CHƯƠNG V: CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ potx

Hơn nữa ông cũng thu được kết quả tươn g tự bằng cách giữ nam châm đứng yên và cho ống dây chuyển động.Vậy: Dòng điện xuất hiện khi có sự biến đổi từ thông qua mạch điện kín gọi là dòng

CHƯƠNG V: CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ

I MỤC TIÊU

- HV hiểu rõ và sâu sắc những kiến thức Vật lí được trình bày trong chương theo tinh thần của vật lí học phổ thông

- HV có được những kỹ năng về thiết kế bài dạy và tổ chức dạy học theo tinh thần đổi mới hiện nay

II GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÔĐUN

Đây là môđun đề cập đến kiến thức và kỹ năng thiết kế bài dạy học cũng như tổ chức dạy học theo tinh thần đổi mới hiện nay Ở môđun này, giáo viên HV có điều kiện tìm hiểu

và làm sâu sắc thêm những kiến thức vật lí liên quan đến Cảm ứng điện từ theo tinh thần của Vật lí học phổ thông có trong chương Những kiến thức này, phần lớn được khai thác

từ Internet

Công việc quan trọng là học viên thiết kế các bài dạy học cụ thể trong chương, cùng nhau thảo luận, trao đổi để tìm được ph ương án thiết kế tối ưu nhất

Thời gian cho môđun này là 1 buổi (4 tiết)

III TÀI LIỆU VÀ THIẾT BỊ ĐỂ THỰC HIỆN MÔĐUN

Sách Vật lí 11, Sách giáo viên Vật lí 11, Tài liệu bồi dưỡng thay sách giáo khoa Vật

lí 11, Phụ lục 7

IV HOẠT ĐỘNG

Hoạt động 1: Phân tích kiến thức có trong chương

 Nhiệm vụ:

- GgV giới thiệu cấu trúc Phụ lục 7a

- HV làm việc theo nhóm bằng cách đọc tài liệu có trong phần phụ lục và thảo luận

 Thông tin cho hoạt động:

Phụ lục 7a

Hoạt động 2: Thiết kế bài dạy học

 Nhiệm vụ:

- GgV giới thiệu một phương án cụ thể về thiết kế bài dạy học trong chương được trình bày trong Phụ lục 7b

- Mỗi nhóm HV chọn một bài bất kỳ trong chương rồi cùng nhau thiết kế

 Thông tin cho hoạt động:

- Sách Vật lí 11, Sách giáo viên Vật lí 11, Phụ lục 7b

Hoạt động 3: Các nhóm trình bày bản thiết kế của nhóm mình

 Nhiệm vụ:

- Mỗi nhóm cử đại diện lên trình bày bản thiết kế của nhóm mình

- Các nhóm khác góp ý, bổ sung

 Thông tin cho hoạt động:

- Bản thiết kế có được từ các nhóm

V ĐÁNH GIÁ

- GgV đánh giá tinh thần và thái độ làm việc của các nhóm cũng như sản phẩm mà các nhóm có được

- Thông tin phản hồi của đánh giá môđun: Ý kiến thảo luận và các bản thiết kế bài dạy học

VI Phân tích nội dung

1 Hiện tượng cảm ứng điện từ

1.1 Từ thông

Khái niệm cảm ứng từ thông qua diện tích S

gọi tắt là từ thông qua diện tích S được định nghĩa

như sau:

Từ thông gứi qua diện tích S là đại lượng về

giá trị bằng BScos trong đó B

là vectơ cảm ứng từ ,  là góc hợp bởi vectơ pháp tuyến n

của diện tích S và vectơ cảm ứng từ B

.

Từ thông  là đại lượng đại số có thể dương

hoặc âm vì phụ thuộc vào góc  nhọn hoặc tù (tức là

chiều của n

) Tuy nhiên, để đơn giản, ta quy ước nếu

không có điều kiện nào bắt buộc đối với chiều của n

thì ta chọn chiều của n

sao cho  là góc nhọn Với quy ước đó từ thông là đại lượng

dương Xem video minh họa

video\Magnetic Field and Flux Animation - YouTube.flv

Nếu chọn S=1 đv dt và  =0 thì B Vậy có thể nói số đường cảm ứng từ qua

diện tích đặt vuông góc với đường sức từ chính là với từ thông Khi nói đến từ thông tức là nói đến số đường cảm ứ ng từ đi qua một diện tích S đặt vuông góc với đường sức từ Đó là

ý nghĩa của từ thông Nhưng chú ý rằng, số đường cảm ứng từ thì luôn luôn dương, còn từ thông  là một đại lượng đại số, có thể âm hoặc dương

Nếu muốn tính từ thông qua một diện tích S có kích thước lớn nằm trong một từ trường bất kì, ta chia nó ra thành các diện tích khá nhỏ dS sao cho trên

mỗi phần tử ấy vectơ cảm ứng từ là không đổi Như vậy, từ thông gửi

qua diện tích lớn là

  S Φ=BdS

Nếu diện tích S là phẳng và nằm trong từ trường đều (B = const),

và vuông góc với các đường cảm ứng từ ( 0 ) thì ta có:

    S

S

Trong hệ SI, đơn vị từ thông là vêbe kí hiệu là Wb, đơn vị của cảm ứng từ B là T (tesla) thì 1Wb=1m2.1T

1.2.Hiện tượng cảm ứng điện từ

Bất kì dòng điện nào cũng gây ra xung quanh nó một từ trường

Một giả thiết được đặt ra là liệu từ trường có thể sinh ra dòng điện

không? Nhà bác học người Mỹ Joseph Henry (1797-878) và nhà vật lí

người Anh Michael Faraday (1791-1867), một cách độc lập, đều cùng

khẳng định giả thiết trên Henry thực hiện trước nhưng Faraday đã công

bố trước kết quả và có những nghiên cứu sâu sắc hơn nên các hiện tượng

cảm ứng điện từ đều đư ợc mang tên ông Năm 1831, Faraday đã phát

hiện ra rằng khi từ thông qua một khung dây dẫn kín biến thiên thì trong

khung dây xuất hiện một dòng điện Hiện tượng này được gọi là hiện

tượng cảm ứng điện từ và dòng điện được sản sinh ra được gọi là dòng điện cảm ứng

(induce current)

Faraday đưa nhanh một nam châm vào

trong lòng một ống dây thì thấy có dòng điện

chạy qua ống dây Khi đưa nam châm ra khỏi

ống dây cũng thu được dòng điện nhưng dòng

điện có hướng ngược lại Hơn nữa ông cũng

thu được kết quả tươn g tự bằng cách giữ nam

châm đứng yên và cho ống dây chuyển

động.Vậy:

Dòng điện xuất hiện khi có sự biến đổi

từ thông qua mạch điện kín gọi là dòng điện

cảm ứng và suất điện động sinh ra dòng điện

cảm ứng là sức điện động cảm ứng

http://www.magnet.fsu.edu/education/tutorials/java/inducedcurrent/index.html

http://www.magnet.fsu.edu/education/tutorials/java/electromagneticinduction/index.html

1.3 Định luật Len-xơ về chiều dòng điện cảm ứng

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 cảm ứng điện từ , Len-xơ đã tìm ra định luật tổng quát về chiều dòng điện cảm ứng, gọi là định luật Len -xơ Có 2 cách phát biểu khác nhau đối với định luật Len-xơ:

1 Dòng điện cảm ứng trong mạch điện kín có chiều sao cho từ trường mà nó sinh

ra chống lại nguyên nhân sinh ra nó (SGK NC)

2 Dòng điện cảm ứng xuất hiện trong một mạch kín có chiều sao từ trường cảm ứng có tác dụng chống lại sự biến thiên của từ thông ban đầu qua mạch kín (SGKCB) hay Khi từ thông qua C biến thiên do một kết quả của một chuyển động nào đó thì từ trường cảm ứng có tác dụng chống lại chuyển động nói trên (SGK CB)

Khi thanh nam châm dịch chuyển cực bắc của nó vào trong lòng ống dây, làm cho

từ thông mgửi qua ống dây tăng Theo định luật Lenz, dòng điện cảm ứng Ic phải có chiều sao cho từ trường do nó sinh ra có tác dụng chống lại sự tăng từ thông đó Muốn vậy, B'

phải ngược chiều với B

Có như vậy thì từ thông 'mdo B'

sinh ra mới có tác dụng chống lại sự tăng từ thông m là nguyên nhân sinh ra nó Biết B'

ta suy ra chiều dòng điện cảm ứng Ic theo quy tắc nắm tay phải

http://micro.magnet.fsu.edu/electromag/java/lenzlaw/index.html

Tương tự, trường hợp thanh nam châm dịch chuyển cực bắc của nó ra xa lòng ống dây, thì từ thông gửi qua ống dây giảm Theo định luật Len z, dòng điện cảm ứng Icphải có chiều sao cho từ trường do nó sinh ra có tác dụng chống lại sự giảm từ thông đó

video\Lenz's Law - YouTube.flv

Tóm lại, theo định luật Len z, dòng điện cảm ứng bao giờ cũng có tác dụng chống lại sự dịch chuyển của nam châm Khi đưa cực bắc của thanh nam lại gần ống dây, đầu trên của ống dây là cực bắc, có tác dụng đẩy nam châm ra khỏi ống dây Còn khi rút cực Bắc ra khỏi thanh nam châm, đầu trên của ống dây là cực nam có tác dụng hút thanh nam châm lại Vì vậy, để dịch chuyển thanh nam c hâm, ta phải tốn công Chính công mà ta thực hiện

đã chuyển hóa thành điện năng của dòng điện cảm ứng

C:\Users\TUAN\Downloads\Video\faraday_vi.jar

1.4 Định luật Faraday về cảm ứng điện từ

Sự xuất hiện dòng điện cảm ứng chứng tỏ trong mạch có một suất điện động (s.đ.đ) Suất điện động ấy được gọi là sđđ cảm ứng Faraday đã nghiên cứu định lượng các yếu tố ảnh hưởng đến độ lớn của sđđ cảm ứng Ông đã quan sát được s.đ.đ càng lớnnếu từ trường biến đổi càng nhanh, song s.đ.đ không chỉ tỉ lệ đơn giản vào sự biến thiên của từ trường mà chính xác là nó tỉ lệ với sự biến thiên từ thông gởi qua khung dây Do vậy mà ban đầu, khi phân tích các kết quả thí nghiệm, Faraday đã phát biểu như sau :

Một lực điện động sinh ra bởi cảm ứng khi từ trưòng quanh vật dẫn điện thay đổi.

Độ lớn của lực điện động cảm ứng tỉ lệ thuận với độ thay đổi của từ thông qua vòng mạch điện.

SGK nâng cao đã phát biểu định luật Faraday về cảm ứng điệntừ như sau :

Độ lớn của suất điện động cảm ứng tỉ lệ với tốc độ biến thiên từ thông qua mạch

t

e c









Trong hệ SI, suất điện động có đơn vị là vôn (V) Dấu (-) biểu thị định luật Lenz

Trong trường hợp khung dây có N vòng dây đấu nối tiếp thì s.đ.đ cảm ứng trong khung dây đó được xác định bằng công thức :

t N

e c







 Biểu thức định lượng của s.đ.đ cảm ứng đối với trường hợp riêng của mạch đ iện

kín cũng có thể tìm được dựa trên cơ sở của định luật bảo toàn năng lượng.

C:\Users\TUAN\Downloads\Video\faraday_vi.jar

1.5 Sức điện động cảm ứng trong đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường

Xét đoạn dây MN có chiều dài l như hình dưới, chuyển động với vận tốc v trong từ trường đều có cảm ứng từ B (v và B đều vuông góc với MN, đồng thời v vuông góc với B) Khi đó êlectron trong dây MN chuyển động trong từ trường sẽ chịu tác dụng của lực Lorentz

-B



f

v



F

Hình 4 Giải thích sự xuất hiện s.đ.đ cảm ứng trong đoạn dây MN

Giả sử cảm ứng từ B

có chiều đi ra như hình vẽ, lực Loren tz sẽ làm electron chuyển động về phía M Do đó, đầu M thừa electron, đầu N thiếu electron Trong đoạn MN xuất hiện điện tr ường E

hướng từ N đến M, E

gọi là điện trường cảm ứng Lúc này, electron chịu tác dụng của hai lực, lực điện trường F

và lực Lorentz f

Sau một thời gian rất ngắn, hai lực này cân bằng nhau Từ lúc đó điện trường cảm ứng có giá trị ổn định nên

ta có:

evB

e là độ lớn điện tích của electron.

Ta thấy, lực lạ ở đây chính là lực Lo -ren-xơ S.đ.đ cảm ứng trong mạch xuất hiện

là do lực Lo-ren-xơ gây ra Theo công thức tính s.đ.đ của nguồn điện ở trên, ta có:

cu

ε = =

eEl

ε =

-e

Thay E = vB ta có ε = -vBlcu Trong trường hợp mạch hở thì sức điện động cảm ứng cũng chính là độ lớn của hiệu điện thế của hai cực nguồn điện ecu  Blv  U

Trong trường hợp v và B cùng vuông góc với đoạn dây đồng thời v hợp với B một góc thì ta cóecu  Blv sin 

dt

dS B Bl dt

dx

cu    



dt

d

cu



 

http://www.magnet.fsu.edu/education/tutorials/java/inductivependulum/index.html http://ngsir.netfirms.com/englishhtm/Induction.htm

1.4.1 Máy phát điện điện một chiều

Một ứng dụng quan trọng và phổ biến trong đời sống hiện tượng cảm ứng điện từ trong các đoạn dây chuyển động là máy phát điện một chiềuchiều (AC gernerator)

Mô phỏng nguyên tắc hoạt động máy phát điện AC

video\How generator works by Khurram Tanvir - YouTube.flv

Mô phỏng nguyên tắc hoạt động máy phát điện DC

video\DC MOTORS AND GENERATORS - YouTube.flv

video\Magnetism- Motors and Generators - YouTube.mp4

1.5 Dòng điện Foucault (Fu-cô)

Dòng điện Foucault (Eddy current) được phát hiện bởi nhà vật lí người Pháp Léon

Foucault (1819-1868) Dòng điện Foucault là dòng 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 Dòng điện Phucô là một dòng điện xoáy.

Như vậy dòng điện Foucault cũng là dòng điện cảm ứng Theo định luật Lenz, nó cũng tạo ra một từ trường nhằm chống lại sự biến thiên từ thông đã gây ra nó Vì khối vật

dẫn có điện trở R nhỏ nên cường độ dòng Foucault trong vật dẫn thường khá lớn

c c

ε

I = R

Vì 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 dòng Foucault càng mạnh Với đặc điểm ấy thì dòng Foucault có những tác hại và lợi ích nhất định trong kĩ thuật

a) Một vài tác hại của dòng Foucault : nhiều thiết bị điện có cấu tạo dưới dạng

một lõi sắt đặt trong một ống dây có dòng điện xoay chi ều chạy qua như : máy biến thế, động cơ điện, máy phát điện Các l õi sắt này có tác dụng tăng cường từ trường Do nằm trong từ trường biến đổi nên trong các lõi sắt xuất hiện dòng điện Foucault Trong trường hợp này, dòng Foucault là có hại

Một là nhiệt tỏa ra do dòng Foucault sẽ

làm cho lõi sắt bị nóng có thể làm hỏng máy và

hao phí năng lượng

Hai là dòng Foucault luôn 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 và giảm công suất của động cơ

Để giảm tác hại của dòng Phucô, 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 trên các lá sắt này song song với cảm ứng từ B của 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 dòng Phucô trong các lá sắt giảm đi đáng kể

so với dòng Phucô 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

http://www.youtube.com/watch?v=7_-RqkYatWI&feature=related

http://www.youtube.com/watch?v=kU6NSh7hr7Q

Bài tâpXem video

video\Neodymium magnet in copper pipe -YouTube.flv

b) Một vài ứng dụng của dòng Foucault

-Thắng, thiết bị giảm tốc (Electromagnetic

braking): Những loại phanh theo nguyên lý trên hiện nay

được dùng làm phanh hãm cho xe tải, cần trục, tàu hỏa

cao tốc, hay thậm chí xe đẩy, xe đạp, Các bánh xe đều

có đĩa kim loại Khi cần giảm tốc độ, một từ trường

mạnh được đưa vào các đĩa này (ví dụ bằng cách di động

một nam châm vĩnh cửu ôm qua đĩa) Lợi điểm của

phương pháp phanh này là phanh không bao giờ bị hao

mòn, giảm chi phí bảo dưỡng Đồng thời việc điề u chỉnh

lực giảm tốc cũng có thể được thực hiện chính xác hơn

phanh ma sát thông thường

- Đệm từ trường : Đặt một vật dẫn trên một từ

trường tăng dần từ cao xuống thấp, khi vật rơi xuống bởi

trọng lực sẽ có từ thông qua nó tăng lên, tạo dòng

Foucault phản kháng lại sự rơi này Nếu vật làm bằng

chất siêu dẫn, có điện trở bằng không, tạo ra dòng điện Fouca ult hoàn hảo (hiệu ứng Meissner), sinh ra lực điện phản kháng đủ lớn để có thể triệt tiêu hoàn toàn trọng lực đối kháng, cho phép tạo ra đệm từ trường , nâng vật nằm cân bằng trên không trung Đệm từ có thể được ứng dụng để nâng tàu cao tốc, giảm ma sát (do ma sát chỉ có giữa thân tàu và không khí), tăng vận tốc chuyển động của tàu

-Đồng hồ đo điện : Trong một số loại đồng hồ đo điện, người ta ứng dụng dòng điện

Foucault để làm tắt nhanh dao động của kim đồng hồ Người ta gắn vào một đầu của kim một đĩa kim loại nhỏ (bằng đồng hoặc nhôm), đặt đĩa này trong từ trường của một nam châm vĩnh cửu Khi kim chuyển động, đĩa kim loại cũng bị chuyển động theo Từ thông

H 4.1 Phương pháp giảm dòng Phucô

qua đĩa thay đổi làm xuất hiện trong đĩa những dòng điện Foucault Theo định luật Lenz, dòng điện Foucault tương tác với từ trường của nam châm gây ra lực chống lại sự chuyển động của đĩa Kết quả là dao động của kim bị tắt đi nhanh chóng

-Bếp từ hay bếp điện cảm ứng (induction stove): bếp từ sử dụng trong nội trợ cũng

hoạt động theo nguyên tắc tương tự Bếp này tạo ra,

trong khoảng cách vài milimét trên bề mặt bếp, một từ

trường biến đổi Đáy nồi bằng kim loại nằm trong từ

trường này sẽ nóng lên do dòng Foucault và nấu chín

thức ăn Ưu điểm của bếp là tốc độ đun nấu nhanh, do

giảm được nhiệt dung (không còn nhiệt dung của bếp,

chỉ có nhiệt dung của nồi) Việc điều chỉnh nhiệt độ

và các chế độ nấu nướng cũng được thực hiện chính

xác và dễ dàng hơn Tuy nhiên bếp có thể có các hiệu

ứng cảm ứng điện từ chưa được kiểm chứng đối với

sức khỏe con người

- Luyện kim: Hiệu ứng được ứng dụng trong các lò điện cảm ứng, đặc biệt phù hợp

với nấu chảy kim loại trong chân không để tránh tác dụng hóa học của không khí xung quanh Người ta đặt kim loại vào trong lò và rút không khí bên trong ra Xung quanh lò quấn dây điện Cho dòng điện xoay chiều có tần số cao chạy qua cuộn dây đó Dòng điện này sẽ tạo ra trong lò một từ trường biến đổi nhanh, làm xuất hiện dòng điện Foucault mạnh và tỏa ra nhiệt lượng rất lớn đủ để nấu chảy kim loại Cuộn dây cho dòng cao tần chạy qua thường là cuộn dây có dạng các ống rỗng, sử dụng nước làm mát ở bên trong đồng thời dòng điện cao tần sẽ chỉ dẫn trên lớp vỏ ngoài do hiệu ứng lớp da

http://www.youtube.com/watch?v=sPLawCXvKmg&feature=relmfu

2 Hiện tượng tự cảm

2.1 Hiện tượng tự cảm và s.đ.đ tự cảm

Ở các thí nghiệm của Faraday, dòng cảm ứng xuất hiện trong cuộn dây khi có từ

thông biến th iên qua diện tích của cuộn dây đó.Từ thông này là do từ trường bên ngoài

tạo nên Bây giờ, ta không xét đến từ trường bên ngoài, nếu ta thay đổi cường độ dòng điện trong chính cuộn dây, từ thông qua diện tích của cuộn dây cũng biến thiên làm xuất

hiện trong nó một dòng điện cảm ứng Dòng điện cảm ứng này gọi là dòng điện tự cảm.

Hiện tượng trên được gọi là hiện tượng tự cảm S.đ.đ xuất hiện trong cuộn dây tạo nên dòng điện tự cảm gọi là s.đ.đ tự cảm Như vậy, có thể định nghĩa như sau:

Sự xuất hiện s.đ.đ cảm ứng trong mạch do sự biến thiên của từ thông gây bởi dòng 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 dòng xoay chiều chạy qua hoặc khi ta đóng, ngắt mạch điện

Nếu gọi là từ thông do chính dòng điện trong cuộn dây đó tạo ra Nhận xét rằng,

từ thông  tỉ lệ với cảm ứng từ B

do dòng điện trong mạch sinh ra, mà cảm ứng từ đó lại

tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện của mạch D o đó, từ thông  tỉ lệ với dòng điện I, do

đó ta có thể đặt:

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 s.đ.đ tự cảm là:

tc

dΦ

ε =

Thay (1) vào (2) ta có:

ε = - = -L

L = const khi mạch điện đứng yên và không thay đổi về hình dạn g

Công thức (3) chứng tỏ: trong một mạch điện đứng yên và không thay đổi về hình

dạng, s.đ.đ tự cảm luôn tỉ lệ nhưng trái dấu với tốc độ biến thiên của cường độ dòng điện trong mạch Sự trái dấu giữa s.đ.đ tự cảm và tốc độ biến thiên dòng điện trong mạch thể

hiện ở dấu (-) trong công thức (3), chứng tỏ s.đ.đ tự cảm bao giờ cũng có tác dụng chống lại sự biến thiên của cường độ dòng điện trong mạch đó

2.2 Hệ số tự cảm

Ở mục 2.1 đã đưa ra hệ số tự cảm L

Từ (1) suy ra

Φ

L =

Nếu cho I = 1 thì L = Φ Vậy có thể phát biểu:

Hệ số tự cảm của mạch điện bằng từ thông qua mạch khi dòng điện gây ra từ thông

đó bằng đơn vị.

Hay có thể phát biểu như sau:

Hệ số tự cảm của một mạch điện là đại lượng vật lí về trị số bằng từ thông do chính dòng điện ở trong mạch gửi qua diện tích của mạch, khi dòng điện trong mạch có cường

độ bằng một đơn vị.

Trong hệ SI, hệ số tự cảm được đo bằng đơn vị Henry kí hiệu là H Ta đã biết từ thông được đo bằng đơn vị vêbe (Wb), cường độ dòng điện I được đo bằng đơn vị Ampe (A ) Từ công thức (4) suy ra:

A

Wb H

1

1

1 

Vậy: Henry là hệ số tự cảm của một mạch kín khi dòng điện 1 ampe chạy qua thì

sinh ra trong chân không từ thông 1vêbe qua mạch đó.

Các ước số của henry 1mH = 10-3H; 1µ H = 10-6H

Trong thực tế, các mạch điện có dòng xoay chiều chạy qua đều có một hệ số tự cảm nào đấy Tuy nhiên giá trị này nhỏ hơn nhiều so với hệ số tự cảm của một cuộn dây có nhiều vòng dây Một cuộn dây có hệ số tự cảm đáng kể được gọi là một cuộn cảm Bây giờ, ta tính hệ số tự cảm của một cuộn dây dài vô hạn gồm vòng dây, chiều dài l Một

cuộn dây được coi là vô hạn khi chiều dài của nó gấp đường kính khoảng 10 lần Từ

trường do cuộn dây có dòng điện chạy qua tạo trong lòng nó một từ trường đều có cảm ứng từ

B = μμ nI =0 μμ0 N

l I như nhau tại mọi điểm, với μ = 4 100 -7 H/m là hằng số từ và μ là độ từ thẩm của môi trường Nếu diện tích của mỗi vòng dây là S thì từ thông gửi qua cả cuộn dây gồm N vòng là:

2 0

N S

Φ = NBS = μμ I

l Suy ra độ tự cảm của cuộn dây điện

2 0

L= =μμ

Trong kĩ thuật, trong các cuộn dây người ta thường đặt các lõi sắt có độ từ thẩm tới hàng ngàn, hàng vạn để là tăng từ tính của cuộn dây

3 Năng lượng từ trường

3.1 Năng lượng từ trường của ống dây điện

Cho một mạch điện như hình vẽ, giả sử ban đầu mạch được đóng kín,trong mạch có dòng điện không 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 dòng điện không đổi, nhưng không đúng trong lúc đóng hoặc ngắt mạch Khi đóng mạch dòng điện i trong mạch tăng từ O đến I Trong quá trình ấy , trong mạch điện xuất hiện dòng điện tự cảm itc ngược chiều với dòng điện chính i0 do nguồn phát ra, làm cho dòng điện toà phần ở trong mạch i= i0– itcnhỏ hơn i0 Kết quả làchỉcó một phần điện năng trong mạch biến thành nhiệt mà thôi Trái lại, khi ngắt mạch, dòng điện chính giảm đột ngột về 0 Do đó, trong mạch xuất hiên dòng điện tự cảm, làm cho dòng điện toàn phần trong mạch lớn lênvà 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 lượ ng này tỏa ra dưới dạng nhiệt trong mạch Vì khi đóng mạch, dòng điện trong mạch tăng thì từ trường trong cuộn dây cũng 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 lượn g này:

Gọi R là điện trở trong toàn mạch, áp dụng định luật Ôhm cho mạch điện trong quá trình dòng điện đang được thành lập, ta có:

tc

ε + ε = Ri

Vì ε = -Ltc di

dt nên biểu thức trên trở thành

di

ε - L = Ri dt di

ε = Ri + L

dt Nhân cả hai vế với idt, ta có

2 εidt = Ri dt + Lidi Nhìn phương trình, ta thấy ở vế trái εidt 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 dòng điện, phần năng lượng của nguồn điện được tiềm tàng dưới dạng năng lượng từ trường là:

m

W = dW = Lidi Thực hiện phép tính tích phân, ta có:

2 1

W = LI

Đây là công thức tính năng lượng tồn trữ trong cuộn dây khi có dòng điện I chạy qua

3.2 Mật độ năng lượng từ trường

Theo như tính toán lí thuyết và thực nghiệm thì năng lượng từ trường được phân

bố trong không gian có từ trường Ta 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 l à: