LUẬN văn sư PHẠM vật lý KHẢO sát máy BIẾN THẾ

Tôi sẽ tiến hành nghiên cứu, khảo sát các đặc tính về điện áp, dòng điện trong máy biến thế, mối liên hệ giữa điện áp, dòng điện cuộn sơ cấp với điện áp và dòng điện cuộn thứ cấp trong m

VƯƠNG TẤN SĨ NGUYỄN THÀNH TRUNG

MSSV: 1080305

Sư phạm Vật lý – Tin Học K34

CẦN THƠ, 04/2012

LỜI CẢM ƠN



Trong quá trình thực hiện đề tài “ KHẢO SÁT MÁY BIẾN THẾ” bản thân tôi đã

gặp không ít những khó khăn, vướng mắc Nhưng nhờ vào sự nỗ lực của bản thân, sự động viên của gia đình, sự chỉ bảo tận tình của quý thầy cô, sự ủng hộ của các bạn, tôi đã hoàn thành tốt đề tài luận văn tốt nghiệp của mình Vì thế, tôi xin chân thành gửi lời cảm

ơn sâu sắc nhất đến:

- Thầy Vương Tấn Sĩ, người thầy mà tôi yêu quý, thầy đã hết lòng chỉ dạy,

hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong nhiều vấn đề: chỉ tôi cách tìm tài liệu, chỉ tôi phương án làm thí nghiệm, cách thức nghiên cứu khoa học, cách vẽ đồ thị thực nghiệm Thầy luôn tạo mọi điều kiện thuận lợi cũng như đóng góp những ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn thành tốt đề tài luận văn của mình

- Quý thầy cô trong khoa Sư phạm, đặc biệt là các thầy cô trong Bộ môn Sư phạm Vật lí đã nhiệt tình đóng góp ý kiến để tôi có thể hoàn thành tốt luận văn của mình

- Gia đình tôi, chỗ dựa tinh thần rất quan trọng, luôn động viên và ủng hộ tôi trong suốt thời gian học tập cũng như trong thời gian thực hiện đề tài này

- Cảm ơn tất cả các bạn của tôi, nhất là các thành viên của lớp Sư phạm Vật lí, Vật lí-tin học, Vật lí công nghệ K34 đã luôn động viên, đóng góp ý kiến cho tôi trong luận văn này

- Tuy đã cố gắn rất nhiều, nhưng không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến chân thành của quý thầy cô và các bạn để đề tài được hoàn thiện tốt hơn

Một lần nữa tôi xin gửi lời chúc sức khỏe đến quý thầy cô, gia đình và các bạn Trân trọng!

Sinh viên thực hiện

NGUYỄN THÀNH TRUNG

Cần Thơ, ngày… tháng… năm 2012

VƯƠNG TẤN SĨ

Cần Thơ, ngày… tháng… năm 2012

Cần Thơ, ngày… tháng… năm 2012

MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN

NHẬN XÉT CỦA GVHD

NHẬN XÉT CỦA GVPB 1

NHẬN XÉT CỦA GVPB 2

PHẦN MỞ ĐẦU

I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1

II MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 1

III ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 1

IV GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI 2

V PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU 2

VI PHẠM VI NGHIÊN CỨU 2

VII KẾ HOẠCH NGHIÊN CỨU 2

PHẦN NỘI DUNG CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT I TỪ TRƯỜNG 3

1 Khái quát về từ trường 3

2 Vectơ cảm ứng từ 4

3 Nguyên lý chồng chất từ trường 4

4 Vectơ cường độ từ trường 4

II CÁC ĐỊNH LUẬT VỀ CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ 5

1 Định luật cảm ứng từ của Faraday 5

1.1 Thí nghiệm 5

1.1.1 Thí nghi ệm thứ nhất 5

1.1.2 Thí nghi ệm thứ 2 6

1.2 Khảo sát định lượng 6

1.3 Dạng vi phân của định luật cảm ứng điện từ Faraday 7

2 Định luật Lenz 8

2.1 Định luật Lenz và sự bảo toàn năng lượng 11

III THUẬN TỪ VÀ NGHỊCH TỪ 11

1 Thuận từ và nghịch từ 11

2 Hiệu ứng nghịch từ 12

4 Giải thích sự từ hóa của chất thuận từ 15

IV SẮT TỪ 15

1 Các tính chất của sắt từ 15

1.1 Từ độ J của sắt từ không tỷ lệ thuận với cường độ từ trường H 16

1.2 Độ từ thẩm tỷ đối µ c ủa sắt từ phụ thuộc vào cường độ từ trường ngoài H một cách ph ức tạp 17

1.3 M ọi chất sắt từ đều có tính từ dư 17

1.4 Nhi ệt độ Curi 20

1.5 Hi ện tượng từ giảo 20

1.6 Ferit 21

2 Giải thích sự từ hóa của chất sắt từ 21

2.1 Thuyết miền từ hóa tự nhiên 21

2.2 Gi ải thích các đặc tính của sắt từ 23

CHƯƠNG II: MÁY BIẾN THẾ I ĐỊNH NGHĨA MÁY BIẾN THẾ 25

1 Khái niệm 25

2 Định nghĩa 25

II CÁC LƯỢNG ĐỊNH MỨC 25

1 Điện áp định mức 26

2 Dòng điện định mức 26

3 Công suất định mức 26

III CÔNG DỤNG MÁY BIẾN THẾ 26

IV CẤU TẠO MÁY BIẾN THẾ 27

1 Lõi máy biến thế 27

2 Dây quấn máy biến thế 28

3 Vỏ máy 28

4 Lắp ráp máy biến thế 29

5 Các phụ kiện khác 29

V NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY BIẾN THẾ 30

VI CÁC PHƯƠNG TRÌNH ĐẶC TRƯNG CHO MÁY BIẾN THẾ 32

1 Phương trình cân bằng điện áp ở mạch sơ cấp 34

2 Phương trình cân bằng điện áp ở mạch thứ cấp 35

3 Phương trình cân bằng sức từ động 35

1 Trạng thái không tải của máy biến thế 36

2 Trạng thái có tải của máy biến thế 39

VIII TỔN HAO VÀ HIỆU SUẤT CỦA MÁY BIẾN THẾ 43

IX SỰ LÀM VIỆC SONG SONG CỦA NHIỀU MÁY BIẾN THẾ 44

1 Điện áp định mức sơ cấp và thứ cấp của các máy phải bằng nhau tương ứng 44

2 Các máy phải có cùng tổ nối dây 45

3 Điện áp ngắn mạch của các máy phải bằng nhau 45

CHƯƠNG III: THỰC NGHIỆM KHẢO SÁT MÁY BIẾN THẾ I MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM 47

1.Khảo sát điện áp thứ cấp trên máy biến thế mạch hở được xác định là một hàm phụ thuộc vào: 47

1.1 Điện áp sơ cấp 47

1.2 S ố vòng dây của cuộn sơ cấp và số vòng dây của cuộn thứ cấp 47

2 Khảo sát dòng điện đoản mạch trên cuộn thứ cấp được xác định là một hàm phụ thuộc vào: 47

2.1 Dòng điện sơ cấp 47

2.2 S ố vòng dây của cuộn sơ cấp và số vòng dây của cuộn thứ cấp 47

3 Với máy biến thế có tải, dòng điện sơ cấp được xác định là một hàm phụ thuộc vào: 47

3.1 Dòng điện thứ cấp 47

3.2 S ố vòng dây của cuộn sơ cấp và số vòng dây của cuộn thứ cấp 47

II DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM 47

III THÍ NGHIỆM 49

1 Trường hợp mạch điện thứ cấp không tải ( không nối ampere kế ở thứ cấp) 49

1.1 Kh ảo sát điện áp thứ cấp theo điện áp sơ cấp: U 2=f(U1) 49

1.2 Kh ảo sát điện áp thứ cấp U 2 theo s ố vòng dây N 2: U2=f(N2) 52

1.3 Kh ảo sát điện áp thứ cấp U 2 theo s ố vòng dây N 1: U2=f(N1) 55

1.4 Đồ thị thực nghiệm điện áp thứ cấp U 2 theo s ố vòng dây N 2 : U 2 =f(N 2 ) và điện áp U 2 theo s ố vòng dây N 1 : U 2 =f(N 1 ) được biểu diển trên cùng một hệ trục tọa độ 60

2 Trường hợp mạch điện thứ cấp đoản mạch ( nối ampere kế ở thứ cấp) 61

2.1 Kh ảo sát dòng điện thứ cấp theo dòng điện sơ cấp: I 2 =f(I 1 ) 61

2.2 Kh ảo sát dòng điện thứ cấp I 2 theo s ố vòng cuộn thứ cấp N 2: I2=f(N2) 64

2.3 Kh ảo sát dòng điện thứ cấp I 2 theo s ố vòng N 1: I2=f(N1) 67

bi ểu diễn trên cùng một hệ trục tọa độ 70

3 Trường hợp mạch điện thứ cấp có tải thay đổi được 71

3.1 Kh ảo sát dòng điện sơ cấp theo dòng điện thứ cấp : I 1 =f(I 2 ) 71

4 Sai số của tất cả các thí nghiệm khảo sát máy biến thế 74

PHẦN PHỤ LỤC I MÁY BIẾN THẾ BA PHA 76

1 Cấu tạo máy biến thế 3 pha 76

2 Nguyên lý làm việc của máy biến thế ba pha 77

3 Tỷ số máy biến thế 77

II VÀI LOẠI MÁY BIẾN THẾ ĐẶC BIỆT KHÁC 79

1 Máy tự biến thế 79

2 Máy biến thế đo lường 80

2.1 Máy biến điện áp 80

2.2 Máy bi ến dòng điện 80

3 Máy biến thế hàn điện 81

III CÁC HƯ HỎNG VÀ TÌNH TRẠNG LÀM VIỆC KHÔNG BÌNH THƯỜNG XẢY RA VỚI MÁY BIẾN THẾ 82

1 Sự cố bên trong máy biến thế 82

1.1 Ngắn mạch giữa các pha trong máy biến thế ba pha 82

1.2 Ng ắn mạch một pha 83

1.3 Ngắn mạch giữa các vòng dây của cùng một pha 83

2 Dòng điện từ hóa tăng vọt khi đóng máy biến thế không tải 83

3 Sự cố bên ngoài ảnh hưởng đến tình trạng làm việc của máy biến thế 83

4 Nhiệt độ máy biến thế tăng cao ( nguyên nhân và cách xữ lý) 83

4.1 Mức dầu hạ thấp quá mức quy định 84

4.2 Máy bi ến thế vận hành quá tải 84

4.2.1 Quá t ải bình thường 84

4.2.2 Quá t ải sự cố 85

IV BẢO VỆ CHỐNG SỰ CỐ TRỰC TIẾP BÊN TRONG MÁY BIẾN THẾ (BẢO VỆ QUÁ DÒNG ĐIỆN) 86

1 Cầu chì 86

2 Rơle quá dòng điện 86

PHẦN KẾT LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO 88

PHẦN MỞ ĐẦU

I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Ngày nay, điện được xem là “máu” của nền công nghiệp hiện đại, là một trong những nguồn tài nguyên quan trọng của một quốc gia, phục vụ nhu cầu sản xuất, sinh hoạt của con người Song song với việc sản xuất điện năng thì vấn đề truyền tải điện năng cũng hết sức quan trọng Vấn đề khó khăn trong việc truyền tải điện năng là việc làm thế nào để giảm bớt sự tổn hao khi truyền tải điện năng từ nơi sản xuất (nhà máy thủy điện, nhà máy nhiệt điện, nhà máy điện hạt nhân, ) đến nơi tiêu thụ, làm thế nào để có được một nguồn điện ổn định nhất, có chất lượng tốt nhất mà chi phí truyền tải điện năng lại là thấp nhất Giải pháp được đa số các nhà máy điện sử dụng đó là tăng điện áp ở nơi sản suất và giảm điện áp ở các nơi tiêu thụ sao cho phù hợp để đưa vào các thiết bị tiêu thụ điện Để làm được công việc này thì cần phải có một loại thiết bị làm thay đổi điện áp và hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, thiết bị đó chính là máy biến thế Phần lớn ai cũng biết máy biến thế là một thiết bị rất quan trọng trong sản xuất và truyền tải điện năng, tuy nhiên số người hiểu sâu sắc về nó không nhiều

Nhằm giúp nhiều người hiểu rõ hơn về hiện tượng cảm ứng điện từ, những ứng dụng của nó trong các ngành khoa học kỹ thuật mà cụ thể là ứng dụng trong máy biến thế như thế nào? Tôi đã quyết định thực hiện đề tài nghiên cứu “ KHẢO SÁT MÁY BIẾN THẾ” bằng cả lý thuyết và thực nghiệm để tìm hiểu sâu hơn về các đặc tính của máy biến thế

II MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Trong suốt quá trình học tập tại trường, tôi đã được làm quen với nhiều loại máy biến thế khác nhau thông qua các buổi thực hành môn điện học, môn kỹ thuật điện, kỹ thuật điện tử Do số lượng sinh viên thực tập quá đông, thời gian thực tập thì không nhiều, số máy móc phụ vụ cho việc thực tập còn hạn chế Để giúp cho mọi người, các bạn sinh viên chuyên ngành sư phạm Vật lý, sinh viên các chuyên ngành khoa học kỹ thuật hiểu sâu hơn về máy biến thế Tôi sẽ tiến hành nghiên cứu, khảo sát các đặc tính về điện áp, dòng điện trong máy biến thế, mối liên hệ giữa điện áp, dòng điện cuộn sơ cấp với điện áp và dòng điện cuộn thứ cấp trong máy biến thế như thế nào bằng cả lý thuyết và thực nghiệm

III ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

- Hiện tượng cảm ứng điện từ

- Bộ thí nghiệm khảo sát máy biến thế

IV GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI

Trong đề tài này tôi chỉ nghiên cứu về hiện tượng cảm ứng điện từ, lý thuyết máy biến thế, các đặc tính của máy biến thế bằng thí nghiệm thực tế

V PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU

Sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm

- Nghiên c ứu lý luận:

+ Tham khảo các sách, giáo trình về Điện học, Máy biến thế, Điện từ học

+ Tham khảo thông tin từ Internet: các trang Website Vật lý – Kỹ thuật có uy tín

- Nghiên c ứu thực tiễn:

+ Quan sát, ghi nhận thực tế kết quả từng thí nghiệm cụ thể từ bộ thí nghiệm khảo

sát máy biến thế

VI PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu tổng quát lý thuyết về hiện tượng cảm ứng điện từ, lý thuyết về máy biến thế

Bộ thí nghiệm về máy biến thế có tại phòng thí nghiệm điện học thuộc bộ môn Sư phạm Vật lý – Khoa Sư phạm

VII KẾ HOẠCH NGHIÊN CỨU

- Nhận đề tài từ GVHD

- Nghiên cứu các nguồn tài liệu, sách, giáo trình có liên quan và khai thác nguồn tài nguyên trên Internet

- Viết và nộp đề cương sơ bộ cho GVHD

- Tiến hành viết lý thuyết nộp GVHD chỉnh sửa, bổ sung

- Tiến hành làm thí nghiệm khảo sát máy biến thế tại phòng thí nghiệm điện học bộ môn Sư phạm vật lý, thu thập số liệu, sử dụng phần mềm Datastudio vẽ đồ thị thực nghiệm, nhận xét, so sánh lý thuyết và thực nghiệm để đi đến kết luận

- Báo cáo bảo vệ đề tài

- Chỉnh sửa và hoàn chỉnh đề tài

PHẦN NỘI DUNG

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

I TỪ TRƯỜNG

1 Khái quát về từ trường

Khi xét sự tương tác giữa các dòng điện, ta cũng gặp những vấn đề giống như khi xét tương tác điện giữa các điện tích Một số câu hỏi đặc ra như sau: Một dây dẫn có dòng điện, đặt vào gần nó một dòng điện khác thì giữa chúng có lực tương tác, tại sao lại có lực tương tác đó? Lực tương tác truyền từ dòng điện này sang dòng điện khác như thế nào? Khi chỉ có một dòng điện thì trong không gian quanh nó có gì biến đổi không?

Câu trả lời cũng giống như với tương tác điện Sở dĩ giữa hai dòng điện có tương tác

vì xung quanh mỗi dòng điện đều có từ trường Ngày nay người ta cho rằng tác dụng từ của dòng điện thứ nhất lên dòng điện thứ hai đặt gần nó là nhờ một dạng vật chất phân bố liên tục, tồn tại xung quanh dòng điện thứ nhất Dạng vật chất đó gọi là từ trường Từ trường luôn luôn gắn liền với dòng điện cũng như điện trường luôn luôn gắn liền với điện tích

Tính chất cơ bản của từ trường là nó tác dụng lực (lực từ) lên dòng điện, lên nam châm, hay nói tổng quát là lên các hạt mang điện chuyển động trong nó Dựa vào tính chất này mà ta có thể nhận biết được sự có mặt của từ trường và khảo sát các đặc trưng của nó

Từ đây ta có thể trả lời câu hỏi nêu trên như sau: dòng điện thứ hai đặt trong từ trường của dòng điện thứ nhất và từ trường này đã tác dụng lực từ lên dòng điện thứ hai Từ trường của dòng điện thứ hai cũng tác dụng lên dòng điện thứ nhất vì dòng điện thứ nhất đặt trong từ trường của nó

2 Vectơ cảm ứng từ

Để đặc trưng cho từ trường một cách định lượng, người ta dùng một đại lượng mới là cảm ứng từ Để xét độ lớn của cảm ứng từ người ta dựa vào tính chất cơ bản của từ trường

là sự tác dụng của từ trường lên dòng điện

Cảm ứng từ dB gây bởi phần tử dòng điện dl, với cường độ I, tại một điểm M:

0 3

r

rdlIπ4

µµ

µ µ B

d = (1-2) Với θ là góc giữa vectơ dl và r, phương dB vuông góc với vectơ dl và r tức vuông góc với mặt phẳng chứa dl và r Chiều của vectơ dB tuân theo quy tắc vặn nút chai sau đây: cái vặn nút chai được đặt theo phương của dòng điện Nếu vặn nó tiến theo chiều của dòng điện thì chiều quay của cái vặn nút chay tại điểm M cho ta chiều của từ trường tại điểm ấy Trong hệ đơn vị SI, đơn vị của cảm ứng từ được gọi là tesla, ký hiệu là T

3 Nguyên lý chồng chất từ trường

Nếu ta có một dòng điện, mỗi phần tử của nó gây ra tại một điểm nào đó cảm ứng từ

dB, thì cảm ứng từ gây ra bởi cả dòng điện:

B= dB∫ (1-3)

Nếu tại một điểm nào đó có cảm ứng từ gây nên bởi nhiều dòng điện, thì vectơ cảm ứng từ tổng hợp tại điểm đó bằng tổng các vectơ cảm ứng từ Bi gây bởi các dòng điện vẽ

B = B1+ B2 + + Bn =∑Bi (1-4)

4 Vectơ cường độ từ trường

Theo công thức định nghĩa cảm ứng từ (1-1), vectơ cảm ứng từ do dòng điện gây ra phụ thuộc độ từ thẩm tỷ đối µ của môi trường Vì vậy, nếu ta đi từ môi trường này sang môi trường khác thì cùng với độ từ thẩm tỷ đối µ, vectơ cảm ứng từ B sẽ biến đổi một cách đột ngột Vì thế mà ngoài vectơ cảm ứng từ Bngười ta còn đưa ra vectơ cường độ từ trường H Theo định nghĩa:

Vectơ cường độ từ trường H tại một điểm M trong từ trường là một vectơ bằng tỉ số giữa vectơ cảm ứng từ B tại điểm đó và tích µ µ0:

0

µ.µB

H = (1-5)

(Định nghĩa này chỉ áp dụng đối với môi trường đồng chất và đẳng hướng) Theo (1-1)

B bao giờ cũng tỷ lệ thuận với µ Do đó H không phụ thuộc vào µ Điều đó có nghĩa là vectơ cường độ từ trường H đặc trưng cho từ trường do riêng dòng điện sinh ra và không phụ thuộc vào tính chất của môi trường trong đó đặt dòng điện Trong hệ đơn vị SI đơn vị của cường độ từ trường là ampe trên mét, ký hiệu là A/m

II CÁC ĐỊNH LUẬT VỀ CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ

1 Định luật cảm ứng từ của Faraday

1.1 Thí nghiệm

1.1.1 Thí nghi ệm thứ nhất

Hình 1.1 Kim điện kế G bị lệch đi khi nam châm chuyển động so với vòng dây

Ch ứng tỏ có dòng điện chạy qua vòng dây

Hình 1.1 vẽ một vòng dây dẫn, hai đầu nối vào một điện kế nhạy G có khả năng phát hiện được dòng điện chạy trong vòng dây đó Bình thường ta không nghĩ rằng kim điện kế sẽ lệch đi, bởi vì trong mạch không có nguồn điện Tuy nhiên nếu đẩy một thanh nam châm lại gần vòng dây, thì một điều kì lạ xảy ra: Trong lúc thanh nam châm chuyển động (và chỉ trong lúc chuyển động) thì kim điện kế lệch đi, chứng tỏ có dòng điện chạy trong vòng dây Không những thế, càng dịch chuyển nhanh thanh nam châm, thì độ lệch của kim điện kế càng lớn Khi ta ngừng chuyển động thanh nam chân, độ lệch cũng dừng lại và kim điện kế trở về số không Nếu ta kéo nam châm ra xa, thì trong lúc nam châm chuyển động kim điện kế cũng bị lệch nhưng theo chiều ngược lại, chứng tỏ dòng điện trong cuộn dây có chiều ngược lại

Nếu ta đổi cực nam châm sao cho cực nam (mà không phải là cực bắc như trước) đối diện với cuộn dây thì thí nghiệm cũng vẫn diễn ra như trước, có điều là chiều lệch của

kim điện kế ngược với trước đây Những thử nghiệm tiếp theo khác khiến ta phải thừa nhận là điều cốt lõi ở đây là chuyển động tương đối giữa nam châm và cuộn dây Không

có gì khác nhau giữa việc ta đưa nam châm lại gần vòng dây hay đưa vòng dây lại gần nam châm

Dòng điện xuất hiện trong vòng dây gọi là dòng điện cảm ứng, và công làm chuyển động điện tích để tạo ra dòng điện chạy trên vòng dây tính cho một đơn vị điện tích được gọi là suất điện động cảm ứng

1.1.2 Thí nghi ệm thứ hai

Hình 1.2 Khi kim điện kế G nhất thời bị lệch khi khóa S đóng hoặc ngắt

Hai vòng dây không chuy ển động gì cả

Ở đây ta dùng thiết bị vẽ trên hình 1.2 Hai vòng dây để đứng yên ở gần nhau, nhưng không tiếp xúc điện với nhau Khi ta đóng công tắc S, ắcquy sẽ sinh ra dòng điện trong vòng dây bên phải Kim của điện kế trong cuộn dây bên trái tức thời bị lệch đi rồi lại trở về số không Khi mở công tắc để cắt dòng điện đi thì nhất thời kim điện kế lại bị lệch nhưng theo chiều ngược lại

Chỉ khi nào dòng điện trong vòng dây bên phải tăng hoặc giảm thì mới có suất điện động cảm ứng ở vòng dây bên trái Khi có dòng điện không đổi ở vòng dây bên phải, dù dòng điện này lớn đến đâu chăng nữa cũng không có suất điện động cảm ứng

1.2 Khảo sát định lượng

Xét một diện tích bị bao quanh bởi vòng dây kín Ta biểu diễn số đường sức từ đi qua diện tích đó bằng từ thông φB đi qua diện tích đó, trong đó φB được định nghĩa như sau: =∫

S

S d B

B

φ (Định nghĩa từ thông) (1-6)

Trong đó dS là yếu tố vi phân của diện tích và tích phân được lấy trên toàn bộ diện tích Để xét một trường hợp riêng của phương trình (1-6), ta giả sử từ trường có cùng một cường độ B, đi qua một diện tích phẳng S theo phương vuông góc với nó Khi ấy tích vô hướng trong phương trình (1-6) trở thành B.dS , thành ra φB = B∫d Svà phương trình (1-6) trở thành:

φB =BS (trường hợp riêng B⊥S) (1-7)

Trong đó φB là độ lớn của thông lượng qua mặt đó Từ phương trình (1-6)và (1-7) ta thấy rằng đơn vị SI của từ thông là tesla.m2, mà ta gọi là vêbe (viết tắt là Wb):

1 vêbe = 1Wb = 1 T.m2 Sau khi đã định nghĩa được từ thông, chúng ta có thể phát biểu định luật Faraday một cách định lượng:

Su ất điện động cảm ứng trong một vòng dây dẫn bằng nhưng trái dấu với tốc độ

bi ến thiên theo thời gian của từ thông qua vòng dây đó

dt

d

ε φB

= (định luật Faraday) (1-8) Nếu tốc độ biến thiên từ thông được tính bằng vêbe trên giây, thì suất điện động cảm ứng tính bằng vôn, dấu trừ cho biết suất điện động cảm ứng ngược chiều với sự biến thiên của từ thông qua mạch

Nếu ta làm thay đổi từ thông qua một cuộn dây có N vòng, mỗi vòng xuất hiện một suất điện động cảm ứng, các suất điện động này cộng vào nhau giống như các pin mắc nối tiếp Nếu cuộn dây quấn rất chặt, từ thông qua các vòng đều như nhau thì suất điện động cảm ứng trong cuộn dây là:

dt

d N

−

= (định luật Faraday) (1-9)

1.3 Dạng vi phân của định luật cảm ứng điện từ Faraday

Xét một mặt bất kỳ không đổi S giới hạn bởi chu tuyến khép kín C Định luật cảm ứng từ Faraday được viết dưới dạng:

dt

dΦ

ξ = − (1-10) Trong đó ξ là thế điện động cảm ứng xuất hiện trên chu tuyến C, Φ là từ thông qua mặt S Chiều dương trên chu tuyến C và chiều dương của pháp tuyến của mặt S được chọn theo quy tắc vặn nút chai

Vì:

= ∫

(S)

S d B Φ

r r

và = ∫

(C)

l d E ξ

r r

(1-11)

Nên:

∫ = − ∫

(S) (C)

S d B dt

d l d

Er r r r (1-12)

Áp dụng định lý Stôcxơ cho vế trái:

∫ = ∫

(S) (C)

S d E rot l

d

BS

d.E

rr

Dòng điện cảm ứng xuất hiện trong một vòng dây dẫn kín có chiều sao cho nó chống

l ại sự thay đổi đã sinh ra nó

Dấu trừ trong định luật Faraday nhắc ta nhớ rằng đây là kí hiệu của sự chống lại Định luật Lenz nói về dòng điện cảm ứng mà không nói về suất điện động cảm ứng, có nghĩa là

ta chỉ được áp dụng nó một cách trực tiếp với các vòng dây dẫn kín Tuy nhiên nếu vòng dây hở, ta thường có thể nghĩ xem cái gì sẽ xảy ra nếu như nó kín, và từ đấy suy ra chiều của suất điện động cảm ứng

Để hiểu được định luật Lenz, ta hãy áp dụng nó cho một trường hợp riêng là thí nghiệm thứ nhất của Faraday, vẽ trên hình 1.1 Ta áp dụng định luật Lenz trong trường hợp này và giải thích nó theo hai cách khác nhau nhưng tương đương với nhau

Cách giải thích thứ nhất: Vì dòng điện trong vòng dây sinh ra một từ trường, nên nó

cũng có cực bắc và cực nam như một thanh nam châm Với cả vòng dây điện lẫn thanh nam châm, cực bắc là nơi từ đó các đường sức từ tỏa ra Nếu vòng dây trên hình 1 chống lại sự chuyển động của thanh nam châm mà trước hết là cực bắc, lại gần nó, thì mặt của vòng dây đối diện với nam châm phải trở thành cực bắc (xem hình 1.3)

Hình 1.3 Thực thi định luật Lenz, nếu ta đẩy nam châm lại gần vòng dây, dòng điện

c ảm ứng hướng theo chiều đã vẽ, khiến cho từ trường do nó sinh ra chống lại chuyển động của thanh nam châm

Hai cực bắc, một của vòng dây điện và một của thanh nam châm sẽ đẩy nhau Áp dụng quy tắc bàn tay phải cho vòng dây, ta thấy muốn cho mặt của vòng dây đối diện với thanh nam châm trở thành cực bắc thì dòng điện phải có chiều như hình vẽ Trong trường hợp này, dòng điện phải ngược chiều kim đồng hồ khi ta nhìn vòng dây từ phía thanh nam châm

Theo cách nói của định luật Lenz, thì việc đẩy thanh nam châm là sự biến đổi đã sinh

ra dòng điện cảm ứng, nên dòng điện sẽ chống lại sự đẩy này Nếu kéo thanh nam châm

ra xa vòng dây, thì dòng điện cảm ứng sẽ chống lại sự kéo này bằng cách tạo ra cực nam

ở mặt vòng dây đối diện với thanh nam châm Như vậy phải đổi chiều dòng điện và dù ta kéo hay đẩy thanh nam châm, chuyển động của nó cũng luôn luôn bị chống lại

Cách giải thích thứ hai: Bây giờ ta áp dụng định luật Lenz vào thí nghiệm vẽ trên hình

1 một cách khác

Hình 1.4 Th ực thi định luật Lenz, nếu ta đẩy nam châm lại gần vòng dây, ta làm tăng

t ừ thông qua nó Dòng điện cảm ứng trong vòng dây sẽ có chiều như hình vẽ khiến từ

tr ường do nó sinh ra chống lại sự tăng của từ thông

Hình 1.4 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 φB qua vòng dây khi ta đưa nam châm lại gần: thông lượng tăng lên vì nam châm được đưa lại gần vòng dây, 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 thông lượng

Như vậy từ trường Bi phải hướng từ trái sang phải qua mặt của vòng dây vẽ trên hình 1.4 Đều này được vẽ trên hình 1.5a Ở đây cũng chỉ rõ cách dùng quy tắc bàn tay phải để gắn chiều của dòng ứng điện i với chiều của từ trường Bi do i gây ra

Hình 1.5 Quy tắc bàn tay phải để gắn dòng điện cảm ứng i với từ trường B i ta đặt đối

di ện mà nó sinh ra, khi từ trường ngoài B qua vòng dây tăng lên (a, c) hoặc giảm đi (b,

d)

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 ta kéo nam châm ra xa, ta làm giảm từ thông qua vòng dây Từ trường cảm ứng lúc này sẽ chống lại sự giảm của từ thông φB (tức là sự thay đổi) bằng cách làm cho từ trường mạnh lên Chiều của dòng điện tạo ra tác dụng ấy được vẽ trên hình 1.5b Nếu ta đặt đối diện cực nam của nam châm với vòng dây rồi ta bắt đầu đưa nam châm lại gần vòng dây, sau đó lại kéo nó ra xa thì từ trường cảm ứng sẽ giống như

đã vẽ trên hình 1.5c và 1.5d tương ứng Trong cả bốn tình huống của hình 1.5, từ trường cảm ứng đều chống lại sự thay đổi đã sinh ra nó

2.1 Định luật Lenz và sự bảo toàn năng lượng

Ta hãy thử hình dung, nếu định luật Lenz khẳng định điều ngược lại , nghĩa là nếu dòng điện cảm ứng ủng hộ sự thay đổi đã sinh ra nó, thì sẽ xảy ra điều gì? Như thế có nghĩa là, chẳng hạn trường hợp của hình 1.3, khi ta đẩy cực bắc của nam châm lại gần vòng dây, thì mặt này của vòng dây lại hiện ra cực nam

Như thế thì nếu lúc đầu nam châm đang đứng yên, ta chỉ cần đẩy nó rất nhẹ, là nó bắt đầu chuyển động, và chuyển động này tự duy trì Nam châm sẽ được gia tốc về phía vòng dây, nhận thêm động năng trong quá trình này Trong khi đó trong vòng dây cũng tỏa ra nhiệt lượng, vì vòng dây có điện trở đối với dòng điện cảm ứng Thế là ta đã thu được một cái gì đó từ hư vô và khỏi cần phải nói là điều này không thể xảy ra Định luật Lenz không gì khác là sự phát biểu nguyên lí bảo toàn năng lượng dưới một dạng thích hợp cho việc áp dụng với các mạch điện có dòng điện cảm ứng chạy qua Dù ta đẩy nam châm lại gần vòng dây như hình 1.1, hay kéo nó ra xa vòng dây, ta luôn vấp phải một lực chống đối, và ta phải thực hiện một công Theo nguyên lí bảo toàn năng lượng, công này đúng bằng năng lượng nhiệt xuất hiện trong vòng dây, vì chỉ có hai dạng năng lượng chuyển hóa lẫn nhau trong hệ cô lập này (Hiện tại, ta chưa nói đến năng lượng bức xạ từ vòng dây ra ngoài dưới dạng sóng điện từ) Càng dịch chuyển nam châm nhanh, ta càng thực hiện công nhanh, và tốc độ sinh ra nhiệt năng trong vòng dây càng lớn Nếu ta cắt vòng dây rồi làm thí nghiệm, thì không có dòng điện cảm ứng không có nhiệt năng, không có lực cản tác dụng lên nam châm, và không cần tốn công để di chuyển nó

III THUẬN TỪ VÀ NGHỊCH TỪ

1 Thuận từ và nghịch từ

Ta đã biết: trong chất thuận từ, vectơ từ hóa Jcùng chiều với vectơ cảm ứng từ B0 (

vì χm >0), còn trong chất nghịch từ Jngược chiều B0 (vì χm <0) Ta cũng đã biết trong chân không một vật có mômen từ Pm đặt trong từ trường sẽ bị hút về phía từ trường mạnh nếu Pm cùng chiều với từ trường, và sẽ bị đẩy về miền từ trường yếu nếu Pm ngược chiều

từ trường Nhờ đó ta dễ dàng phân biệt được chất thuận từ và chất nghịch từ bằng cách đặt chúng vào từ trường mạnh và không đều Ngoài ra, nếu ta đặt vật thuận từ vào trong không khí (hay một môi trường bất kì không phải là chân không) thì ta còn phải chú ý đến

độ từ hóa của môi trường Không khí là một chất thuận từ có độ từ hóa 6

m 0,38.10

χ = − (ở nhiệt độ phòng và áp suất 760 mmHg), vì vậy tất cả các chất thuận từ có 6

6

m 0,38.10

χ > − người ta đã thấy rõ điều nói trên, ngoài ra thí nghiệm cũng đã chỉ rõ: một chiếc đũa làm bằng bismuth (nghịch từ) sẽ bị đẩy ra miền từ trường yếu và nằm vuông góc với phương từ trường

2 Hiệu ứng nghịch từ

Để giải thích sự từ hóa các chất thuận từ và nghịch từ ta xét hiệu ứng nghịch từ Trước hết ta xét nguyên tử có một electron được đặt trong từ trường ngoài có cảm ứng từ 0

B (trong phạm vi nguyên tử nó có thể coi là đều), hợp với mặt phẳng quỹ đạo của electron một góc α Vì electron chuyển động trên quỹ đạo tương đương với điện có mômen từ Pm nên nó bị từ trường ngoài B0 tác dụng Mômen lực tác dụng M bằng:

M =[P m B 0] (1-16) Mômen lực tác dụng M có phương vuông góc với mặt phẳng hợp bởi Pm (hoặc L) và 0

B

Độ lớn: M = PmB0sinα (1-17)

Vì electron chuyển động trên quỹ đạo giống như một con quay có trục đối xứng trùng với mômen động lượng quỹ đạo L, nên dưới tác dụng của mômen lực M, mặt phẳng quỹ đạo electron bắt đầu đi chao lại, còn các vectơ L và Pm đảo xung quanh từ trường ngoài 0

B và vạch thành 2 mặt nón tròn xoay có trục trùng với phương của B0 vẽ qua tâm quỹ đạo, chiều quay ngược với chiều chuyển động của electron Như vậy, dưới tác dụng của mômen lực M, electron sẽ chịu thêm một chuyển động tuế sai (tiến động) xung quanh phương của từ trường B0 Ta phải tính vận tốc góc ωLcủa chuyển động tuế sai đó

Theo định lý về mômen động lượng trong cơ học, độ biến thiên của mômen động lượng d Ltrong khoảng thời gian dt bằng:

d = L M dt (1-18) hay dL = M dt = PmB0sinα dt (1-19)

Trong thời gian dt, mặt phẳng chứa vectơ Lquay quanh hướng của B0 đã quét được một góc :

dt

L

B P Lsinα

dθ

ω = = (1-21) Mặt khác tỉ số giữa hai vectơ Pm và L được gọi là tỉ số từ - cơ orbital của electron, được xác định bởi hệ thức:

m 2

e L

eB

ωL = 0 (1-23) Theo (1-21) vận tốc Lamor không phụ thuộc vào góc nghiêng αcủa mặt phẳng quỹ đạo so với phương của từ trường ngoài B0 , nó cũng không phụ thuộc vào bán kính quỹ đạo r và vận tốc v của electron trên quỹ đạo Do đó công thức (1-21) đúng cho mọi electron trong nguyên tử

Chuyển động phụ (chuyển động tuế sai) của electron xung quanh hướng của từ trường ngoài B0 đã được thực hiện với vận tốc góc ωL luôn luôn song song và cùng chiều với 0

B Chuyển động quay phụ này tạo nên một mômen từ phụ luôn luôn ngược chiều với 0

B (vì electron mang điện âm) Nếu khoảng cách r ' của electron tới trục quay Oz là không đổi thì chuyển động phụ đó sẽ là một chuyển động tròn bán kính r ' Chuyển động này tương đương với một dòng điện khép kín I ' như trên hình và có cường độ

π 2

eω

I ' L

= , dòng điện I ' này có mômen từ phụ ∆Pm có chiều ngược với B0 và có độ lớn:

L 2 L 2

2

eω r

π π 2

eω S I

∆P = ′ ′ = ′ = ′ (1-24)

hay theo (1-21): 2 0 2

m 4

B e

Mômen từ phụ ∆Pm còn được gọi là mômen cảm ứng

Thực ra khi electron chuyển động trên quỹ đạo, r ' luôn luôn thay đổi, vì vậy trong 25) ta phải thay r′ 2bằng giá trị trung bình r′2của nó theo thời gian, và ta có:

0 2

2

m 4

B e

∆P = ′ (1-26) Bây giờ ta xét trường hợp tổng quát khi nguyên tử có Z electron với các quỹ đạo có bán kính ri (i=1,…Z) khác nhau Dưới tác dụng của từ trường ngoài B0 tất cả các electron trong nguyên tử tham gia chuyển động tuế sai với tần số góc Larmor ωL như nhau cho mọi quỹ đạo khác nhau của nguyên tử Khi đó mômen từ phụ ∆Pm của cả nguyên tử sẽ bằng:

2 i 0 2

m4

Be

∆P (1-27) Trong đó 2

i

r′ là trung bình bình phương khoảng cách từ electron thứ i của nguyên tử tới trục quay Oz Chiều của mômen cảm ứng ∆Pm của cả nguyên tử luôn ngược chiều với chiều của từ trường ngoài B0 Đó chính là hiệu ứng nghịch từ Hiệu ứng nghịch từ là chung cho mọi chất và không loại trừ chất nào

Như vậy, khi đặt nguyên tử trong từ trường ngoài B0 , do chuyển động tuế sai của các electron trong nguyên tử ngoài mômen từ Pm, nguyên tử còn có thêm một mômen từ phụ m

2 i

2

m r ).B

m4

e(P

3 Giải thích sự từ hóa của chất nghịch từ

Những chất không có mômen từ nguyên tử, nghĩa là tổng các vectơ mômen từ quỹ đạo (orbital) và các mômen từ riêng bằng không, chẳng hạn như bismut, các khí trơ (do cấu trúc nguyên tử đối xứng), là chất nghịch từ, bởi vì khi đặt vào từ trường, do hiệu ứng nghịch từ, các nguyên tử về toàn bộ có mômen từ luôn luôn ngược chiều với từ trường ngoài

Để minh họa ta xét trường hợp nguyên tử Heli, đó là nguyên tử nghịch từ có 2 electron Một cách gần đúng, có thể coi mặt phẳng quỹ đạo của các electron đó song song với nhau và quỹ đạo của chúng giống nhau Trên các quỹ đạo ấy, các electron đều chuyển động với cùng vận tốc nhưng ngược chiều nhau, và do đó làm cho mômen từ quỹ đạo

(orbital) của chúng luôn trực đối nhau Lý thuyết đã chứng minh rằng các mômen từ riêng của các electron này cũng luôn ngược chiều nhau Khi đó mômen từ nguyên tử của Heli bằng:

P z ( P P ) 0

1 i

msi mi

m =∑ + =

=

(1-29) Khi đặt khí Heli vào trong từ trường ngoài B0 , các electron đều có mômen từ cảm ứng ∆Pm ngược chiều với B0 nghĩa là chúng cùng chiều với nhau Kết quả là mômen từ của mỗi nguyên tử Heli đặt trong từ trường ngoài đều B0 khác 0 và ngược chiều với B0

làm cho toàn bộ khối khí Heli có mômen từ khác 0 và ngược chiều với B0 :

∑ + =∑ ≠

i

mi khi)

khoi (Ca

msi

mi P ) ∆ P 0 P

( (1-30)

4 Giải thích sự từ hóa của chất thuận từ

Chất thuận từ là những chất có mômen từ nguyên tử khác không ( Pm ≠0 Khi chưa

có từ trường ngoài B0 , do chuyển động nhiệt nên các mômen từ phân tử sắp xếp hoàn toàn hỗn loạn, không có phương ưu tiên Vì vậy mômen từ tổng hợp trong toàn bộ vật thuận từ bằng không và vật không có từ tính

Khi có từ trường ngoài thì các mômen từ nguyên tử có xu hướng sắp xếp theo hướng của từ trường ngoài B0 , đó là chiều ưu tiên Do đó toàn bộ vật thuận từ có mômen từ tổng hợp khác không và mômen từ tổng hợp sẽ cùng chiều với từ trường ngoài Đó là hiệu ứng thuận từ Đồng thời với hiệu ứng thuận từ, trong các chất thuận từ vẫn tồn tại hiệu ứng nghịch từ , nghĩa là toàn bộ vật thuận từ vẫn có một mômen từ cảm ứng ngược chiều với từ trường ngoài Chất thuận từ có hiệu ứng thuận từ mạnh hơn hiệu ứng nghịch từ, hay nói khác đi mômen từ của chất thuận từ do sự sắp xếp các mômen từ nguyên tử theo chiều từ trường ngoài lớn hơn mômen từ cảm ứng ngược chiều từ trường Tổng hợp hai hiệu ứng thuận từ và nghịch từ cho ta từ trường phụ B′trong vật thuận từ cùng chiều với

ở nhiều chất khác nên chúng được gọi chung là sắt từ

Các nguyên tố hóa học có tính chất sắt từ là sắt, kền, côban, gađôlini, một số nguyên

tố đất hiếm ở nhiệt độ rất thấp v.v… Ngoài ra còn có một số rất lớn chất sắt từ là hợp kim của các nguyên tố sắt từ với nhau, hợp kim của các nguyên tố sắt từ với nguyên tố không sắt từ (như Fe-Ni, Fe-Ni-Al…) và một số hợp kim của các nguyên tố không sắt từ với nhau (như hợp kim 61,5% Cu, 23,5% Mn và 15% Al) Tính chất sắt từ chỉ có ở những chất đã nêu khi chúng ở trạng thái tinh thể Đặt tính của sắt từ không chỉ ở giá trị của độ

từ thẩm µ lớn mà còn ở nhiều tính chất khác nữa mà ta sẽ khảo sát dưới đây:

1.1 Từ độ J của sắt từ không tỷ lệ thuận với cường độ từ trường H

Đường cong trên hình 1.6 biểu diễn sự phụ thuộc của từ độ J vào cường độ từ trường ngoài H Nếu khối sắt từ chưa bị từ hóa lần nào, thì khi H = 0, từ độ J cũng bằng không Lúc đầu J tăng nhanh theo H, sau đó tăng chậm hơn Khi H tăng tới một giá trị nào

đó (khoảng vài trăm ampe/mét), J đạt giá trị cực đại Nếu tiếp tục tăng H , J cũng không tăng nữa Ta nói sự từ hóa đã đạt tới trạng thái bão hòa Đường cong từ hóa vừa mô tả được gọi là đường cong từ hóa cơ bản

Hình 1.6 Sự phụ thuộc của từ độ J của sắt Hình 1.7 Sự phụ thuộc của B vào H

t ừ vào cường độ từ trường ngoài H

Đường cong trên hình 1.7 biểu diễn sự phụ thuộc của cảm ứng từ tổng hợp B trong lõi sắt từ vào cường độ từ trường ngoài H Đường cong này không có đoạn nằm ngang

Như ta đã biết:

B = B0+ B ′ = µ0(H + J) (1-31)

Vì vậy khi J đạt giá trị cực đại (tức khi H tăng, J không đổi) thì B tăng tuyến tính theo

H

1.2 Độ từ thẩm tỷ đối µ của sắt từ phụ thuộc vào cường độ từ trường ngoài H một cách phức tạp

Hình 1.8 Sự phụ thuộc của µ vào H

Đường cong hình 1.8 biểu diễn sự phụ thuộc của µ vào H Khi từ trường ngoài bắt đầu tăng từ giá trị không (H còn nhỏ) thì độ từ thẩm µ tăng nhanh theo H, sau đó đạt giá trị cực đại µmax Nếu tiếp tục tăng H thì µ sẽ giảm dần Khi từ trường ngoài H đã khá mạnh thì µ tiến dần tới đơn vị Thực vậy khi sự từ hóa đã đạt tới trạng thái bão hòa từ J=Jbh , thì dù có tăng H đến giá trị nào, J cũng không tăng nữa, tỷ số

J)(HµHµ

Bµ

0

0 0

liệu sắt từ làm lõi các nam châm điện tạo từ trường mạnh cở vài triệu ampe/mét v.v…

1.3 Mọi chất sắt từ đều có tính từ dư

Đây là một đặc tính rất quan trọng của sắt Tính từ dư biểu hiện ở chỗ khi đã cắt

bỏ từ trường ngoài rồi (cho H=0), sắt từ vẫn còn giữ được từ tính

Hình 1.9 Chu trình từ trễ

Ta khảo sát từ trường tổng hợp Br trong lõi sắt từ đặt trong một Xôlênôit để nghiên cứu

sự biến thiên của B theo từ trường từ hóa H (từ trường tạo bởi Xôlênôit khi có dòng điện chạy qua) Giả sử lõi sắt chưa bị từ hóa lần nào Kết quả khảo sát được mô tả bằng đường cong trên hình 1.9 Khi bắt đầu cho dòng điện chạy qua Xôlênôit và tăng dần cường độ dòng điện, cường độ từ trường tăng từ 0 đến H1, cảm ứng từ tổng hợp B trong lõi sắt tăng theo đường OA (đường từ hóa cơ bản) Tiếp đó giảm H (bằng cách giảm cường độ dòng điện qua Xôlênôit), B giảm đi theo đường cong ABd và khi H giảm tới 0 ta thấy từ trường trong lõi sắt vẫn cò giữ một giá trị Bd ≠ 0nào đó, cảm ứng từ Bd gọi là cảm ứng từ dư Để khử hoàn toàn từ tính còn dư trong lõi sắt từ (cho B giảm về 0), ta đổi chiều từ trường từ hóa (bằng cách đảo chiều dòng điện qua Xôlênôit) và tăng giá trị của nó tới Hkt, nghĩa là khi H = -Hkt thì B =0, từ tính dư được khử hoàn toàn Vì vậy Hkt còn được gọi là cường

độ từ trường khử từ Tiếp tục tăng cường độ từ trường H từ (-Hkt) đến (-H1) thì lõi sắt lại

bị từ hóa theo chiều ngược lại (đường cong –HktA’) Tiếp tục cho H biến thiên từ (-H1) đến 0, rồi từ 0 đến H1, ta sẽ thu được đường cong A’C’A Toàn bộ đường cong khép kín ACA’C’A được gọi là chu trình từ trễ

Căn cứ vào đặc điểm của chu trình từ trễ, người ta chia chất sắt từ thành 2 loại: sắt từ cứng và sắt từ mềm

Sắt từ cứng có từ trường khử Hkt lớn, chu trình từ trễ của loại này rộng Từ trường còn

dư của chúng vừa mạnh lại vừa bền vững Manhêtit (FeO, Fe2O3), thép crôm (3% Cr, 1% C),…thuộc loại này Chẳng hạn với Manhêtít B 5.10 3 T

kt

−

≈ ,Bd ≈ 0,6 T Sắt từ cứng được dùng để luyện các nam châm vĩnh cửu

Bảng 1: Các giá trị đặc trưng của một số sắt từ cứng:

Sắt từ mềm có từ trường khử từ Hkt nhỏ, chu trình từ trễ của loại này hẹp, từ trường còn dư rất mạnh, song dể bị khử Sắt non, sắt silic (1% Si),…thuộc loại này Chẳng hạn với sắt non B 0,5.10 4 T

Sắt tinh khiết sau khi

luyện trong hyđrô

0,2T

0,84T 1,5T 0,5T 0,5T

280.000

8.000 10.000 15.000 80.000

Sắt từ cứng Từ cảm khử từ:

k 0

0,6T (0,9÷0,7)T (1,05÷0,85)T (1,15÷0,95)T (0,9÷0,8)T

Nếu ta lại làm lạnh sắt từ xuống dưới nhiệt độ Curi của nó, thì những tính chất đặc trưng của sắt từ lại xuất hiện

Tính từ dư của sắt từ cũng giảm đi khi nó chịu các va chạm Vì vậy để bảo quản các nam châm vĩnh cửu, cần tránh nung nóng và va chạm

Bảng 3: Nhiệt độ Curi của một số vật liệu sắt từ

Chất Nhiệt độ Curi (0C) Chất Nhiệt độ Curi (0C)

Tuli Ecbi 50% bismút

-222 -253

340

1.5 Hiện tượng từ giảo

Khi bị từ hóa, hình dạng và kích thước của vật sắt từ bị thay đổi Đó là hiện tượng từ giảo được Jun phát hiện lần đầu tiên vào năm 1842 Để đặc trưng định lượng cho hiệu ứng từ giảo, người ta dùng độ biến thiên tương đối kích thước dài của vật ∆l/l Nói chung, hiệu ứng từ giảo có đối với mọi chất, song rõ nhất đối với sắt từ Tuy nhiên, ngay đối với sắt từ, hiệu ứng cũng không lớn lắm Trong từ trường H cỡ 105A/m, độ biến thiên

đó vào khoảng 10-5-10-6 Độ lớn và dấu của hiệu ứng từ giảo (dãn hoặc co) phụ thuộc vào bản chất của vật sắt từ hướng của trục tinh thể so với hướng từ trường và độ lớn của cường độ từ trường ngoài

Ngoài ra người ta cũng phát hiện thấy hiệu ứng từ giảo nghịch: một biến dạng cơ học của vật có tính từ giảo sẽ gây ra một sự biến thiên trạng thái từ hóa của vật đó

Hiệu ứng từ giảo được ứng dụng để chế tạo ra các máy phát siêu âm, rơle, bộ rung, bộ lọc, thiết bị ổn định, áp kế v.v…Những máy này có độ chính xác cao và được dùng trong các sơ đồ kiểm tra tự động và điều chỉnh

1.6 Ferit

Một thành tựu quan trọng trong những năm gần đây là việc chế tạo và nghiên cứu các chất ferit Ferit là những chất bán dẫn sắt từ - hợp chất hóa học của ôxyt sắt Fe2O3

và ôxyt của một hoặc một vài kim loại hóa trị hai, có công thức hóa học chung là MeO,

Fe2O3, trong đó Me là một kim loại hóa trị hai như liti (Li), kẽm (Zn), đồng (Cu), niken (Ni), côban (Co), Mangan (Mn), cadmi (Cd), v.v… Ferit được chế tạo bằng cách thêu kết

ở nhiệt độ 9000C÷10000C những mảnh nhỏ ôxyt đã trộn thật đều, Ferit cũng có những đặc tính của sắt từ (như độ từ thẩm µ>>1, µ phụ thuộc từ trường ngoài H, có hiện tượng

từ trễ, điểm Curi), song tính ưu việt cơ bản của nó so với sắt từ kim loại là nó có điện trở suất lớn (thí dụ sắt có điện trở suất bằng 8,5.10-4 Ωm, còn các chất ferit có điện trở suất từ

1÷107Ωm) nên thực tế ferit không có mất mát năng lượng do các dòng Fucô sinh ra Do

đó ferit được dùng làm lõi của các cuộn dây tự cảm có dòng cao tần chạy qua

Các ferit magiê-mangan và một số vật liệu khác có chu trình từ trễ gần giống hình chữ nhật, được sử dụng làm các phần tử lôgic và nhớ trong máy tính điện tử

Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật cao tần và siêu cao tần, ferit ngày càng được sử dụng rộng rãi (chẳng hạn trong thông tin nhiều đường, trong vô tuyến định vị, trong máy tính điện tử cực nhanh v.v…)

Việc sử dụng ferit còn cho phép rút gọn kích thước và trọng lượng máy móc Điều này

có tầm quan trọng lớn đối với kỹ thuật hàng không và tên lửa

2 Giải thích sự từ hóa của chất sắt từ

2.1 Thuyết miền từ hóa tự nhiên

Các đặc tính của sắt từ có thể giải thích được nhờ vào thuyết miền từ hóa tự nhiên, do các nhà bác học Weiss và Landau nêu lên

Theo thuyết này, vật sắt từ được cấu tạo từ các đômen từ (miền từ hóa tự nhiên gọi là đômen từ) trong đó do tác dụng của một loại lực đặc biệt (không phải là lực từ) các mômen từ spin định hướng song song với nhau, tạo thành đômen từ đến mức bão hòa, kết quả là mỗi đômen từ có một mômen từ xác định Lực đặc biệt nói trên được gọi là lực tương tác trao đổi, chỉ có thể hiểu được trong cơ học lượng tử

Để giải thích sự tạo thành các đômen từ trong tinh thể sắt từ và để có thể tìm hiểu xem

vì sao trong các vật sắt từ lại gồm vô số (chứ không phải một hay một vài) đômen từ có kích thước rất nhỏ (dài cở 10-6 mm), ta hãy vận dụng nguyên lí năng lượng cực tiểu, phát biểu rằng: “ trạng thái của một hệ hạt cân bằng bền khi năng lượng của hệ là cực tiểu” (được áp dụng trong cơ học, trong vật lý phân tử)

(a) (b) (c)

(d) (e)

Hình 1.10 Minh họa sự chia vật liệu từ thành đơn đômen (a),

hai đômen (b), bốn đômen (c) và các đômen khép kín (d,e)

Giả sử vật sắt từ chỉ có một đômen từ ( hình 1.10a), khi đó nó sẽ trở thành một nam châm và sinh ra một từ trường với năng lượng xác định Nếu vật sắt từ gồm có hai đômen

từ với các vectơ từ hóa ngược chiều nhau (hình 1.10b) thì từ trường do nó sinh ra ở ngoài vật sẽ giảm nhanh hơn trường hợp kể trên và năng lượng do từ trường này dự trữ sẽ nhỏ

đi Trường hợp vật sắt từ có các đômen từ phân bố như ở hình (1.10c) thì từ trường chỉ tồn tại ở gần sát mặt vật sắt từ và năng lượng dự trữ trong nó lại nhỏ đi hơn nữa Cuối cùng nếu sự phân bố các đômen từ như ở hình (1.10d) hoặc hình (1.10e) thì các đômen từ được khép kín hoàn toàn và bên ngoài sẽ không có từ trường Như vậy nhờ cấu trúc gồm nhiều đômen từ nhỏ khép kín mà năng lượng từ trường của vật sắt từ giảm đến mức cực tiểu (đạt trạng thái cân bằng bền) Hiện tượng vật lý này đã được Landau chứng minh bằng lý thuyết, còn sự phân bố các đômen từ như đã phân tích trên đây thì đã được quan sát bằng thí nghiệm Điểm lưu ý là ở ranh giới giữa các đômen từ (còn gọi là vách miền),

trong phạm vi nguyên tử, phương của các mômen từ spin không thay đổi đột ngột từ miền

nọ sang miền kia mà thay đổi dần dần

2.2 Giải thích các đặc tính của sắt từ

Ta vận dụng thuyết miền từ hóa tự nhiên để giải thích các đặc tính của khối sắt từ

có cấu trúc miền như ở hình 1.11 được đặc trong từ trường ngoài H

(a) (b) (c) (d)

(e) (f)

Hình 1.11 Giải thích sự từ hóa của sắt từ

Khi chưa có tác dụng của từ trường ngoài (H = 0), các đômen từ được phân bố như thế nào đó để mômen từ tổng hợp Pm của vật sắt từ bằng không (hoặc xấp xỉ bằng không) Chẳng hạn, sự phân bố của các mômen từ của các miền như hình (1.11a), trong

đó các miền đã được từ hóa đến mức bão hòa, mômen từ của mỗi miền bằng nhau và bằng

4

Pm

, với Pm là mômen từ toàn phần của vật sắt từ ở trạng thái bão hòa từ

Khi đặt vật sắt từ vào từ trường ngoài H, ta tăng dần cường độ từ trường ngoài lên, vật sắt từ được từ hóa dần dần theo đường cong biểu diễn từ hóa trên hình (1.11f)

Có thể hình dung quá trình từ hóa của chất sắt từ chia làm hai giai đoạn chính sau:

Giai đoạn 1: là giai đoạn dịch chuyển ranh giới (vách) giữa các đômen từ Khi từ

trường ngoài còn nhỏ, thì đômen từ nào có vectơ mômen từ hợp với vectơ cường độ từ trường ngoài H một góc nhọn, tức là có năng lượng nhỏ hơn sẽ được mở rộng, còn đômen từ nào có vectơ mômen từ hợp với H một góc tù tức là có năng lượng lớn hơn sẽ

bị thu hẹp lại, vì hệ có xu hướng chuyển về trạng thái có năng lượng nhỏ hơn Khi đó mômen từ tổng hợp của khối sắt từ sẽ khác không và khối sắt từ bị từ hóa Quá trình dịch chuyển ranh giới giữa các đômen từ mà ta vừa xét (khi từ trường ngoài còn yếu) có tính chất thuận nghịch (ứng với đoạn 1 của đường cong từ hóa) Khi tiếp tục tăng cường độ từ trường ngoài H, các đômen từ có năng lượng nhỏ tiếp tục được mở rộng cho tới khi các đômen từ có năng lượng lớn mất hẳn (hình 1.11c) Khi đó, giai đoạn 1 kết thúc và quá trình dịch chuyển ranh giới giữa các đômen từ là không thuận nghịch, ứng với giai đoạn 2 của đường cong từ hóa Ở giai đoạn này từ độ của chất sắt từ tăng theo cường độ từ trường ngoài

Giai đoạn 2: là giai đoạn mômen từ của các đômen từ quay theo hướng của từ

trường ngoài Cụ thể là khi tiếp tục tăng H, mômen từ của các đômen từ của khối sắt từ sẽ quay dần theo hướng của từ trường (hình 1.11d), và khi cường độ từ trường H lớn đến mức nào đó, vectơ mômen từ của các đômem từ trở thành song song và cùng chiều với

H(hình 1.11e) Khi đó sự từ hóa của khối sắt từ đã đạt đến trạng thái bão hòa và từ độ J đạt giá trị cực đại (đoạn 3 của đường cong từ hóa)

Việc khảo sát ở trên cũng cho ta thấy rằng, trừ trường hợp từ trường ngoài rất yếu, quá trình từ hóa nói chung là bất thuận nghịch, do đó dù cường độ từ trường ngoài giảm đến

0, các vectơ mômen từ của các đômen vẫn giữ lại một sự định hướng nào đó chứ không trở lại trạng thái sắp xếp hỗn độn như lúc ban đầu, có nghĩa là mômen từ tổng hợp của khối sắt từ không trở về bằng không mà có một giá trị xác định Đó chính là nguyên nhân của đặc tính từ dư trong sắt từ

Hơn nữa, nếu đem nung nóng khối sắt từ tới nhiệt độ Curi thì các nguyên tử (hay phân tử) trong vật sẽ chuyển động nhiệt hỗn độn rất mạnh, làm phá vở sự định hướng song song của các mômen từ spin ở các đômen từ, do đó làm cho các miền từ hóa tự nhiên bị tan rã hoàn toàn Vì vậy, khi đó các đặc tính của sắt từ bị mất đi Kết quả là, ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ Curi, khối sắt từ sẽ trở thành vật thuận từ

CHƯƠNG II: MÁY BIẾN THẾ

I ĐỊNH NGHĨA MÁY BIẾN THẾ

1 Khái niệm

Để biến đổi điện áp của dòng điện xoay chiều từ điện áp cao xuống điện áp thấp, hoặc ngược lại từ điện áp thấp lên điện áp cao, ta sẽ dùng máy biến thế Ngày nay, do việc sử dụng điện năng phát triển rất rộng rãi, nên có những loại máy biến thế khác nhau: máy biến thế một pha, ba pha, hai dây quấn, ba dây quấn v.v nhưng chúng hoạt động dựa trên một nguyên lí, đó là nguyên lí cảm ứng điện từ

2 Định nghĩa

Máy biến thế là một thiết bị điện từ tĩnh, làm việc theo nguyên lí cảm ứng điện từ, dùng để biến đổi điện áp của hệ thống dòng điện xoay chiều nhưng vẫn giữ nguyên tần số

Hệ thống điện đầu vào máy biến thế (trước lúc biến đổi) có: điện áp U1, dòng điện I1, tần

số f Hệ thống điện đầu ra của máy biến thế (sau khi biến đổi) có: điện áp U2, dòng điện

I2, và tần số f Trong các bảng vẽ, máy biến thế được kí hiệu như hình 2.1

Hình 2.1 Kí hiệu máy biến thế trong các bảng vẽ

Đầu vào của máy biến thế nối với nguồn điện, được gọi là sơ cấp, đầu ra nối với tải gọi là thứ cấp Các đại lượng, các thông số sơ cấp trong kí hiệu có ghi chỉ số 1: số vòng dây sơ cấp N1, điện áp sơ cấp U1, dòng điện sơ cấp I1, công suất sơ cấp P1 Các đại lượng

và thông số thứ cấp có chỉ số 2 Số vòng dây thứ cấp N2, điện áp thứ cấp U2, dòng điện thứ cấp I2, công suất thứ cấp P2

Nếu máy biến thế có điện áp thứ cấp lớn hơn điện điện áp sơ cấp thì được gọi là máy tăng áp, nếu máy biến thế có điện áp thứ cấp nhỏ hơn điện áp sơ cấp thì được gọi là máy

hạ áp

II CÁC LƯỢNG ĐỊNH MỨC

Các lượng định mức của máy biến thế do xưởng chế tạo máy biến thế quy định để cho máy có khả năng làm việc lâu dài và tốt nhất

1 Điện áp định mức

Điện áp sơ cấp định mức kí hiệu U1đm , là điện áp đã quy định cho dây quấn sơ cấp

Điện áp thứ cấp định mức kí hiệu là U2đm , là điện áp giữa các cực của dây quấn thứ cấp,

khi dây quấn thứ cấp hở mạch và điện áp đặt vào dây quấn sơ cấp là định mức Người ta

quy ước, với máy biến thế một pha điện áp định mức là điện áp pha, với máy biến thế ba

pha điện áp định mức là điện áp dây Đơn vị điện áp ghi trên máy thường là kV

2 Dòng điện định mức

Dòng điện định mức là dòng điện đã quy định cho mỗi dây quấn của máy biến thế,

ứng với công suất định mức và điện áp định mức Đối với máy biến thế một pha dòng

điện định mức là dòng điện pha Đối với máy biến thế ba pha, dòng điện định mức là

dòng điện dây Đơn vị dòng điện ghi trên máy thường là A Dòng điện sơ cấp định mức kí

hiệu I1đm, dòng điện thứ cấp định mức kí hiệu I2đm

3 Công suất định mức

Công suất định mức của máy biến thế là công suất biểu kiến thứ cấp ở chế độ làm

việc định mức Công suất định mức kí hiệu là Sđm , đơn vị là kVA Đối với máy biến thế

một pha công suất định mức là:

Sđm = U2đmI2đm = U1đmI1đm (2-1) Đối với máy biến thế ba pha công suất định mức là:

Sđm = 3.U2đmI2đm = 3.U1đmI1đm (2-2)

Ngoài ra trên biển máy còn ghi tần số, số pha, sơ đồ nối dây, điện áp ngắn mạch, chế

độ làm việc v.v…

III CÔNG DỤNG MÁY BIẾN THẾ

Máy biến thế có vai trò quan trọng trong hệ thống điện, dùng để truyền tải và phân

phối điện năng Các nhà máy điện công suất lớn thường ở xa các trung tâm tiêu thụ điện

(khu công nghiệp, đô thị v.v…) vì thế cần phải xây dựng các đường dây truyền tải điện

năng Điện áp máy phát thường là 6,3 ; 10,5 ; 15,75 ; 38,5 kV Để nâng cao khả năng

truyền tải và giảm tổn hao công suất trên đường dây, phải giảm dòng điện chạy trên

đường dây, bằng cách nâng cao điện áp Vì vậy ở đầu dây cần đặt máy biến thế tăng áp

Mặt khác điện áp của tải thường khoảng 127V đến 500V ; động cơ công suất lớn thường

3 hoặc 6 kV, vì vậy ở cuối đường dây cần đặt máy biến thế giảm áp

Hình 2.2 Sơ đồ sản xuất và truyền tải điện năng

Ngoài ra máy biến thế còn được sử dụng trong các thiết bị lò nung (máy biến thế lò), trong hàn điện (máy biến thế hàn) làm nguồn cho các thiết bị điện, điện tử cần nhiều cấp điện khác nhau, trong lĩnh vực đo lường (máy biến dòng, máy biến điện áp) v.v…

IV CẤU TẠO MÁY BIẾN THẾ

1 Lõi máy biến thế

Lõi máy biến thế thường gồm những lá thép kỹ thuật điện dày từ 0,3 đến 0,5 mm mặt ngoài có sơn cách điện được ghép lại với nhau thành lõi Nó dùng làm mạch từ để dẫn từ thông và làm khung để quấn dây

Hình 2.3 Lõi máy bi ến thế

Căn cứ vào hình dạng lõi máy biến thế người ta phân loại máy biến thế thành máy biến thế kiểu trụ và máy biến thế kiểu bọc, với loại kiểu trụ dây quấn bao quanh trụ thép dùng để chế tạo máy biến thế một pha, ba pha công suất lớn và trung bình, với loại kiểu bọc mạch từ phân nhánh chữ E loại này dùng để chế tạo máy biến thế công suất nhỏ

2 Dây quấn máy biến thế

Dây quấn dùng để quấn máy biến thế thường là dây đồng, tiết diện tròn hay chữ nhật, có bọc cách điện Dây quấn thường quấn đồng tâm quanh trụ Dây quấn điện áp cao

ở ngoài, dây quấn điện áp thấp ở trong Đối với kiểu bọc dây quấn cao áp và hạ áp thường quấn thành từng đĩa xen kẻ

Dây quấn gồm nhiều vòng dây và lồng vào trụ lõi máy biến thế Giữa các vòng dây, giữa các dây quấn có cách điện với nhau và các dây quấn có cách điện với lõi Máy biến thế thường có hai hoặc nhiều dây quấn Khi các dây quấn đặt trên cùng một trụ, thì dây quấn điện áp thấp đặt sát trụ, các dây quấn khác đặt lồng ra ngoài Làm như vậy sẽ giảm được vật liệu cách điện

Hình 2.4 Dây quấn máy biến thế

Hình 2.5 Vỏ máy biến thế một pha

Lõi máy biến thế và dây quấn được đặt bên trong vỏ máy Đối với biến thế công suất lớn bên trong vỏ máy còn chứa dầu để giải nhiệt và cách điện cho máy

Để làm mát và tăng cường cách điện cho máy biến thế, người ta thường đặt lõi máy và dây quấn trong một thùng dầu máy biến thế Máy biến thế công suất lớn, vỏ thùng dầu có cánh tản nhiệt Ngoài ra còn có các sứ ra để nối các đầu dây quấn ra ngoài, bộ phận chuyển mạch để điều chỉnh điện áp, rơle hơi để bảo vệ máy, thiết bị chống ẩm v.v…

4 Lắp ráp máy biến thế

Công đoạn lắp ráp được thực hiện theo quy trình kỹ thuật chặt chẽ Tất cả các điểm nối, tiếp xúc được kiểm soát Moment lực Máy biến thế được sấy trong tủ để đảm bảo cuộn dây không bị ẩm, sau đó được đưa vào công đoạn tẩm dầu bằng máy hút chân không Máy biến thế sau khi lắp ráp có kết cấu vững chắc, chống lực điện động và đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật

5 Các phụ kiện khác

Sứ, bộ điều chỉnh điện áp, van xả dầu, van giảm áp, tiếp đất, nhãn máy, đồng hồ chỉ mức dầu và nhiệt kế

V NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY BIẾN THẾ

Nguyên lý làm việc của máy biến thế dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, nghĩa là năng lượng có thể truyền từ cuộn dây này sang cuộn dây khác thông qua sự thay đổi của

từ thông trong cùng một mạch từ

Có thể nói rằng máy biến thế hoạt động tuân theo hai hiện tượng vật lý sau:

Dòng điện chạy qua dây dẫn tạo ra từ trường

Sự biến thiên từ thông trong cuộn dây tạo ra một hiệu điện thế cảm ứng (cảm ứng điện)

Xét một máy biến thế như hình vẽ:

Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý hoạt động máy biến thế

Cuộn dây nối với nguồn điện gọi là cuộn sơ cấp, cuộn nối với tải tiêu thụ là cuộn thứ cấp Khi nối vào cuộn sơ cấp N1 một dòng điện xoay chiều có điện áp u1, dòng điện xoay chiều sẽ tạo ra từ thông xoay chiều φ biến thiên trong mạch từ Từ thông này móc vòng (xuyên qua) đồng thời với cả hai dây quấn sơ cấp N1 và thứ cấp N2, được gọi là từ thông chính

Theo định luật cảm ứng điện từ, sự biến thiên của từ thông φ làm cảm ứng vào dây quấn sơ cấp và thứ cấp hai suất điện động e1 và e2