- Nếu ɸ là Dòng điện cảm ứng, có thể biểu diển toán học như sau: ɸ = -B = -LI Ðiều này có nghĩa là khi từ thông qua mạch tăng lên, từ trường cảm ứng sinh ra có tác dụng chống lại sự tăng
Trang 1CHƯƠNG 5: HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ
1 Thí nghiệm Faraday
(VIDEO VỀ THÍ NGHIỆM FARADAY) https://www.youtube.com/watch?v=cxO_gI07QS8
Sơ đồ thí nghiệm Faraday
Từ các thí nghiệm đó, Faraday đã rút ra những kết luận sau đây:
Từ thông gửi qua mạch kín biến đổi theo thời gian là nguyên nhân sinh ra dòng điện cảm ứng trong mạch đó
Dòng điện cảm ứng chỉ tồn tại trong thời gian từ thông gửi qua mạch kín biến đổi
Cường độ dòng điện cảm ứng tỉ lệ thuận với tốc độ biến đổi của từ thông
Chiều của dòng điện cảm ứng phụ thuộc vào sự tăng hay giảm của từ thông gửi qua mạch
2 Ðịnh luật Lenz
Trang 2Ðồng thời với Michael Faraday, Heinrich 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
- Nếu ɸ là Dòng điện cảm ứng, có thể biểu diển toán học như sau: ɸ = -B = -LI
Ðiều này 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,Cực Bắc của thanh nam châm di chuyển vào trong lòng 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 trường của 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 lý 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
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
- "Suất điện động cảm ứng luôn luôn bằng về trị số, nhưng trái dấu với tốc độ biến thiên của từ thông gửi qua diện tích của mạch điện."
- Suất điện động cảm ứng là suất điện điện sinh ra do hiện tượng cảm ứng điện từ
Từ thông gửi qua vòng dây đỏ thay đổi khi dịch chuyển nó trong từ trường
- Để tìm biểu thức của Suất điện động cảm ứng, ta dịch chuyển một vòng dây dẫn kín (C) trong từ trường để từ thông gửi qua vòng dây thay đổi Khi đó công của lực
từ tác dụng lên dòng điện cảm ứng có giá trị: dA = d
Trang 3Sơ đồ thiết lập biểu thức của suất điện đông cảm ứng và xác định chiều dòng điện
cảm ứng xuất hiện trong mạch
Theo định luật Lenx, công của từ lực tác dụng lên dòng điện cảm ứng là công cản
có giá trị: -d=-dA = d
Công -d này được chuyển thành năng lượng của dòng cảm ứng có giá trị:
.dt = -.d
Từ đó ta suy ra: = - (5.1)
Đó là biểu thức của suất điện động mà ta phải tìm
- Biểu thức ấy nói lên nội dung định luật cơ bản của hiện tượng cảm ứng điện từ : “ Suất điện động cả ứng luôn luôn bằng trị số , nhưng trái dấu với tốc độ biến thiên của từ thông gửi qua điện tích của mạch điện”
- Dễ dàng thấy rằng biểu thức ấy thể hiện được đầy đủ những kết luận tổng quát của Faraday về hiện tượng cảm ứng điện từ Điều này có nghĩa là: định luật cơ ban của hiện tương cảm ứng điện từ được thực nghiệm xác nhận là hoàn toàn đứng đắn
Trang 44 Ứng dụng của hiện tượng cảm ứng điện từ
Một ứng dụng quan trọng của hiện tượng cảm ứng điện từ là tạo ra dòng điện xoay chiều Thực chất của quá trình này là biến đổi cơ năng thành điện năng
Sơ đồ thiết bị tạo dòng xoay chiều Xét một khung dây dẫn gồm nhiều vòng quay trong một từ trường đều (=) với vận tốc góc không đổi (= const) Ta sẽ phải tốn một công để làm quay khung và nhận được điện năng của dòng điện cảm ứng chạy trong khung đó Để dẫn được dòng điện ra ngoài, ta nối 2 đầu dây của khung với 2 hình trụ dẫn cách điện với nhau và cùng gắn với trục quay khung, sau đó dùng 2 chổi than tì vào 2 hình trụ đó để nối khung dây với mạch tiêu thụ ngoài
Giả sử ban đầu (t=0) pháp tuyến của mặt khung tạo với từ trường một góc Như vậy sau thời gian t, góc đó thay đổi thành =t+α Khi đó từ thông gửi qua khung là:
= Nbscos()
Trong đó n là tổng số vòng dây của khung, S là diện tích khung
Suất điện động cảm ứng xuất hiện trong khung theo định luật cơ bản của hiện tượng cảm ứng điện từ là: với CmaxnBS (5.2)
Vậy khi cho khung quay đều trong từ trường đều, ta được một suất điện động xoay chiều hình sin, có chu kì là chu kì quay của khung: T=
Trang 55 Dòng điện Fuco
Dòng điện Foucalt (hay còn gọi là dòng điện xoáy) là hiện tượng dòng điện sinh ra khi ta đặt một vật dẫn điện vào trong một từ trường biến đổi theo thời gian hay vật dẫn chuyển động cắt ngang từ trường Nhà vật lý người Pháp Léon Foucault (1819
-1868) là người đầu tiên đã chứng minh sự tồn tại của các dòng điện cảm ứng trong vật dẫn nhờ tác dụng của một từ thông biến thiên
Nguyên nhân vật lý gây nên dòng điện Foucault chính là lực Lorentz hay lực điện tương đối tính tác động lên các hạt tích điện có thể chuyển động tự do trong vật dẫn
Dòng điện Foucault luôn chống lại nguyên nhân gây ra nó, theo định luật Lenz Nó tạo ra một cảm ứng từ có từ thông ngược nhằm chống lại sự biến thiên của từ thông
đã tạo ra nó; hoặc tương tác với từ trường tạo ra nó gây ra lực cơ học luôn chống lại chuyển động của vật dẫn
Dòng điện Foucault cũng là một hiệu ứng vật lý, trong nhiều hiệu ứng liên quan đến cảm ứng điện từ, có nhiều ứng dụng hay ý nghĩa thực tiễn Nó cũng có chung bản chất với hiệu ứng bề mặt trong các dây dẫn điện xoay chiều
Thí nghiệm tìm ra dòng Foucault:
Thí nghiệm của Foucault (https://www.youtube.com/watch?v=MQ5zgdqiFuE)
- Ông quay một đĩa kim loại quanh một trục không ma sát Đĩa quay một lúc lâu
- Ông lặp lại thí nghiệm trên, nhưng đặt đĩa kim loại trong một từ trường mạnh Đĩa nhanh chóng dừng lại khi được đưa vào từ trường, và đồng thời bị nóng lên
Thí nghiệm trên có thể giải thích như sau: Các hạt tích điện có thể chuyển động tự
do trong đĩa kim loại (cụ thể là electron), chuyển động, cùng với đĩa, trong từ trường sẽ chịu lực Lorentz gây ra bởi từ trường, làm lệch quỹ đạo chuyển động Điều này cũng có nghĩa là các hạt tích điện này sẽ chuyển động tương đối so với đĩa tạo ra dòng điện xoáy, dòng điện Foucault, trong đĩa Dòng điện này bị cản trở bởi điện trở của đĩa và sinh ra nhiệt lượng làm nóng đĩa Theo định luật bảo toàn năng lượng, động năng của đĩa đang quay được chuyển hóa thành nhiệt năng của
nó, và đĩa buộc phải quay chậm lại khi nóng lên
Công thức tính
Trang 6- Xem xét một vòng dây dẫn điện nằm trong từ trường Hiệu điện thế sinh ra dọc theo vòng dây tỷ lệ với biến thiên từ thông, , qua vòng dây đó, theo dạng tích phân của định luật cảm ứng Faraday: U=
- Dòng điện chạy trong dây, dòng điện Foucault, theo định luật Ohm, tỷ lệ
nghịch với điện trở, R, của dây: I==
- Nếu cường độ từ trường đồng nhất, B, trên toàn tiết diện cắt ngang của vòng dây dẫn (tiết diện vuông góc với từ trường) S, thì từ thông là:
- Trong trường hợp tiết diện vòng dây S không thay đổi, biến thiên từ thông
là: = S
- Nên dòng Foucault là: I = S
- Trong trường hợp từ trường biến đổi điều hòa (B=), do đó
=ta có: I=
Tác hại
Trong các máy biến thế và động cơ điện, lõi sắt của chúng nằm trong từ trường biến đổi Trong lõi có các dòng điện Foucault xuất hiện Do hiệu ứng Joule-Lenz, năng lượng của các dòng Foucault bị chuyển hóa thành nhiệt làm máy nhanh bị nóng, một phần năng lượng bị hao phí và làm giảm hiệu suất máy
Để giảm tác hại này, người ta phải giảm dòng Foucault xuống Muốn vậy, người ta tăng điện trở của các lõi Người ta không dùng cả khối sắt lớn làm lõi mà dùng nhiều lá sắt mỏng được sơn cách điện và ghép lại với nhau sao cho các lát cắt song song với chiều của từ trường Dòng điện Foucault do đó chỉ chạy trong từng lá mỏng Vì từng lá đơn lẻ 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 Đó là lý do tại sao các máy biến thế truyền thống thường dùng các lõi tôn silic (sắt silic) được cán mỏng bởi chúng có điện trở suất sẽ làm giảm thiểu tổn hao do dòng Foucault; hoặc các lõi biến thế hiện nay sử dụng các vật liệu từ mềm đặc biệt là hợp kimtinh thể nano có điện trở suất cao Trong kỹ thuật cao tần và siêu cao tần, người ta bắt buộc phải sử dụng lõi dẫn từ là các vật liệu gốm ferit có điện trở suất cao làm tổn hao Foucault được giảm thiểu
Ứng dụng
Trang 7Dòng Foucault không phải là chỉ có hại Nó cũng được sử dụng trong nhiều lĩnh vực, chẳng hạn như luyện kim, đệm từ trường, phanh từ trường Dưới đây liệt kê một số ứng dụng:
- 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 Foucault 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
- 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
- Bếp từ (hay bếp điện cảm ứng): 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, 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
- 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
Trang 8loại cũng bị chuyển động theo Từ thông 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
- Phanh (hay thắng hay thiết bị giảm tốc): 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 điều chỉnh lực giảm tốc cũng có thể được thực hiện chính xác hơn phanh ma sát thông thường
- Trong y tế: có một liệu pháp gọi là gắng sức trên xe đạp (ergometry) sử dụng dòng điện Foucault để xác định bệnh thiếu máu cơ tim: Xe đạp có một bánh bằng đồng nằm giữa hai cực của một nam châm điện, khi bệnh nhân đạp xe tạo
ra một dòng Foucault, sinh ra một lực cản được tính bằng Ws hay KGm Người bệnh ngồi trên xe đạp, đạp với các mức gắng sức tăng dần, mỗi lần thử kéo dài
từ 3 đến 5 phút, ghi lại điện tâm đồ và đo hệ số HA sau mỗi lượt thử (H là viết tắt của hypokinesia nghĩa là giảm động, A là viết tắt của akinesia nghĩa là bất động, dyskinesia nghĩa là loạn động)
- Máy phát điện: Dòng Foucault chạy trong kim loại chuyển động năng vật dẫn thành năng lượng của dòng điện, do vậy cũng được ứng dụng làm máy phát điện
- Microphone: Tương tự như hoạt động của máy phát điện nêu trên, năng lượng của rung động âm thanh có thể được chuyển tải thành dòng điện, mang theo thông tin của âm thanh, dùng trong một số microphone
- Dò kim loại: Dòng điện Foucault còn được dùng để tham dò chất lượng các thiết bị kim loại, như ống đổi nhiệt
Trang 9II HIỆN TƯỢNG TỰ CẢM
1 Thí nghiệm và giải thích
Tiến hành
Mạch điện như hình vẽ, ban đầu mạch đã được đóng kín chạy ổn định, kim điện kế (G) chỉ ở vị trí a
- Khi ngắt mạch điện, kim (G) lệch về quá số 0 rồi mới quay lại số 0.
- Khi đóng mạch điện, kim (G) chạy vượt quá vị trí a ban đầu rồi mới quay trở lại ổn định tại vị trí a
Giải thích
- Trong thời gian vô cùng nhỏ của quá trình đóng,ngắt mạch điện thì trong ống
dây có sự biến đổi dòng điện đột ngột (từ I = 0 đến Imax hay từ Imax đến I = 0) nên từ trường do chính dòng điện chạy trong ống gửi qua ống biến đổi nên trong ống dây xuất hiện dòng điện cảm ứng
- Ngắt mạch: theo Lenx dòng cảm ứng có chiều chạy vào (G) từ B đến A, làm
kim (G) chạy quá vị trí 0
Trang 10- Đóng mạch: theo Lenx dòng cảm ứng có chiều chạy vào (G) từ A đến B làm
kim (G) chạy quá vị trí a
2 Hiện tượng cảm ứng điện từ
Khi thay đổi dòng điện trong mạch điện để từ thông do chính dòng điện đó gửi qua diện tích của mạch thay đổi, thì trong mạch cũng xuất hiện dòng điện cảm ứng, vì dòng điện này do sự cảm ứng của chính dòng điện trong mạch sinh ra
nên gọi là dòng điện tự cảm và hiện tượng nói trên được gọi là hiện tượng tự
cảm.
Suất điện động trong hiện tượng tự cảm gọi là suất điện động tự cảm Etc
3 Suất điện động tự cảm
- Giá trị suất điện động tự cảm Etc =
- Mặt khác Фm B I nên ta có: Фm = L.I (5.3)
- L là hệ số tỉ lệ, hệ số này phụ thuộc vào hình dạng, kích thước của mạch điện và phụ thuộc vào tính chất của môi trường đặt mạch
E tc = = = (5.4)
Vậy E tc = (Dấu ‘’-‘’ do E tc luôn có tác dụng chỗng lại sự biến đổi của cường độ
dòng điện trong mạch là nguyên nhân sinh ra nó)
Trong mạch điện đứng yên và không thay đổi hình dạng, suất điện động tự cảm luôn luôn tỉ lệ thuận, nhưng trái dấu với tốc độ biến thiên cường độ dòng điện trong mạch
4 Độ tự cảm
- Độ tự cảm được tính theo công thức L = (5.5)
Thấy rằng nếu I = 1 thì L = Фm từ đó có định nghĩa về độ tự cảm: Độ 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
là 1 đơn vị.
Từ (5.5) đưa ra đơn vị : = = = H
Henry là độ tự cảm của dòng điện kín khi dòng điện 1A chạy qua thì sinh ra
trong chân không từ thông 1Wb qua mạch đó.