Hiện tượng cảm ứng điện từ

CHƯƠNG 15 :    HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG ÐIỆN TỪ CÁC ÐỊNH LUẬT VỀ HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG ÐIỆN TỪ. Thí nghiệm Faraday Ðịnh luật Lenz. Ðịnh luật cơ bản của hiện tượng cảm ứng điện từ. Ðịnh nghĩa của đơn vị từ thông. Cách tạo nên dòng điện xoay chiều. Dòng điện Foucault. HIỆN TƯỢNG TỰ CẢM Thí nghiệm  Suất điện động tự cảm và hệ số tự cảm Ý nghĩa và đơn vị của hệ số tự cảm Hệ số tự cảm L của một ống dây điện thẳng dài Hiệu ứng da Dòng điện tự cảm khi ngắt mạch HIỆN TƯỢNG HỖ CẢM Thí nghiệm  Suất điện động hỗ cảm. Hệ số hỗ cảm NĂNG LƯỢNG TỪ TRƯỜNG Năng lượng từ trường của một ống dây điện. Năng lượng ống dây Mật độ năng lượng từ trường.  Năng lượng của một từ trường bất kỳ.  Năm 1831, Faraday đã chứng tỏ bằng thực nghiệm rằng từ trường có thể sinh ra dòng điện. Thực vậy, khi cho từ thông gửi qua một mạch kín thay đổi thì trong mạch xuất hiện một dòng điện. Dòng điện đó được gọi là dòng điện cảm ứng. Hiện tượng đó được gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ. I. CÁC ÐỊNH LUẬT VỀ HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG ÐIỆN TỪ.            1. Thí nghiệm Faraday TOP - Nếu rút thanh nam châm ra, dòng điện cảm ứng có chiều ngược lại (hình 15.1b) - Di chuyển thanh nam châm càng nhanh, cường độ dòng điện cảm ứng Ic càng lớn. - Giữ thanh nam châm đứng yên so với ống dây, dòng điện cảm ứng sẽ bằng không. - Nếu thay nam châm bằng một ống dây có dòng điện chạy qua, rồi tiến hành các thí nghiệm như trên, ta cũng có những kết quả tương tự. Từ các thí nghiệm đó, Faraday đã rút ra những kết luận sau đây: a. Từ thông gửi qua mạch kín biến đổi theo thời gian là nguyên nhân sinh ra dòng điện cảm ứng trong mạch đó. b. Dòng điện cảm ứng chỉ tồn tại trong thời gian từ thông gửi qua mạch kín biến đổi. c. Cường độ dòng điện cảm ứng tỉ lệ thuận với tốc độ biến đổi của từ thông. d. Chiều của dòng điện cảm ứng phụ thuộc vào sự tăng hay giảm của từ thông gửi qua mạch.            2 Ðịnh luật Lenz. TOP Ðồng thời với Faraday, Lenz cũng nghiên cứu hiện tượng cảm ứng điện từ và đã tìm ra định luật tổng quát giúp ta xác định chiều của dòng điện cảm ứng, gọi là định luật Lenz. Nội dung định luật như sau: Dòng điện cảm ứng phải có chiều sao cho từ trường do nó sinh ra có tác dụng chống lại nguyên nhân sinh ra nó Ðiều nầy có nghĩa là khi từ thông qua mạch tăng lên, từ trường cảm ứng sinh ra có tác dụng chống lại sự tăng của từ thông: từ trường cảm ứng sẽ ngược chiều với từ trường ngoài. Nếu từ thông qua mạch giảm, từ trường cảm ứng (do dòng điện cảm ứng sinh ra nó) có tác dụng chống lại sự giảm của từ thông, lúc đó từ trường cảm ứng sẽ cùng chiều với từ trường ngoài. Dưới đây, ta hãy vận dụng định luật đó để xác định chiều của dòng điện cảm ứng trong trường hợp ở trên (hình 15.1a), Cực Bắc của thanh nam châm di chuyển vào trong lòìng ống dây làm cho từ thông ( gửi qua ống dây tăng lên. Theo định luật Lenz, dòng điện cảm ứng phải sinh ra từ trường ngược chiều với từ trườngĠcủa thanh nam châm để từ thông Fc sinh ra có tác dụng làm giảm sự tăng của  là nguyên nhân sinh ra nó. Muốn vậy dòng điện cảm ứng phải có chiều như trên hình vẽ. Bằng lí luận ta nhận thấy nếu dịch chuyển cực Bắc của thanh nam châm ra xa ống dây, dòng điện cảm ứng xuất hiện trong mạch sẽ có chiều ngược với chiều của dòng điện cảm ứng trong trường hợp trên (Hình 15.1b). Như vậy, theo định luật Lenz, dòng điện cảm ứng bao giờ cũng có tác dụng chống lại sự dịch chuyển của thanh nam châm. Do đó, để dịch chuyển thanh nam châm, ta phải tốn công. Chính công mà ta tốn được biến thành điện năng của dòng điện cảm ứng.            3 Ðịnh luật cơ bản của hiện tượng cảm ứng điện từ. TOP Sự xuất hiện của dòng điện cảm ứng chứng tỏ trong mạch có một suất điện động. Suất điện động ấy được gọi là suất điện động cảm ứng. Mặt khác, trong quá trình dịch chuyển vòng dây nói trên, ta đã tốn một công cơ học. Gọi công đó là dA'. Theo định luật Lenz, lực từ tác dụng lên dòng điện cảm ứng sẽ có tác dụng ngăn cản sự dịch chuyển của vòng dây là nguyên nhân xuất hiện của dòng điện đó. Vì vậy công của lực từ dA là công cản. Công này có trị số bằng nhưng ngược dấu với công dA'. Ta có thể viết:            4 Ðịnh nghĩa của đơn vị từ thông. TOP            5 Cách tạo nên dòng điện xoay chiều. TOP Ðể tạo nên dòng điện xoay chiều trong một khung dây điện, ta cho khung dây quay đều trong một từ trường không đổi xung quanh trục đối xứng của nó (Hình 15.3). Như vậy, từ thông gửi qua mặt khung sẽ biến đổi một cách tuần hoàn và do đó, trong khung xuất hiện dòng điện cảm ứng xoay chiều.            6 Dòng điện Foucault. TOP Với những đặc điểm ấy, dòng điện Foucault có tác động quan trọng trong kỹ thuật. a- Tác hại của dòng Foucault. Trong các máy biến thế và động cơ điện v.v... lõi sắt của chúng chịu tác dụng của từ trường biến đổi. Vì vậy, trong lõi có các dòng điện Foucault xuất hiện. Do hiệu ứng Joule-Lenz, năng lượng của các dòng Foucault ấy bị mất đi dưới dạng nhiệt làm máy mau bị nóng. Do đó một phần năng lượng bị hao phí đi một cách vô ích, hiệu suất của máy bị giảm. Ðể giảm tác hại này, người ta không dùng cả khối sắt lớn làm lõi mà dùng nhiều lá sắt mỏng sơn cách điện ghép lại với nhau sao cho các nhát cắt song song với chiều của từ trường. Như vậy, dòng điện Foucault chỉ chạy được trong từng lá mỏng (Hình15.5). Vì từng lá một có kích thước nhỏ, do đó có điện trở lớn, nên cường độ dòng điện Foucault trong các lá đó bị giảm đi nhiều so với cường độ dòng Foucault trong cả khối sắt lớn. Vì vậy, năng lượng điện bị hao phí cũng giảm đi. Trong kỹ thuật, người ta thường dùng các lá sắt làm lõi biến thế có điện trở suất rất cao gọi là Ferit để hạn chế tối đa dòng Foucault. Hình 15.5 b- Lợi ích của dòng Foucault Trong các máy điện kể trên, sự toả nhiệt của dòng Foucault là có hại. Trái lại, trong các lò điện cảm ứng, nhiệt lượng toả ra đó lại được sử dụng để nấu chảy kim loại, đặc biệt là nấu chảy kim loại trong chân không để tránh tác dụng của không khí xung quanh. Muốn vậy, người ta đặt kim loại vào trong một lò có chỗ để hút không khí bên trong ra; xung quanh lò ta quấn dây điện. Cho dòng điện có tần số lớn chạy qua cuộn dây đó. Dòng điện này sẽ tạo nên trong khối kim loại một từ trường biến đổi nhanh, làm xuất hiện một dòng điện Foucault mạnh nấu chảy được kim loại. Dòng điện Foucault còn được dùng để hãm dao động. Thực vậy, muốn hãm dao động của kim chỉ thị trong một máy đo điện chẳng hạn, người ta gắn vào kim 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 trong đĩa những dòng điện Foucault. Theo định luật Lenz, dòng điện Foucault phải có chiều sao cho tác dụng của nó chống lại sự biến thiên của từ thông gửi qua đĩa kim loại, tức là chống lại sự dao động của đĩa kim loại. Kết quả là dao động của kim bị tắt đi nhanh chóng.  II. HIỆN TƯỢNG TỰ CẢM            1 Thí nghiệm TOP Trong thí nghiệm Faraday, dòng điện cảm ứng xuất hiện là do sự biến đổi từ thông gửi qua diện tích của mạch gây ra. Từ thông đó do từ trường bên ngoài tạo nên. Bây giờ, nếu ta làm thay đổi cường độ dòng điện sẵn có trong mạch để từ thông do chính dòng điện đó sinh ra và gửi qua diện tích của mạch thay đổi, thì trong mạch cũng xuất hiện một dòng điện cảm ứng, phụ thêm vào dòng điện chính sẵn có của mạch. Dòng điện cảm ứng này gọi là dòng điện tự cảm. Hiện tượng đó được gọi là hiện tượng tự cảm. Hiện tượng tự cảm xuất hiện trong một mạch kín có dòng điện xoay chiều chạy qua, hoặc trong một mạch điện một chiều khi ta đóng mạch hay ngắt mạch. Hình 15.6            2. Suất điện động tự cảm và hệ số tự cảm TOP Suất điện động gây nên dòng điện tự cảm được gọi là suất điện động tự cảm. Theo định luật cơ bản của hiện tượng cảm ứng điện từ, biểu thức của suất điện động tự cảm là: Như vậy: suất điện động tự cảm tỉ lệ thuận với tốc độ biến đổi của cường độ dòng điện trong mạch. Dấu trừ (-) trong công thức (15.6) chứng tỏ: suất điện động tự cảm bao giờ cũng có tác dụng chống lại sự biến đổi của cường độ dòng điện trong mạch.            3. Ý nghĩa và đơn vị của hệ số tự cảm TOP            4. Hệ số tự cảm L của một ống dây điện thẳng dài TOP            5. Hiệu ứng da TOP Hiện tượng tự cảm không những xảy ra trong một mạch điện mà còn xảy ra ngay trong lòng một dây dẫn có dòng điện biến đổi chạy qua. Thực nghiệm chứng tỏ rằng: khi cho dòng điện cao tần (dòng điện biến đổi với tần số cao) chạy qua một dây dẫn thì do hiện tượng tự cảm, dòng điện đó hầu như không chạy ở trong lòng dây ấy mà chỉ chạy ở lớp ngoài của nó. Hiệu ứng đó được gọi là hiệu ứng ngoài da. Dưới đây ta hãy giải thích hiện tượng đó. Giả sử dòng điện cao tần đi từ dưới lên trên (Hình 15.8). Dòng điện ấy gây trong lòng dây dẫn một từ trường, với các đường sức cảm ứng từ có chiều như ở hình vẽ (qui tắc vặn nút chai). Vì dòng điện biến đổi, nên từ trường do nó gây ra cũng biến đổi theo. Nếu xét một tiết diện bất kì chứa trục đối xứng của dây, thì từ thông gửi qua tiết diện đó cũng biến đổi. Vì vậy trong các tiết diện đó xuất hiện những dòng điện tự cảm khép kín như dòng điện ic trên hình. Như vậy, khi dòng điện cao tần tăng, các dòng điện tự cảm xuất hiện trong dây dẫn chống lại sự tăng của phần dòng điện cao tần chạy trong ruột của dây, và làm thuận lợi cho sự tăng của phần dòng điện cao tần chạy ở bề mặt của dây đó. Nói cách khác, dòng điện cao tần hầu như chỉ chạy ở lớp bề mặt của dây dẫn. Trong trường hợp dòng cao tần giảm (Hình 15.8b), người ta cũng chứng minh được kết quả như vậy. Lý thuyết và thực nghiệm chứng tỏ: khi dòng điện cao tần có tần số bằng 105 Hz trở lên, dòng điện đó chỉ chạy ở lớp bề mặt ngoài dày 0,20mm củìa dây dẫn. Vì lý do đó, người ta làm các dây dẫn rỗng để mang dòng điện cao tần, như vậy tiết kiệm được nhiều kim loại. Một ứng dụng quan trọng của hiệu ứng ngoài da là sự tôi kim loại ở lớp ngoài. Nhiều chi tiết máy như biên trục máy, bánh răng khía... cần đạt yêu cầu kỹ thuật là: lớp ngoài phải thật cứng, song bên trong vẫn phải có một độ dẻo thích hợp. Một phương pháp thuận tiện và đơn giản là lợi dụng hiệu ứng ngoài da. Cách làm như sau: cho dòng điện cao tần chạy qua chi tiết máy để nung nóng lớp mặt ngoài của nó tới nhiệt độ cần thiết. Sau đó ta nhúng chi tiết máy vào một chất lỏng để tôi kết quả là lớp mặt ngoài rất cứng, còn ở bên trong chi tiết máy vẫn dẻo.            6 Dòng điện tự cảm khi ngắt mạch TOP Khi mở cầu dao của một mạch điện có chứa máy phát điện hay động cơ điện, ta thường thấy hồ quang điện xuất hiện giữa hai cực của cầu dao. Nguyên nhân do khi ngắt mạch, dòng điện giảm đột ngột về giá trị không, do đó các cuộn dây của máy điện có xuất hiện một dòng điện tự cảm khá lớn. Dòng điện này phóng ra lớp không khí giữa hai cực của cầu dao và có thể gây nguy hiểm cho hệ thống điện. Ðể khử hồ quang điện khi ngắt mạch, người ta đặt cầu dao trong dầu, hoặc dùng khí phụt mạnh v.v... dập tắt hồ quang.  III. HIỆN TƯỢNG HỖ CẢM            1. Thí nghiệm TOP            2 Suất điện động hỗ cảm. Hệ số hỗ cảm TOP Suất điện động gây ra dòng điện hỗ cảm được gọi là suất điện động hỗ cảm. Công thức của nó cũng tuân theo định luật cơ bản của hiện tượng cảm ứng điện từ, nghĩa là: So sánh các công thức (15.9) với công thức (15.5) ta nhận thấy rằng: hệ số hỗ cảm M có cùng đơn vị như hệ số tự cảm L, nghĩa là cũng được tính ra Henry. Hiện tượng hỗ cảm được ứng dụng để chế tạo máy biến thế. Ðó là một dụng cụ rất quan trọng trong kỹ thuật điện.  IV. NĂNG LƯỢNG TỪ TRƯỜNG            1. Năng lượng từ trường của một ống dây điện. TOP Giả sử lúc đầu mạch đã được đóng kín, trong mạch có một dòng điện không đổi I. Khi đó, toàn bộ năng lượng do dòng điện sinh ra đều biến thành nhiệt. Ðiều này được nghiệm đúng khi trong mạch có dòng điện không đổi, nhưng không được nghiệm đúng khi đóng mạch hoặc ngắt mạch. Thực vậy, khi đóng mạch, dòng điện i tăng dần từ giá trị không đến giá trị ổn định cực đại I. Do đó, trong mạch xuất hiện dòng điện tự cảm itc ngược chiều với dòng điện chính io do nguồn phát ra, làm cho dòng điện toàn phần i=io-itc trong mạch nhỏ hơn io. Kết quả là chỉ có một phần điện năng do nguồn sinh ra được biến thành nhiệt. Trái lại, khi ngắt mạch, dòng điện chính giảm đột ngột từ giá trị I về giá trị không. Do đó, trong mạch xuất hiện dòng điện tự cảm cùng chiều với dòng điện đó và làm cho dòng điện này giảm đến giá trị không chậm hơn. Như vậy, sau khi đã ngắt mạch, trong mạch vẫn còn dòng điện chạy trong một thời gian ngắn nữa, và do đó vẫn còn sự toả nhiệt ở trong mạch. Thực nghiệm và lý thuyết đã xác nhận nhiệt lượng toả ra trong mạch sau khi đã ngắt mạch có giá trị đúng bằng phần năng lượng đã không toả nhiệt mà ta nói ở trên. Như vậy, rõ ràng là khi đóng mạch, một phần năng lượng của nguồn điện sinh ra được tiềm tàng dưới một dạng năng lượng nào đó để khi ngắt mạch, phần năng lượng này toả ra dưới dạng nhiệt trong mạch. Ta nhận thấy khi đóng mạch, dòng điện trong mạch tăng thì từ trường trong ống dây cũng tăng theo. Mà từ trường như ta đã biết là một dạng vật chất. Nó có mang năng lượng, cho nên phần năng lượng tiềm tàng nói trên chính là năng lượng của từ trường trong ống dây điện .            2. Năng lượng ống dây TOP Ðể tính phần năng lượng này, ta áp dụng định luật Ohm cho mạch điện trong quá trình dòng điện đang được thành lập: Trong công thức này, L được tính ra Henry, I được tính ra Ampère, còn năng lượng từ trường W được tính ra Joule.            3. Mật độ năng lượng từ trường. TOP Lý thuyết và thí nghiệm chứng tỏ rằng năng lượng từ trường được phân bố trong khoảng không gian có từ trường. Như ta đã biết, từ trường trong ống dây điện thẳng dài vô hạn là từ trường đều. Vì vậy, năng lượng từ trường của ống dây được phân bố đêù trong thể tích đó. Nếu gọi V là thể tích ống dây thì mật độ năng lượng từ trường của ống dây điện là:            4. Năng lượng của một từ trường bất kỳ. TOP TRỌNG TÂM ÔN TẬP ***&&&*** 1. Thế nào là hiện tượng cảm ứng điện từ. Sức điện động và dòng điện cảm ứng. Nguyên nhân của hiện tượng cảm ứng điện từ. Ðịnh luật Lenz về chiều của dòng điện cảm ứng, cho ví dụ. Ðịnh luật về sức điện động cảm ứng. Cách tạo ra dòng điện xoay chiều với N vòng dây. 2. Khi nào xuất hiện dòng điện Foucault. Cách khắc phục tác hại của dòng điện Foucault. Ứng dụng dòng điện Foucault. 3. Thế nào là hiện tượng tự cảm. Khi nào xuất hiện dòng điện tự cảm. Hệ số tự cảm của cuộn dây. Hiện tượng hỗ cảm. Hệ số hỗ cảm. 4. Năng lượng của ống dây - Năng lượng từ trường - Mật độ năng lượng từ trường. CÂU HỎI ĐIỀN THÊM ***&&&*** 1. Dòng điện cảm ứng chỉ tồn tại khi ... 2. Ðể tạo ra dòng điện xoay chiều trong một khung dây ... 3. Dòng điện tự cảm sinh ra khi mà.... 4. Dòng điện cảm ứng phải có chiều sao cho từ trường mà nó sinh ra có tác dụng chống lại... 5. Năng lượng của từ trường có thể nhận biết qua..... khi mà nó..... 6. Trong dòng điện xoay chiều thì luôn có dòng điện.... Bởi vì..... 7. Hỗ cảm là hiện tượng mà khi đặt hai dây dẫn mà một dây..... PHÂN TÍCH NHỮNG CÂU HỎI ĐÚNG SAI ***@@@*** 1. Cường độ dòng điện cảm ứng tỷ lệ với tốc độ biến thiên từ thông qua mạch. 2. Khi từ thông qua mạch tăng thì từ trường cảm ứng sẽ cùng chiều từ trường ngoài. 3. Khi đặt vật dẫn trong từ trường biến đổi, trong thể tích vật dẫn xuất hiện dòng điện Foucault. 4. Trong ống dây có lõi sắt thì từ trường ở đó giảm đi nhiều lần. 5. Dòng điện có thể tạo ra từ trường và ngược lại từ trường cũng có thể tạo ra dòng điện được. 6. Ðể giảm hao phí điện trong các máy biến thế, người ta dùng các lá sắt mỏng ghép với nhau. 7. Khi dòng điện cao tần f = 100.000Hz chạy qua mạch thì dòng điện đó chỉ chạy trên lớp mặt ngoài dày 0,2mm. CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM ***&&&*** BÀI TẬP ***&&&***