Định luật Jun – Len – xơ về chiều dòng điện cảmứng

2.3.2 .Suất điện động cảmứng

2.3.2.2 .Suất điện động

2.3.3.3. Định luật Jun – Len – xơ về chiều dòng điện cảmứng

Như vậy, khi từ thông qua một mạch kín biến thiên thì trong mạch xuất hiện dòng điện cảm ứng. Vậy chiều của dòng điện cảm ứng tuân theo qui luật nào?

Nghiên cứu hiện tượng CƯĐT, Len-xơ đã tìm ra định luật tổng quát về chiều dòng điện cảm ứng, gọi là định luật Len-xơ:

òng điện cảm ứng xuất hiện trong một mạch điện kín có chi u sao cho nó chống lại sự biến đ i đã sinh ra n

Giải thích:

Áp dụng định luật Lenz vào thí nghiệm như hình vẽ bên theo một cách khác. Hình bên vẽ các đường sức từ B của thanh nam châm. Theo quan điểm này, sự thay đổi đã được nói đến trong định luật Lenz, là sự tăng của B qua vịng dây. Khi đó, thơng lượng tăng lên, mật độ đường sức từ tăng lên, và vòng dây nhận được nhiều đường sức hơn. Dòng điện cảm ứng i chống lại sự thay đổi này bằng cách thiết lập nên từ trường Bi của chính nó, để chống lại sự tăng của thơng lượng.

Như vậy từ trường Bi phải hướng từ trái sang phải qua mặt của vịng dây vẽ bên hình trên(a). Ở đây cũng chỉ rõ cách dùng quy tắc bàn tay phải để gắn chiều của dòng điện cảm ứng i với chiều của từ trường Bi do i gây ra.

Từ trường cảm ứng không chống lại từ trường của thanh nam châm. Nó chỉ chống lại sự thay đổi trong trường này, mà ở trường hợp đang xét sự thay đổi đó là sự tăng của từ thông qua vòng dây. Nếu kéo thanh nam châm ra xa, từ thơng qua

34 vịng dây bị giảm. Từ trường cảm ứng lúc này sẽ chống lại sự giảm của từ thông

B

 (tức là sự thay đổi) bằng cách làm cho từ trường mạnh lên.

Nếu đặt đối diện cực nam của nam châm với vòng dây rồi đưa nam châm lại gần vịng dây, sau đó lại kéo nó ra xa thì từ trường cảm ứng sẽ giống như đã vẽ trên hình (c) và (d) tương ứng. Trong cả bốn hình, từ trường cảm ứng đều chống lại sự thay đổi đã sinh ra nó.

2.3.3.4. Dịng điện Fu – cơ (Foucault )

* Dịng điện fucơ được phát hiện bởi nhà vật lý người Pháp Leson Foucault (1819-1868).Dòng điện fucơ là dịng điện được sinh ra trong một khối vật dẫn điện khi cho nó vào trong một từ trường biến đổi theo thời gian hay cho nó chuyển động cắt ngang từ trường. Dịng điện fucơ là một dịng điện xốy.

Như vậy dịng điện fucơ cũng là dịng điện cảm ứng, theo định luật Len-xơ, nó cũng tạo ra một từ trường nhằm chống lại sự biến thiên từ thơng đã gây ra nó.

Vì khối vật dẫn có điện trở R nhỏ nên cường độ dịng fucơ trong vật dẫn

c c

ε I =

R

thường khá lớn. Mặt khác, suất điện động cảm ứng tỉ lệ thuận với tốc độ biến thiên từ thông, nên nếu vật dẫn được đặt trong từ trường biến đổi càng nhanh thì cường độ của dịng fucơ càng mạnh.

35 *Với đặc điểm ấy thì dịng fucơ có những tác hại và lợi ích nhất định trong kĩ thuật.

a) Một vài tác hại của dịng fucơ: nhiều thiết bị điện có cấu tạo dưới dạng một lõi sắt đặt trong một ống dây có dịng điện xoay chiều chạy qua như máy biến thể, động cơ điện, máy phát điện v.v... Các lõi sắt này có tác dụng tăng cường từ trường. Do nằm trong từ trường biến đổi nên trong các lõi sắt xuất hiện dịng điện Phucơ. Trong trường hợp này, dịng fucơ là có hại. Thứ nhất là nhiệt tỏa ra do dịng fucơ sẽ làm cho lõi sắt bị nóng có thể làm hỏng máy và hao phí năng lượng. Thứ hai là dịng fucơ ln có xu hướng chống lại nguyên nhân đã sinh ra nó. Trong trường hợp động cơ điện nó chống lại sự quay của động cơ. Do đó, nó làm giảm cơng suất của động cơ.

*Để giảm tác hại của dịng fucơ, thay vì dùng cả một khối sắt lớn làm lõi thì người ta dùng nhiều lá sắt mỏng được sơn cách điện và ghép lại với nhau như hình 10b, các lá sắt này song song với cảm ứng từcủa từ trường.

Mục đích của việc làm này là làm tăng điện trở của lõi sắt, vì từng lá sắt có kích thước nhỏ nên có điện trở lớn. Do đó cường độ dịng Phucơ trong các lá sắt giảm đi đáng kể so với dịng Phucơ trong cả khối sắt lớn. Vì vậy, làm giảm được lượng điện hao phí. Trong kĩ thuật, để chế tạo các máy biến thế người ta sử dụng các lá sắt Ferit có điện trở suất cao để làm lõi.

36

2.3.4. Hiện tượng tự cảm

2.3.4.1 . Khái niệm tụ điện và cuộn cảm

Tụ điên là một kết cấu mà ta có thể dùng một cách thuận tiện để tạo ra một điên trường biết trước trong một khoảng không gian đã cho. Ta thường lấy kết cấu có hai bản song song làm một mẫu thuận tiện của tụ điện.

Tụ điện

Cuộn cảm là một kết cấu mà ta có thể sử dụng một cách thuận tiện để tạo ra một từ trường đã biết trong một miền xác định. Ta thường lấy một ống dây điện dài làm một mẫu thuận tiện của cuộn cảm. Cuộn cảm đối với từ trường cũng như là tụ điện đối với điện trường.

Cuộn cảm

37 Nếu cho dòng điện I đi qua các vịng dây của cuộn cảm thì sẽ xuất hiện một từ thơng do dịng điện ấy sinh ra qua các vòng dây, các vòng dây được liên kết với nhau thơng qua từ thơng mà chúng đóng góp đó. Độ tự cảm của cuộn cảm là

L N

I

 

Trong đó N là số vịng dây, Ngọi là từ thơng liên kết.

Trong hệ đơn vị SI, từ thông được đo bằng đơn vị vêbe (Wb), cường độ dòng điện được đo bằng đơn vị ampe (A), độ tự cảm được đo bằng đơn vị là Henry (H).

2.3.4.3. Hiện tượng tự cảm và suất điện động tự cảm

Ở các thí nghiệm của Faraday, dịng cảm ứng xuất hiện trong cuộn dây khi có từ thơng biến thiên qua diện tích của cuộn dây, từ thông này là do từ trường bên ngồi tạo nên. Bây giờ, ta khơng xét đến từ trường bên ngoài, nếu ta thay đổi cường độ dịng điện trong chính cuộn dây, từ thơng qua diện tích của cuộn dây cũng biến thiên làm xuất hiện trong nó một dịng điện cảm ứng. Dịng điện cảm ứng này gọi là dòng điện tự cảm. Hiện tượng trên được gọi là hiện tượng tự cảm. Suất điện động xuất hiện trong cuộn dây tạo nên dòng điện tự cảm gọi là suất điện động tự cảm. Như vậy, có thể định nghĩa như sau: “Sự xuất hiện suất điện động cảm ứng trong mạch do sự biến thiên của từ thơng gây bởi dịng điện ở chính trong mạch đó được gọi là hiện tượng tự cảm. Và dòng điện được sinh ra trong hiện tượng tự cảm gọi là dòng điện tự cảm”. Hiện tượng tự cảm xuất hiện trong các mạch điện có dịng một chiều chạy qua hoặc khi ta đóng, ngắt mạch điện, trong mạch điện xoay chiều hiện tượng tự cảm luôn luôn xảy ra.

38 Từ thơng riêng của mạch do chính dịng điện trong cuộn dây đó tạo ra. Từ thơng  tỉ lệ với cảm ứng từ Bur do dòng điện trong mạch sinh ra, mà cảm ứng từ Bur đó lại tỉ lệ thuận với cường độ dịng điện của mạch. Do đó, từ thơng  tỉ lệ với dịng điện I, do đó có thể đặt:

LI



Trong đó L là hệ số tỉ lệ, phụ thuộc vào hình dạng, kích thước của mạch điện và phụ thuộc vào môi trường vật chất mà ta đặt mạch điện vào. được gọi là hệ số tự cảm hay độ tự cảm.

Theo định luật Faraday, biểu thức của suất điện động tự cảm là:

tc d dI L dt dt      

Công thức này chứng tỏ trong một mạch điện đứng yên và khơng thay đổi về hình dạng, suất điện động tự cảm luôn tỉ lệ nhưng trái dấu với tốc độ biến thiên của cường độ dòng điện trong mạch. Sự trái dấu giữa suất điện động tự cảm và tốc độ biến thiên dòng điện trong mạch thể hiện ở dấu (-) trong cơng thức, điều đó chứng tỏ suất điện động tự cảm bao giờ cũng có tác dụng chống lại sự biến thiên của cường độ dịng điện trong mạch đó.

39

2.3.5. Năng lượng từ trường

2.3.5.1.Năng lượng từ trường trong ống dây

Cho một mạch điện như hình vẽ. Giả sử ban đầu mạch được đóng kín, trong mạch có dịng điện khơng đổi I. Khi ấy toàn bộ điện năng do nguồn điện sinh ra đều biến thành nhiệt. Điều này là đúng khi trong mạch có dịng điện khơng đổi, nhưng khơng đúng trong lúc đóng hoặc ngắt mạch. Khi đóng mạch dịng điện trong mạch tăng từ 0 đến I. Trong q trình ấy, trong mạch điện xuất hiện dịng điện tự cảm itc

ngược chiều với dịng điện chính i0 do nguồn phát ra, làm cho dịng điện tồn phần ở trong mạch i i0 itc nhỏ hơn i0. Kết quả là chỉ có một phần điện năng trong mạch biến thành nhiệt mà thơi. Trái lại, khi ngắt mạch, dịng điện chính giảm đột ngột về 0. Do đó, trong mạch xuất hiên dòng điện tự cảm, làm cho dịng điện tồn phần trong mạch lớn lên và giảm chậm lại, nhiệt lượng tỏa ra trong mạch lúc này lớn hơn năng lượng do nguồn sinh ra.

Vậy rõ ràng là, khi đóng mạch một phần điện năng do nguồn điện sinh ra được tiềm tàng dưới một dạng năng lượng nào đó, để khi ngắt mạch, phần năng lượng này tỏa ra dưới dạng nhiệt trong mạch. Vì khi đóng mạch, dịng điện trong mạch tăng thì từ trường trong cuộn dâycũng tăng theo, cho nên phần năng lượng được tiềm tàng đó chính là năng lượng từ trường của cuộn dây điện.

Bây giờ, ta đi tính phần năng lượng này:

Gọi R là điện trở trong tồn mạch, áp dụng định luật Ơhm cho mạch điện trong q trình dịng điện đang được thành lập, ta có:

2

di di

ε - L = Ri ε = Ri + L ε.i.dt = R.i .dt + L.i.di

dt dt

tc Ri

40

ε.i.dtchính là năng lượng do nguồn điện sinh ra trong khoảng thời gian dt, năng lượng này một phần tỏa thành nhiệt trong mạch  2 

Ri dt còn một phần được tiềm tàng dưới dạng năng lượng từ trường dW = Lidi

Vậy, trong cả quá trình thành lập dịng điện, phần năng lượng của nguồn điện được tiềm tàng dưới dạng năng lượng từ trường là:

m W I 0 0 W =  dW = Lidi Thực hiện phép tính tích phân, ta có: 2 1 W = LI 2

Đây là cơng thức tính năng lượng dự trữ trong cuộn dây khi có dịng điện I chạy qua.

2.3.5.2. Mật độ năng lượng từ trường

Năng lượng từ trường được phân bố trong khơng gian có từ trường. Có thể coi cuộn dây điện thẳng dài vô hạn mà ta xét ở trên có từ trường được phân bố đều chỉ trong thể tích của cuộn dây. Nếu gọi V là thể tích của cuộn dây thì ta có mật độ năng lượng từ trường của cuộn dây điện là:

2 2

W LI LI w = = =

V 2V 2lS

Trongđó là S diện tích mỗi vịng dây, l là chiều dài của cuộn dây. Nếu gọi N là tổng số vòng dây, n nhỏ là số vòng dây trên một đơn vị chiều dài. Ta có:

2 2 2 0 0 μμ n Sl H H 1 w = = μμ HB 2lS n 2 2       

Công thức này cũng có thể áp dụng cho từ trường bất kì. Khi đó, để tính năng lượng của từ trường bất kì, chia khơnggian của từ trường đó thành các thể tích dV vơ cùng nhỏ, sao cho có thể coi trong mỗi thể tích ấy cảm ứng từlà khơng đổi. Như vậy, từ trường trong thể tích vơ cùng nhỏ là

HB dw = dV

2

41  V  V HB W= dw = dV 2  

Trong đó, tích phân được lấy trong tồn bộ thể tích V.

2.3.6. Các ứng dụng trong chương “Cảm ứng điện từ”

2.3.6.1. Máy biến thế

Trong vấn đề sử dụng điện thì người ta cần dùng một điện áp tương đối thấp (trong sinh hoạt, sản xuất,…). Nhưng khi truyền tải điện năng từ nhà máy điện đến nơi tiêu thụ thì phải làm sao cho sự tổn hao năng lượng về nhiệt trên dây tải càng nhỏ càng tốt. Gọi P UI là công suất điện cần truyền tải. Công suất hao phí trên đường dây tải điện là

2 2 2 P P I r r U

   . Để giảm cơng suất hao phí thì ta phải tăng U hoặc giảm r trong đó cách tăng U đơn giản hơn. Vì vậy khi truyền tải điện năng đi xa người ta tăng điện áp giữa 2 cực của máy phát điện lên bằng máy tăng áp rồi truyền truyền đi trên các đường dây, đến nơi tiêu thụ người ta hạ điện áp xuống nhờ máy hạ áp.

Từ yêu cầu đó cần phải dùng một thiết bị mà nó có tác dụng nâng điện thế khi truyền tải và hạ điện thế khi sử dụng. Thiết bị cho phép làm cơng việc đó đối với dịng điện xoay chiều chính là máy biến thế.

2.3.6.1.1. Cấu tạo của máy biến thế

Máy biến thế lý tưởng gồm hai cuộn dây có số vịng dây khác nhau quấn trên một lõi làm bằng thép kỹ thuật gồm nhiều lá thép mỏng xếp cách điện với nhau. Một cuộn dây của máy được nối với mạch điện xoay chiều gọi là cuộn sơ cấp gồm

1

N vòng dây. Cuộn dây thứ hai nối với tải tiêu thụ gọi là cuộn thứ cấp gồm N2

vòng dây. Các cuộn dây được cách điện với lõi.

42 *Máy biến thế hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ

*Khi mắc cuộn sơ cấp vào mạng điện xoay chiều thì dịng điện xoay chiều trong cuộn sơ cấp gây ra từ thông biến thiên qua cuộn thứ cấp làm xuất hiện trong cuộn thứ cấp 1 suất điện động xoay chiều. Nếu mạch thứ cấp kín thì có dịng điện xoay chiều chạy trong cuộn thứ cấp

+Sự biến đổi điện áp

Giả sử cuộn sơ cấp có N1 vịng, cuộn thứ cấp cóN2vịng. Khi mắc cuộn sơ cấp của máy biến thế vào dịng điện xoay chiều thì từ trường tức thời tại mọi tiết diện của lõi sắt có giá trị như nhau. Từ trường biến thiên này gây ra trong mỗi cuộn dây 1 suất điện động cảm ứng có giá trị tức thời là:

Cuộn sơ cấp: e1 N1d dt    Cuộn thứ cấp: e2 N2d dt    Nên 1 1 1 1 2 2 2 2 e N E N e  N  E  N

Nếu bỏ qua điện trở của dây quấn thì 1 1

2 2

U N

U  N

Nếu N2 N1 thì U2 U1: Máy tăng áp Nếu N2  N1 thì U2 U1: Máy hạ áp +Sự biến đổi của cường độ dòng điện

43 Nếu hao phí điện năng trên máy biến áp là không đáng kể thì cơng suất trong mạch sơ cấp và thứ cấp là như nhau.Lúc đó 1 1 2

1 1 2 2 2 2 1 U N I U I U I U N I     .

2.3.6.2. Máy phát điện xoay chiều một pha

Máy phát điện xoay chiều một pha còn gọi là máy dao điện một pha, dịng điện mà nó phát ra gọi là dòng điện xoay chiều một pha

2.3.6.2.1. Cấu tạo của máy phát điện xoay chiều một pha

Các cuộn dây trong máy phát điện được mắc nối tiếp nhau, hai đầu dây được nối với mạch tiêu thụ bằng một cơ cấu riêng gọi là bộ góp.

Bộ góp bao gồm hệ thống vành khuyên và chổi quét. Hai vành khuyên đặt đồng trục với khung dây và cùng quay với khung dây. Nối đầu đầu dây A với vành khuyên 1 và dây B với vành khuyên 2. Hai chổi quét a và b cố định tì lên hai vành khuyên và được nối với mạch ngoài.

Trong máy phát điện, phần tạo ra từ trường được gọi là phần cảm, phần tạo ra dòng điện gọi là phần ứng. Các máy phát điện nhỏ như trong xe đạp thì dùng nam châm vĩnh cửu làm phần cảm, nhưng đa số là người ta dùng nam châm điện để tạo ra từ trường mạnh.

Các cuộn dây của phần cảm và phần ứng đều được quấn trên các lõi thép kĩ thuật điện (thép silic hoặc tôn silic) để tăng từ thông qua các cuộn dây. Để tránh

44 dịng điện phucơ, các lõi thép được ghép bằng nhiều tấm thép mỏng cách điện với nhau.

Phần cảm và phần ứng có thể là bộ phận đứng yên hoặc chuyển động của máy. Bộ phận đứng yên gọi là stato, bộ phận chuyển động gọi là roto.

Dòng điện xoay chiều mà chúng ta sử dụng có tần số 50Hz, nếu máy phát chỉ có 1 cuộn dây và một nam châm (một cặp cực bắc nam) thì rơto phải quay với vận tốc góc 50 vịng/giây. Để giảm số vòng quay người ta tăng số cuộn dây và số cặp cực lên (số cuộn dây ln bằng số cặp cực). Nếu máy có p cặp cực và quay với tần số góc n vịng/phút thì tần số dịng điện phát ra là f n p

60



Lưu ý: máy phát điện một chiều cũng có cấu tạo và nguyên tắc hoạt động giống