- Lực điện từ
Lực điện từ có ứng dụng rất rộng rãi trong kỹ thuật, và là cơ sở để chế tạo máy điện và khí cụ điện. Trường hợp đơn giản nhất là lực từ tác dụng lên dây dẫn thẳng mang dòng điện.
Thực nghiệm chứng tỏ rằng đặt một dây dẫn thẳng có dòng điện vuông góc với đường sức của từ trường đều sẽ xuất hiện lực điện từ tác dụng lên dây dẫn được xác định như sau:
Về trị số tỉ lệ với cường độ từ cảm B, cường độ dòng điện chay trong dây dẫn và chiều dài tác dụng của dây dẫn ( chiều dài phần dây đắt trong từ trường).
l . I . B F = (3-14)
Trường hợp tổng quát khi từ trường B tạo với thanh dẫn một góc α ta có
F = B.I.l.sinα (3-15)
Về phương chiều được xác định theo quy tắc bàn tay trái.
b) Công của lực từ:
Dưới tác dụng của lực từ thanh dẫn dịch chuyển được một đoạn b, khi đó ta có công của lực điện từ tác dụng lên thanh dẫn là:
A = F.b = B.I.l.b =B.I.S = I.Φ (3-16)
Trong đó S= l.b là phần diện tích dây đẫn mang dòng điện quét qua.
Như vây công của lực điện từ tác dụng lên dây dẫn làm đây dẫn dịch chuyển băng tích của dòng điện với từ thông dây dẫn đã quét qua.
3.3 Vật liệu sắt từ, đường cong từ hoá.
3.3.1 Căn cứ vào hệ số từ thẩm tương đối người ta chia vật liệu từ làm ba loại như sau:
− Vật liệu thuận từ có µ>1 nhưng không vượt quá đơn vị nhiều. Ví dụ: Nhôm, thiếc, mănggan,…
− Vật liệu nghịch từ có µ<1 nhưng cũng không nhở hơn đơn vị một cách đáng kể. Ví dụ: Đồng, chì, bạc, kẽm,…Với cùng một nguồn gây từ nhưng khi đặt trong vật liệu thuận từ và nghịch từ thì cường độ từ cảm từ cảm B sẽ sai khác so với trong chân không. Tuy nhiên độ sai khác đó không lớn lắm.
− Vì vậy với loại vật liệu này ta có: µ ≈ 1
− Vật liệu sắt từ là những vật liệu có hệ số từ thẫm tương đối lớn (từ vai trăm đến vai vạn) và phụ thuộc vào cường độ từ trường. Như vậy với cùng một nguồn gây từ nhưng nếu đặt trong vật liệu sắt từ sẽ tạo ra cường độ từ cảm lớn hơn rất nhiều lần. Vì vậy vật liệu sắt từ được ứng dụng rất rộng rãi trong kỹ thuật điện. Những vật liệu sắt từ thông dụng là: Sắt, côban, niken, ….
3.3.2 Chu trình từ hoá.
− Vì hệ số từ thẫm μ của vật liệu sắt từ phụ thuộc vào cường độ từ trường H, do đó quan hệ giữa cường độ từ cảm B và từ trường H : B=f(H) không phải là quan hệ tuyến tính. Để thấy được mối quan hệ này ta tiến hành thí nghiệm sau:Tăng dần từ trường H (bằng việc tăng dòng điện từ hoá), lúc đầu cường độ từ cảm B tăng tỷ lệ với từ trường H, đồ thị B=f(H) là đoạn thẳng OA. Sau đó cho H tiếp tục tăng nữa nhưng khi đo B tăng rất chậm (không tỷ lệ tuyến tính với H nữa) và bắt đầu bước vào giai đoạn bão hoà, đồ thị B=f(H) là đoạn thẳng AB. Khi đạt đến trạng thái bão hoà nếu tiếp tục tăng H thi B cũng không tăng thêm nữa (B=BB).
Sau đó ta giảm dần H, lúc đó B cũng giảm dần, lực đầu giảm chậm nhưng sau đó giảm nhanh hơn. Tuy nhiên, điều đáng chú ý là cùng một giá trị H nhưng với hai trường hợp tăng và giảm từ trường sẽ cho hai giá trị B khác nhau, cường độ từ cảm B lúc giảm H luôn lớn hơn lúc tăng, hay nói cách khác đi B giảm chậm hơn H. Hiện tượng đó gọi là hiện tượng từ trễ: Trong quá trình biến thiên, cường độ từ cảm luôn biến thiên chậm hơn cường độ từ trường. Khi cương độ từ trường H giảm về không thì B vẫn còn một giá trị nào đó được gọi là từ dư: Bdư (ứng với đoạn BC).
Để khử từ dư ta đổi chiều cường độ từ trường H (bằng cách đổi chiều dòng điện từ hoá), tăng dần trí số vàe phía âm thi B giảm dần (đoạn CD), đến khi B=0 thì cường độ từ trường tương ứng là Hk gọi là từ trường khử từ.
Ta lại tiếp tục tăng từ giai đoạn khử từ cho đến giai đoạn bão hoà thực sự về phía âm (B=-BB) đồ thị B=f(H) là đoạn DE.
Ta lại giảm cường độ từ trường H từ -BB về không, lúc đó B giảm dần từ -BB về đến -Bdư (ứng với đồ thị đoạn EF).
Ta lại đổi chiều cường độ từ trường H và tăng lên đến giá trị +Hk thì cường độ từ cảm giảm về không, đồ thị B=f(H) là đoạn FG. Tiếp tục tăng cường độ từ trường H thì cường độ từ cảm B lại tiếp tục tăng cho đến gí trị bão hoà B=BB (tại điểm B), đồ thị B=f(H) là đoạn GB. Ta được đường cong khép kín BCDEFGB gọi là chu trình từ hoá hay chu trình từ trễ.
− Để đánh giá chu trình từ hoá người ta còn sử dụng đường trung bình của đường cong từ hoá EOB gọi là đường cong từ hoá. Chu trình từ trễ hay đường cong từ hoá là đặc trưng cơ bản của vật liệu sắt từ, căn cứ vào đây ta có:
Biết mức độ bão hoà từ dư. Biết mức độ từ dư
Biết sự thay đổi của hệ số từ thẫm tương đối μ theo sự thay đổi của cường độ từ trường H.
Biết tính chất của vật liệu sắt từ (dựa vào mắt từ trễ).
• Vật liệu sắt từ cứng: Có chu trình từ hoá ngắn, rộng và trị số từ dư lớn. Vật liệu điển hình cho vật liệu này là côban. Loại vật liệu này phù hợp với chế tạo nam châm vĩnh cửu. Vật liệu điển hình cho vật liệu này là côban
• Vật liệu sắt từ mềm: Có chu trình từ hoá dài, hẹp và trị số từ dư nhỏ. Vật liệu điển hình cho vật liệu này là thép silic. Loại vật liệu này phù hợp với chế tạo các lõi thép máy điện, khí cụ điện,...
3.4 Hiện tượng cảm ứng điện từ - mạch từ.
3.4.1 Định luật cảm ứng điện từ a) Từ thông qua vòng dây biến thiên.
− Khi từ thông Ф xuyên qua vòng dây biến thiên sẽ cảm ứng một suất điện động cảm ứng trong vòng đây. suất điện động này có chiều sao cho dòng điện nó
− sinh ra tạo thành từ thông có tác dụng chống lại sự biến thiên từ thông đã sinh ra nó.
− Được viết theo công thức Mác-xoen như sau:
dt d
e=− Φ
b) Thanh dẫn chuyển động trong từ trường.
− Khi thanh dẫn chuyển động thẳng góc với
đường sức từ sẽ xuất hiện một suất điện động cảm ứng có trị số: e = Blv
− Trong đó:
B cường độ từ cảm đơn vị T(Tesla) L chiều dài hiệu dụng của thanh dẫn đơn vị do là mét
V tốc độ thanh dẫn đo bằng m/s
− Nếu thanh đẫn chuyển động một góc α với từ trường ta có: e = B.l.v. sinα
− Chiều của suất điện động được xác định bằng quy tắc bàn tay phải. 3.4.2 Định luật mạch từ.
− Mạch từ là mạch khép kín dùng để dẫn từ thông. Lõi thép của máy điện chính là mạch từ làm bằng thép kỹ thuật điện ghép lại với nhau.
− Định luật mạch từ có công thức tổng quát như sau: ∫Hdl=∑i
− Áp dụng cho mạch từ hình 1- 4 ta viết được như sau: H.l = w.i
− Trong đó:
H - cường độ từ trường trong mạch từ đo bằng A/m L - Chiều dài trung bình của mạch từ đo bằng m W - Số vòng dây
− Lúc đó dòng điện i gọi là dòng điện từ hoá (tạo ra từ thông cho mạch từ). w.i gọi là sức từ động.
H.l gọi là từ áp rơi trong mạch từ
− Với mạch từ gồm nhiều cuộn dây và nhiều đoạn mạch từ khác nhau (về vật liệu hoặc tiết diện). Với mạch từ như hình 1-5 thì định luật mạch từ được viết như sau:
22 2 1 1 2 2 1 1i H l w i w i H + = −
− Trong đó H1, H2 là cường độ từ trường trong đoạn l1, l2
W1 .i1, W2 .i2 là sức từ động của dây quấn 1, 2 trong đó W2 .i2 có dấu – vì chiều dòng điện i2 sẽ sinh ra từ thông ngược chiều với chiều từ thông đã chọn.
− Một cách tổng quát định luật mạch từ còn được viết như sau:
∑∑ ∑ = = = m 1 j j j n 1 k k kl w i H
3.5 Nguyên tắc chuyển đổi cơ năng - điện năng
3.5.1 Chuyển đổi cơ năng thành điện năng- máy phát điện.
− Khi dây dẫn chuyển động trong từ trường sẽ xuất hiện một suất điện động cảm ứng có trị số:
E = Blv
− Nếu ta nối với một phụ tải R thì trong mạch sẽ có dòng điện I, đồng thời sẽ xuất hiện lực điện ừ cản trở chuyển động của dây dẫn. F = B.I.l
Để duy trì chuyển động của dây dẫn ta cần phải tác dụng một lực vào dây dẫn. Như vậy cơ năng đã chuyển thành điện năng cấp cho tải R. Đây chính là nguyên tắc của máy phát điện.
Khi đó ta có: Pcơ = F.v = B.I.l.v = E.I = Pđiện
Giả sử dây dẫn có điện trở ro ta có:
0 r R E I + = hay E= IR + I.ro
3.5.2 Chuyển đổi điện năng thành cơ năng -động cơ điện
− Khi thanh dẫn mang dòng điện đặt trong từ trường − tạo với từ trường, thanh dẫn sẽ chịu một
− lực điện từ có chiều được xác định theo quy tắc ban tay trái, có trị số là:
l . I . B F=
− Giả sử dưới tác dụng của lực điện từ dây dẫn chuyển động với vận tốc v theo phương của lực (tức vuông góc với đường sức từ). Do đó theo định luật cảm ứng điện từ sẽ xuất hiện một suất điện đồng cảm ứng E=Blv, với phương chiều được xác định theo quy tắc bàn tay phải. Ta thấy suất điện động E nguợc chiều dòng điện I, E được gọi là suất phản điện động. gọi r0
là điện trở của dây dẫn ta có:U−E =I.r0
− Nhân cả hai vế với dòng điện ta có:
0 2 0 2r UI EI I r I EI UI− = → = + tức Pđiện = Pcơ + Po
− Nghĩa là dây dẫn mang dòng điện đặt trong từ trường đã nhận công suất điện từ nguồn điện có điện áp U, biến thành công suất có học. Đây là nguyên tắc của động cơ điện.
3.6 Hiện tượng tự cảm
3.6.1 Hệ số tự cảm.
− Cuộn dây khi có dòng điện chạy qua sẽ tạo ra từ trường, đường sức từ trường phần lớn bao quanh các vòng của cuộn dây, tạo ra từ thông móc vòng qua cuộn dây, ký hiệu là Φ.
− Khi dòng điện i tăng, từ thông móc vòng Φ cũng tăng nhưng tỷ số của chúng nói chung là không đổi, và được gọi là hệ số tự cảm của cuộn dây:
I
L=Φ
− Như vậy hệ số tự cảm đặc trưng cho khả năng sinh ra từ thông của vòng dây. Cùng một dòng điện thì vòng dây nào có từ cảm L lớn hơn sẽ sinh ra từ thông lơn hơn.
Đơn vị của hệ số tự cảm là Henri (H)
A. . 1 Wb . 1 H 1 =
Henri là hệ số tự cảm của cuộn dây, khi có dòng 1A chạy qua nó sẽ tạo ra từ thông móc vòng có giá trị bằng 1Wb.
− Nếu dòng điên chạy qua cuộn dây biến thiên thì từ thông sinh ra cũng biên thiên. Theo định luật cảm ứng điện từ trong vòng dây sẽ xuất hiện một suất điện động: dt di L dt ) i. L ( d dt d eL =− Φ=− =−
− Nghĩa là suất điện động tự cảm cảu một cuôn dây tỷ lệ với hệ số tự cảm và tốc độ biên thiên dòng điện nhưng trái dấu.