8. Các phương pháp nghiên cứu:
2.1.1. Các nội dung chính trong chương “Cảm ứng điện từ”
Chương “Cảm ứng điện từ” được bố trí trong 3 bài và theo phân phối chương trình thì được dạy trong 7 tiết
- Bài 23: Từ thông – Cảm ứng điện từ - Bài 24: Suất điện động cảm ứng - Bài 25: Tự cảm
Chương “ Cảm ứng điện từ” gồm những nội dung chính sau: a. Từ thông:
Đường cong phẳng kín (C) là chu vi giới hạn một mặt có diện tích S được đặt trong từ trường đều 𝐵�⃗. Trên đường vuông góc với mặt S ta vẽ vectơ 𝑛�⃗ có độ dài bằng đơn vị theo một hướng xác định ( 𝑛�⃗ được gọi là vectơ pháp tuyến dương. Α là góc tạo bởi 𝑛�⃗ 𝑣à 𝐵�⃗. Ta định nghĩa từ thông qua mặt S là đại lượng, kí hiệu Ф, cho bởi:
Ф = Bscosα
- Từ thông là một đại lượng đại số - Khi α nhọn thì Ф > 0
- Khi α tù thì Ф < 0
- Khi α = 900 thì Ф = 0 ( khi các đường sức từ song song với mặt S thì từ thông qua S bằng 0 )
- Khi α = 00 thì Ф = BS
Trong đơn vị đo từ thông là vêbe (Wb) b. Hiện tượng cảm ứng điện từ:
Ta đã biết dòng điện sinh ra từ trường. Ngược lại, từ trường có sinh ra dòng điện không? Bằng các thí nghiệm của mình. Nhà bác học Farađây đã phát hiện ra rằng, mỗi khi từ thông qua mạch kín biến thiên thì trong mạch xuất hiện dòng điện. Dòng điện đó được gọi là dòng điện cảm ứng và hiện tượng phát sinh dòng điện cảm ứng gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ
Hiện tượng xuất hiện dòng điện cảm ứng trong một mạch kín nào đó do từ thông qua nó thay đổi gây ra gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ ( 1832 – Faraday)
c. Các định luật cảm ứng điện từ
- Định luật về chiều của dòng điện cảm ứng – Định luật Lenxơ
Dòng điện cảm ứng bao giờ cũng có chiều sao cho từ trường mà nó sinh ra chống lại nguyên nhân sinh ra nó
Định luật Lenz cho phép xác định chiều của dòng điện cảm ứng xuất hiện trong mạch kín bất kì khi từ thông qua mạch kín biến thiên.
Ví dụ: để xác định chiều của dòng điện cảm ứng … - Định luật về suất điện động cảm ứng
Sự xuất hiện dòng điện cảm ứng trong mạch kín, chứng tỏ trong mạch phải tồn tại một suất điện động ec gọi là suất điện động cảm ứng. Bằng cách phân tích các kết quả thực nghiệm của mình, Farađây đã tìm được biểu thức của suất điện động cảm ứng:
Phát biểu định luật Faraday: “ suất điện động cảm ứng tỉ lệ thuận với tốc độ biến thiên của từ thông qua mạch”
𝑒𝑐 = −𝑑𝑑𝑡Ф (*)
Tóm lại, biểu thức (*) bao gồm đầy đủ các định luật cảm ứng điện từ, xác định được cả chiều lẫn độ lớn của suất điện động cảm ứng
Nếu mạch kín, dòng điện trong mạch sẽ có cường độ: 𝐼𝐶 =𝑅𝑒𝐶
𝑡𝑚
Với Rtmlà điện trở toàn mạch
Nếu mạch hở thì không có dòng IC nhưng hai đầu mạch vẫn có hiệu điện thế U = eC
Như vây, để xuất hiện dòng điện cảm ứng trong một mạch điện kín thì mạch kín đó đứng yên trong từ trường biến thiên hoặc mạch kín chuyển động trong từ trường
d. Trường hợp riêng của hiện tượng cảm ứng điện từ - Hiện tượng tự cảm
Ta đã biết xung quanh dòng điện có từ trường. Vậy 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 này biến thiên thì từ thông qua mạch này cũng biến thiên và trong mạch sẽ xuất hiện suất điện động cảm ứng. Ta gọi đó là hiện tượng tự cảm.
Vậy hiện tượng tự cảm là hiện tượng xuất hiện suất điện động cảm ứng trong một mạch điện kín khi dòng điện trong mạch biến thiên.
Suất điện động cảm ứng trong trường hợp này được gọi là suất điện động tự cảm. Hiện tượng tự cảm chính là trường hợp riêng của hiện tượng cảm ứng điện từ, do đó nó cũng tuân theo định luật tổng quát về cảm ứng điện từ.
Vì mạch kín nên trong mạch xuất hiện dòng điện cảm ứng gọi là dòng điện tự cảm. Chiều của dòng điện tự cảm tuân theo định luật Lenz, nghĩa là nó luôn có xu hướng làm cho dòng điện trong mạch đạt trạng thái ổn định
Suất điện động tự cảm được tính bởi công thức 𝑒𝑡𝑐 = −𝑑Ф𝑚
𝑑𝑡
Mà từ thông dФm tỉ lệ với cảm ứng từ B; cảm ứng từ B lại tỉ lệ với dòng điện trong mạch. Do đó ta có: Фm = LI
Trong đó, hệ số tỉ lệ L được gọi là hệ số tự cảm hay độ tự cảm của mạch điện Từ đó ta có suất điện động tự cảm của mạch điện 𝑒𝑡𝑐 = −𝐿𝑑𝑡𝑑𝐼
Công thức trên chỉ đúng trong trường hợp mạch điện đặt trong môi trường không có tính sắt từ
- Dòng điện Phucô (dòng điện xoáy)
Khi đặt một khối vật 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 Phucô 𝐼𝐹 = 𝑒𝐶
𝑅 là rất lớn, nhất là khi từ trường biến thiên nhanh
Dòng điện Phucô là dòng điện cảm ứng chạy trong những khối vật dẫn nằm trong từ trường biến đổi.
+ Tác hại của dòng điện Phucô
Máy biến thế, động cơ điện, máy phát điện … lõi sắt của chúng chịu tác dụng của từ trường biến đổi, vì vậy trong lõi xuất hiện dòng Phucô. Theo định luật Lenxơ, năng lượng dòng Phucô bị mất đi dưới dạng nhiệt, đó là phần năng lượng hao phí vô ích, làm nóng máy, gây hư hỏng, giảm hiệu suất của máy…
+ Lợi ích của dòng Phucô
Lò điện cảm ứng: dùng để nấu chảy kim loại trong chân không để tránh tác dụng oxy hóa của không khí xung quanh. Người ta cho kim loại vào trong một cái lò và lò này có chỗ để hút không khí ra bên ngoài. Xung quanh lò, người ta quấn dây điện và cho dòng điện cao tần chạy qua dây đó. Kết quả là, trong khối kim loại xuất hiện những dòng điện Phucô rất mạnh có thể nấu chảy được kim loại
Hãm các dao động: muốn hãm dao động của kim trong một máy đo điện chẳng hạn người ta gắn vào kim đó một đĩa kim loại ( đồng hoặc nhôm) và đặt đĩa ấy trong từ trường của một nam châm vĩnh cửu.
Khi kim dao động, đĩa kim loại cũng dao động theo. Từ thông qua đĩa thay đổi làm xuất hiện dòng điện Phucô. Các dòng này vừa xuất hiện thì chịu ngay tác động của từ trường do nam châm vĩnh cửu gây ra. Theo định luật Lenxơ, tác dụng ấy phải chống lại nguyên nhân sinh ra các dòng Phucô, do đó chống lại sự dao động của đĩa. Kết quả là dao động của đĩa bị hãm nhanh chóng
- Năng lượng từ trường của ống dây tự cảm
Năng lượng từ trường của dòng điện chạy trong ống dây
Năng lượng từ trường của dòng điện I chạy trong ống dây có độ tự cảm L là: 𝑊 =
1 2𝐿𝑖2