Lập sơ đồ tiến trình xây dựng kiến thức “Cảm ứng điện từ”

Vấn đề 1: Hiện tƣợng cảm ứng điện từ

Sơ đồ 2.4: Tiến trình xây dựng kiến thức vấn đề 1

Thí nghiệm Ơ-xtet cho biết dòng điện sinh ra từ trƣờng. Ngƣợc lại từ trƣờng có thể sinh ra

dòng điện đƣợc không? - Mạch kín(C) đặt trong từ trƣờng.

- Khi þm biến thiên qua (C) thì có hiện tƣợng gì xảy ra?

- Khi þm ngừng biến thiên có hiện tƣợng gì không?

- Thí nghiệm và quan sát. 0 N S Bc 0 N S N S Bc Bc B c 0 N S Bc Bc 0 N S N S Hình 1a Hình 1b

- Mỗi khi từ thông qua mạch kín (C) biến thiên thì trong mạch kín (C) xuất hiện dòng điện, dòng điện đó gọi là dòng điện cảm ứng.

- Hiện tƣợng cảm ứng điện từ chỉ tồn tại trong khoảng thời gian từ thông qua mạch biến thiên.

Tiến trình nhận thức vấn đề 1 đƣợc diễn đạt nhƣ sau:

Ta đã biết dòng điện sinh ra từ trƣờng, vậy từ trƣờng có sinh ra dòng điện hay không? Thí nghiệm đã cho thấy:

Khi cho từ thông qua mạch kín biến thiên thì trong mạch kín xuất hiện một dòng điện.

Dòng điện đó đƣợc gọi là dòng điện cảm ứng và hiện tƣợng đó gọi là hiện tƣợng cảm ứng điện từ.

Nhƣ vậy: Từ thông qua mạch kín biến thiên thì trong mạch kín sẽ sinh ra dòng điện.

Dòng điện đó do một suất điện động sinh ra, suất điện động đó đƣợc gọi là suất điện động cảm ứng.[2]

Vấn đề 2: Định luật Lenz về chiều dòng điện cảm ứng.

Sơ đồ 2.5: Tiến trình xây dựng kiến thức vấn đề 2

Dòng điện cảm ứng có chiều sao cho từ trƣờng do nó gây ra có tác dụng chống lại nguyên nhân

sinh ra nó.

Khi thay đổi sự biến thiên þm (tăng, giảm) dẫn đến chiều dòng điện

trong mạch thay đổi)

- Khi dòng điện cảm ứng có chiều i1 thì dòng điện này gây ra từ trƣờng có đƣờng sức từ ngƣợc chiều với các đƣờng sức của của từ trƣờng nam châm.

- Khi dòng điện cảm ứng có chiều là i2 gây ra với các đƣờng sức từ cùng chiều với đƣờng sức từ của nam châm

Hai vấn đề đó có liên quan tới nhau vậy nó có tuân theo một quy luật nào không?

- Xét thí nghiệm nhƣ hình vẽ - Khi þm tăng chiều dòng điện là i1 - Khi þm tăng chiều dòng điện là i2

* Tiến trình nhận thức vấn đề 2 được diễn đạt như sau:

Khi thay đổi chiều biến thiên của từ thông qua mạch kín (C), thì chiều dòng điện cảm ứng cũng thay đổi.

Trong thí nghiệm 1, nam châm dịch chuyển dịch chuyển lại gần mạch kín (C), đƣờng sức từ qua (C) tăng lên: chiều dòng điện cảm ứng là i1. Trong thí nghiệm 2, nam châm dịch chuyển ra xa mạch kín (C), số đƣờng sức từ qua (C) giảm đi chiều dòng điện cảm ứng là i2.

Phát biểu 1

Qua thí nghiệm cho thấy: Khi dòng điện cảm ứng có chiều i1 thì dòng điện này gây ra từ trƣờng có các đƣờng sức từ đi qua (C) ngƣợc chiều với các đƣờng sức từ của nam châm. Trái lại, khi dòng điện cảm ứng có chiều là i2 thì các đƣờng sức do i2 gây ra cùng chiều với đƣờng sức từ của nam châm (Gọi từ trƣờng của nam châm - từ trƣờng gây ra từ thông m qua mạch kín (C) là từ trƣờng ban đầu). Căn cứ vào những kết quả thực nghiệm có thể phát biểu định luật Lenz (Phát biểu 1): Khi số đƣờng sức qua mạch kín(C) tăng thì dòng điện cảm ứng có chiều sao cho từ trƣờng do nó gây ra có đƣờng sức từ ngƣợc chiều với các đƣờng sức từ ban đầu. Khi số đƣờng sức qua mạch kín (C) giảm thì dòng điện cảm ứng có chiều sao cho từ trƣờng do nó gây ra có đƣờng sức từ cùng chiều với đƣờng sức từ ban đầu.

Phát biểu 2

Khi tính từ thông m qua mặt (C), ta phải chọn một chiều dƣơng trên mặt (C) và mặt S ( mặt S tựa trên (C)) đƣợc định hƣớng theo chiều dƣơng là chiều thuận đối với chiều dƣơng trên (C). Với những qui tắc đó có thể phát biểu định luật Lenz (phát biểu 2): Khi từ thông m qua(C) tăng thì chiều dòng điện cảm ứng là chiều âm trên (C); khi từ thông m qua (C) giảm thì chiều dòng điện cảm ứng là chiều dƣơng trên (C).

Phát biểu 3

Khi nam châm dịch chuyển lại gần mặt kín C: Chiều dòng điện cảm ứng là i1. Mặt kín C trở thành một nam châm có cực hƣớng về nam châm là cực N và ngăn cản nam châm dịch lại gần. Ngƣợc lại, nam châm dịch chuyển ra xa mạch kín (C), chiều dòng điện cảm ứng là i2. Mặt kín C trở thành một nam châm có cực hƣớng về nam châm là cực S và ngăn cản nam châm dịch ra xa. Từ thực nghiệm đã chứng tỏ chiều dòng điện cảm ứng tuân theo định luật Lenz (Phát biểu 3): Khi sự biến thiên từ thông m qua mạch (C) gây ra bởi một dịch chuyển nào đó thì dòng điện cảm ứng xuất hiện trong (C) có chiều sao cho từ trƣờng do nó gây ra có tác dụng chống lại sự dịch chuyển ấy. Một cách tổng quát có thể phát biểu định luật Lenz: Dòng điện cảm ứng có chiều sao cho từ trƣờng do đó gây ra có tác dụng chống lại nguyên nhân sinh ra nó. [2]

Vấn đề 3: Định luật về suất điện động cảm ứng

Tiến trình nhận thức vấn đề 3 đƣợc diễn đạt nhƣ sau:

* Xét một mạch kín (C) chuyển động trong một từ trƣờng dừng. trong khoảng thời gian dt mạch kín dịch chuyển vi phân từ vị trí (C1) sang vị trí (C2) trong đó từ thông qua (C) biến thiên từ:

1 =  (qua S1)

2 =  + d (qua S2)

Suất điện động cảm ứng xuất hiện trong (C) cho bởi:  = -

dt d

Xét mặt kín tạo bởi hai mặt S1 và S2 cùng với mặt Squét quét bởi (C) trong quá trình dịch chuyển. từ thông tổng cộng qua mặt kín ấy cho bởi:

1 + dquét - 2 = 0 Nghĩa là dquét = 2 - 1 = d

Do đó:  = -

dt dquét

Phát biểu: Suất điện động cảm ứng xuất hiện trong mạch (C) có giá trị bằng từ thông quét bởi mạch ấy trong một đơn vị thời gian. [2]

Sơ đồ 2.6: Tiến trình xây dựng kiến thức vấn đề 3

Sự xuất hiện dòng điện cƣờng độ i trong mạch kín (C)

tƣơng đƣơng với sự tồn tại nguồn điện với suất điệ động 

trong mạch.  đƣợc gọi là suất điện động cảm ứng

- Trong mạch kín (C) xuất hiện dòng cảm ứng i, công của lực từ tác dụng lên (C): dA = idm.( công cản) nên

dA’ = -dA = - idm ; mà dA’=idt = - idm; Suy ra  = -

dt dm

- Từ thông qua C biến thiên từ:

1=  (qua S1); 2=  +d (qua S2)

Suất điện động khi xuất hiện trong (C) cho bởi:  = -

dt d

Từ thông tổng cộng qua mặt kín: 1+dquyét- 2=0; dquyét= 2-1= d

- Do đó ta có biểu thức suất điện động cảm ứng:  = -

dt dquyét

Vậy suất điện động cảm ứng xuất hiện trong mach kín (C) phụ thuộc

vào yếu tố nào?

- Xét một mạch kín (C) trong một từ trƣờng. Trong khoảng thời gian dt từ thông qua (C) biến thiên một lƣợng bằng dþm.

- Xét một mạch kín (C) chuyển động trong một từ trƣờng dừng. Trong khoảng thời gian dt mạch kín dịch chuyển vi phân từ vị trí (C1) sang vị trí (C2).

- Viết biểu thức suất điện động cảm ứng.

Suất điện cảm ứng xuất hiện trong mạch (C) có giá trị bằng từ thông quét bởi mạch ấy trong

Vấn đề 4: Dòng điện Fuco

Sơ đồ 2.7: Tiến trình xây dựng kiến thức vấn đề 4

Nhƣ vậy dòng điện Fucô là dòng điện cảm ứng xuất hiện ở khối kim loại đặt trong một từ trƣờng biến

thiên. Dòng Fucô vừa có ích vừa có hại. Khi đặt một khối vật dẫn thì trong vật dẫn đó xuất hiện những dòng điện cảm ứng khép kín

gọi là dòng diện xoáy hay dòng Fucô.

Dòng Fucô có vai trò quan trọng gì trong kỹ thuật?

- Tác hại của dòng Fucô trong các máy biến thế điện, máy phát điện, dòng Fucô xuất hiện ở lõi sắt làm giảm hiệu suất máy tuỳ theo hiệu ứng Jun-lenx, năng lƣợng của dòng Fucô bị mất dƣới dạng nhiệt, là phần năng lƣợng hao phí vô ích.

- Lợi ích của dòng Fucô: trong các lò điện cảm ứng: Sử dựng nhiệt của dòng Fucô để nấu chảy kim loại, dùng để hãm dao động: nhƣ trong máy đo điện.

- Cho biết tác hại của dòng Fucô. - Nêu lợi ích của dòng Fu cô.

* Tiến trình nhận thức vấn đề 4 được diễn đạt như sau:

Khi ta đặt một khối vật dẫn trong từ trƣờng biến thiên thì trong vật dẫn đó cũng xuất hiện những dòng điện cảm ứng khép kín gọi là dòng xoáy hay dòng điện Fucô.

Vì khối vật dẫn có điện trở R nhỏ nên cƣờng độ của các dòng điện Fucô trong vật dẫn

R

IF  c

thƣờng khá lớn. mặt khác, vì suất điện động cảm ứng tỉ lệ thuận với tốc độ biến thiên từ thông, nên nếu vật dẫn đƣợc đặt trong từ trƣờng biến đổi càng nhanh (do dòng điện có tần số cao - dòng điện cao tần - sinh ra) thì cƣờng độ của các dòng Fucô càng mạnh.

Với các đặc điểm ấy, dòng Fucô có vai trò quan trọng trong kỹ thuật, nó có thể có hại và cũng có thể có lợi tuỳ theo điều kiện xuất hiện.

a. Tác hại của dòng Fucô: trong các biến thế điện, động cơ điện, máy phát điện…

Để làm giảm tác hại, ngƣời ta không dùng cả khối kim loại làm lõi mà dùng nhiều là kim loại mỏng sơn cách điện với nhau. Nhƣ vậy,các dòng Fucô chỉ chạy đƣợc trong từng lá mỏng vì từng là mỏng có bề dày nhỏ và do đó có điện trở lớn, nên cƣờng độ của các dòng Fucô chạy trong các lá đó bị giảm nhiều so với cƣờng độ của các dòng Fuco chạy trong cả khối kim loại. Kết quả là phần điện năng bị hao phí giảm đi nhiều.

b. Lợi ích của dòng Fu cô

- Sử dụng nhiệt để nấu chảy kim loại: Cho kim loại vào trong cái lò, xung quanh có quấn dây điện và cho dòng cao tần chạy qua, kết quả trong khối kim loại xuất hiện những dòng điện Fucô rất mạnh có thể nấu chảy kim loại.