ứng Sức điện động cảm ứng sinh vật dẫn chuyển động từ trường có biến đổi từ thông qua vật dẫn ứng yên Xét trường hợp dòng điện