Bài giảng Vật lý A1: Chương 10

Chương 10 Hiện tượng cảm ứng điện từ thuộc bài giảng Vật lý A1, cùng nắm kiến thức trong chương này thông qua việc tìm hiểu các nội dung chính sau: các định luật về hiện tượng cảm ứng điện từ, hiện tượng tự cảm, hiện tượng hỗ cảm, năng lượng từ trường.

CHƯƠNG X: HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ §1 CÁC ĐỊNH LUẬT VỀ HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ Hiện tượng cảm ứng điện từ a Các thí nghiệm Khi đưa cực N (cực bắc) nam châm lại gần ống dây kim điện kế bị lệch, chứng tỏ mạch dã xuất dòng điện gọi dòng điện cảm ứng Ic Qua thí nghiệḿ, Faraday rút kết luận tổng quát sau đây: a Sự biến đổi từ thơng qua mạch kín nguyên nhân sinh dòng điện cảm ứng mạch đó b Dòng điện cảm ứng tồn thời gian từ thông gửi qua mạch thay đổi c Cường đợ dịng điện cảm ứng tỉ lệ thuận với tốc độ biến đổi từ thông d Chiều dịng điện cảm ứng phụ thuộc vào từ thơng gửi qua mạch tăng hay giảm Định luật Lentz  Dịng điện cảm ứng có chiều cho từ trường gây có tác dụng chống lại nguyên nhân đã gây Định luật tượng cảm ứng điện từ Giả sử tốn cơng dA’ dịch chuyển vịng dây dẫn kín (C) từ trường thời gian dt từ thơng qua vịng dây thay đổi lượng dΦm , vòng dây xuất dòng điện cảm ứng cường đợ Ic Cơng từ lực tác dụng lên dịng điện cảm ứng trình đó là: dA = Ic.dΦm mà dA’ = - dA = - Ic dΦm Theo định luật bảo tồn lượng, cơng dA’ chuyển thành lượng dòng điện cảm ứng ξc.Ic.dt, đó ξc suất điện động cảm ứng, nên ta có: ξcIc.dt = - Ic dΦm Từ đó ta suy biểu thức suất điện động cảm ứng: d m c   dt  Suất điện động cảm ứng luôn về trị số ngược dấu với tốc độ biến thiên từ thông gửi qua diện tích mạch điện §2 HIỆN TƯỢNG TỰ CẢM Hiện tượng tự cảm Xét mạch điện hình vẽ (10-3) Giả sử ban đầu mạch điện đóng kín, kim điện kế nằm vị trí "a" Nếu ngắt mạch điện, ta thấy kim điện kế lệch số không quay trở lại số khơng (h.10-3b) Nếu đóng mạch điện, ta thấy kim điện kế vượt lên vị trí a lúc nãy, quay trở lại vị trí a (Hình 10-3c) Hiện tượng giải thích sau: Khi ngắt mạch, nguồn điện ngừng cung cấp lượng cho mạch Vì vậy,dịng điện nguồn cung cấp giảm không Nhưng giảm lại gây giảm từ thông qua cuộn dây Kết cuộn dây xuất dòng điện cảm ứng chiều với dòng điện ban đầu để chống lại giảm dòng điện Vì khố k ngắt, dịng điện cảm ứng khơng thể qua k, chạy qua điện kế theo chiều từ B sang A (ngược chiều với dòng điện lúc đầu) Do kim điện kế quay ngược phía lúc đầu, sau dịng cảm ứng tắt, kim điện kế số khơng Cịn k đóng mạch, dòng điện qua điện kế cuộn dây tăng lên từ giá trị không, làm cho từ thông qua ống dây tăng làm gây ống dây dòng điện cảm ứng ngược chiều với Một phần dịng điện cảm ứng rẽ qua điện kế theo chiều từ A sang B, để cộng thêm với dòng điện nguồn gây ra, làm cho kim điện kế vượt q vị trí a Sau đó, dịng cảm ứng tắt, dịng qua điện kế dòng nguồn cấp, nên kim điện kế trở vị trí a Thí nghiệm chứng tỏ: Nếu cường độ dòng điện mạch thay đổi, mạch xuất dịng điện cảm ứng Vì dịng điện cảm ứng dịng điện mạch gây nên gọi dịng điện tự cảm, cịn tượng gọi tượng tự cảm 2 Suất điện động tự cảm Hệ số tự cảm a Định nghĩa: Suất điện động gây dòng điện tự cảm gọi suất điện độngtự cảm d m  tc   dt b Biểu thức suất điện động tự cảm Vì Φm= LI L hệ số tỉ lệ phụ thuộc hình dạng, kích thước mạch điện vào tính chất mơi trường bao quanh mạch điện L gọi hệ số tự cảm mạch điện d  LI   tc   dt c Hệ số tự cảm m L I d Hệ số tự cảm ống dây điện thẳng dài vơ hạn Khi có dịng điện cường đợ I chạy vòng dây dẫn, điểm bên ống dây có véc tơ cảm ứng từ và bằng: n B   n0 I    I l Từ thông gửi qua ống dây là: n2 S  m  nBS    I l Hệ số tự cảm ống dây: m n2 S L  0  I l Hiệu ứng bề mặt (skin-effect) Hiện tượng tự cảm xảy lòng dây dẫn có dịng điện biến đổi theo thời gian §3 HIỆN TƯỢNG HỖ CẢM Hiện tượng Giả sử có hai mạch điện kín (C1 ) và (C2 ) đặt cạnh nhau, đó có dịng điện I1, I2 Nếu dòng điện I1 chạy mạch C1 thay đổi thì từ thơng dịng điện gửi qua mạch C2 biến đổi, gây C2 đó SĐĐ cảm ứng Dòng cảm ứng làm cho dòng điện C2 biến đổi, và từ thơng gửi qua C1 biến đổi, làm xuất SĐĐ cảm ứng C1 Gọi tượng tượng hỗ cảm Suất điện động hỗ cảm, hệ số hỗ cảm a Định nghĩa Suất điện động gây dịng điện hỡ cảm gọi suất điện động hỡ cảm Gọi Φm12 từ thơng dịng điện I1 gây và gửi qua diện tích mạch (C2), Φm21là từ thơng dịng điện I2 sinh và gửi qua diện tích mạch (C1) Φm12 = M12.I1 Φm21 = M21.I2 M12 gọi hệ số hỗ cảm hai mạch (C1) và (C2), M21 hệ số hỗ cảm (C2) và (C1 ) Người ta đã chứng minh rằng: M12 = M21 = M Do đó, suất điện động xuất mạch (C2) là: d m12 dI  hc    M dt dt và (C1 ) là:  hc1 d m 21 dI   M dt dt §4 NĂNG LƯỢNG TỪ TRƯỜNG Năng lượng từ trường ống dây điện a.Năng lượng từ trường:Gỉa sử ban đầu khố K đóng, mạch có dịng điện khơng đổi I Khi tồn lượng nguồn cung cấp biến thành nhiệt - Khi đóng mạch, dịng điện i mạch tăng dần từ 0, trình mạch xuất itc ngược chiều với dòng điện nguồn sinh i0 làm cho dịng điện tồn phần mạch i = i0 – itc nhỏ i0 kết phần lượng nguồn cung cấp biến thành nhiệt -Khi ngắt mạchdòng điện nguồn cung cấp giảm từ I 0, mạch xuất dòng điện tự cảm chiều với dịng điện đó, làm cho dịng điện tồn phần mach lớn lớn lên giảm chậm lại, nhiệt toả mạch lúc lớn lượng nguồn cung cấp - Vậy đóng mạch phần lượng nguồn cung cấp tiềm tàn dạng lượng để ngắt mạch phầnnăng lượng toả đướiạng nhiệt, phần lượng lượng từ trường ống dây Áp dụng địnhluật Omh cho mạch điện q trình dịng điện mạch thành lập: di di     Ri    L  Ri hay   Ri  L dt dt Nhân hai vế phương trình với idt idt  Ri dt  Lidi +ξidt lượng nguồn sinh thời gian dt +Ri2dt lượng toả nhiệt thời gian dt +dWm = Lidi lượng tiềm tàng dạng lượng từ trường Trong trình thành lập dịng điện lượng từ trường tc W   Lidi  LI I m b Mật độ lượng từ trường:năng lượng từ trường phân bố khoảng không gian từ trường Như ta đã nói trên, từ trường ống dây thẳng và dài từ trường và có thể coi tồn bên thể tích ống dây Như vậy, ống dây dài l, tiết diện S, có thể tích V = l.S, thì lượng từ trường đơn vị thể tích, tức mật đợ lượng từ trường bên ống dây là:   W    n I  BH V l Như vậy, lượng từ trường thể tích dV dW   dV Do đó nănglượng từ trường bất kỳ chiếm thể tích V, W   BHdV  2 2 m m m m V m ... Xét mạch điện hình vẽ (10- 3) Giả sử ban đầu mạch điện đóng kín, kim điện kế nằm vị trí "a" Nếu ngắt mạch điện, ta thấy kim điện kế lệch số khơng quay trở lại số khơng (h .10- 3b) Nếu đóng mạch điện,... Nếu đóng mạch điện, ta thấy kim điện kế vượt lên vị trí a lúc nãy, quay trở lại vị trí a (Hình 10- 3c) Hiện tượng giải thích sau: Khi ngắt mạch, nguồn điện ngừng cung cấp lượng cho mạch Vì vậy,dịng