ĐIỆN từ học vật lý THCS

Điện từ học là ngành vật lý nghiên cứu và giải thích các hiện tượng điện và hiện tượng từ, và mối quan hệ giữa chúng. Ngành điện từ học là sự kết hợp của điện học và từ học bởi điện và từ có mối quan hệ mật thiết với nhau. Điện trường thay đổi sinh ra từ trường và từ trường thay đổi sinh ra điện trường. Thực chất, điện trường và từ trường hợp thành một thể thống nhất, gọi là điện từ trường. Các tương tác điện và tương tác từ gọi chung là tương tác điện từ. Lực xuất hiện trong các tương tác đó là lực điện từ, một trong bốn lực cơ bản của tự nhiên (bên cạnh lực hấp dẫn, lực hạt nhân mạnh và lực hạt nhân yếu).

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC AN GIANG

KHOA SƯ PHẠM

BÁO CÁO THU HOẠCH PHÂN TÍCH CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÝ TRUNG HỌC CƠ SỞ

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU

Trong thời đại công nghiệp hóa hiện đại hóa ngày nay điện từ học đượcứng dụng phổ biến và có vai trò rất quan trọng đối với cuộc sống của con người.Hầu hết các thiết bị tự động, máy móc từ đơn giản đến phức tạp đều hoạt độngdựa trên nguyên lý của điện từ học Nói vậy để thấy sự phát triển của điện từ họcgiúp cho xã hội ngày một tiên tiến và hiện đại hơn Nhận thấy tầm quan trọng củađiện từ học nên em làm bài tiểu luận này để nói sơ lược cơ bản về điện từ họcgiúp các em học sinh TRUNG HỌC CƠ SỞ bước đầu tiếp cận và tìm hiểu, đồngthời tạo tiền đề cho sự nghiên cứu sâu rộng về vấn đề này ở những bậc học caohơn

Mặc dù đã cố gắng hết khả năng của mình nhưng do trình độ kiến thức và kinhnghiệm còn hạn chế, nên không tránh khỏi có những sơ sót Em rất mong được

sự nhận xét, đánh giá, đóng góp ý kiến của thầy, cô và các bạn đọc để bài viếtnày được hoàn thiện hơn

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ ĐIỆN TỪ HỌC

I ĐIỆN TỪ HỌC LÀ GÌ?

Điện từ học là ngành vật lý nghiên cứu và giải thích các hiện tượng điện

và hiện tượng từ, và mối quan hệ giữa chúng Ngành điện từ học là sự kết hợpcủa điện học và từ học bởi điện và từ có mối quan hệ mật thiết với nhau Điệntrường thay đổi sinh ra từ trường và từ trường thay đổi sinh ra điện trường Thựcchất, điện trường và từ trường hợp thành một thể thống nhất, gọi là điện từtrường Các tương tác điện và tương tác từ gọi chung là tương tác điện từ Lựcxuất hiện trong các tương tác đó là lực điện từ, một trong bốn lực cơ bản của tựnhiên (bên cạnh lực hấp dẫn, lực hạt nhân mạnh và lực hạt nhân yếu)

Trong nhiều trường hợp, điện từ học được dùng để chỉ điện từ học cổ điểnbao gồm các lý thuyết cổ điển, phân biệt với các lý thuyết trong điện từ học hiệnđại như điện động lực học lượng tử

II LƯỢC SỬ.

Lý thuyết khá chính xác đầu tiên về điện từ học, xuất phát từ nhiều côngtrình khác nhau của các nhà vật lý trong thể kỷ 19, và thống nhất lại bởi JamesClerk Maxwell trong bốn phương trình nổi tiếng, các phương trình Maxwell.Ngoài việc thống nhất các kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học đi trước,Maxwell còn chỉ ra rằng ánh sáng là sóng điện từ Trong điện từ học cổ điển,điện từ trường tuân thủ các phương trình Maxwell, và lực điện từ tuân theo địnhluật lực Lorentz

Điện từ học cổ điển không tương thích với cơ học cổ điển Các phươngtrình Maxwell tiên đoán vận tốc ánh sáng không đổi trong mọi hệ quy chiếu.Điều này vi phạm nguyên lý tương đối Galileo, một trụ cột của cơ học cổ điển.Năm 1905, Albert Einstein giải quyết mâu thuẫn bằng thuyết tương đối Trong lýthuyết này, từ trường chỉ là một hiệu ứng tương đối tính của điện trường tĩnh vàkhông cần nhiều phương trình như các phương trình Maxwell để mô tả

Cùng năm 1905, Einstein đã giới thiệu hiệu ứng quang điện nói rằng ánhsáng có thể xem như các hạt, sau này gọi là photon, giải thích một hiện tượngkhông tương thích với điện từ trường cổ điển Lý thuyết này mở rộng lời giải chobài toán tai họa tử ngoại của Max Planck năm 1900, một bài toán khác cho thấyđiện từ học cổ điển chưa chính xác Những lý thuyết này đã giúp xây dựng vật lýlượng tử, đặc biệt là điện động lực học lượng tử Điện động lực học lượng tử,được bắt đầu từ năm 1925 và hoàn thành vào những năm 1940, là một trongnhững lý thuyết vật lý chính xác nhất ngày nay

Điện từ là một hiện tượng vật lý của điện trường sinh ra từ trường, tìmthấy trong các dây dẫn điện có vài vòng quấn mắc nối với điện

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐIỆN TỪ HỌC

I.NAM CHÂM VĨNH CỬU

Nam châm vĩnh cửu là các vật được cấu tạo từ các vật liệu từ cứng (là vậtliệu sắt từ, khó khử từ và khó từ hóa) có khả năng giữ từ tính không bị mất từtrường, được sử dụng như những nguồn tạo từ trường

Hình 1: Nam Châm Vĩnh Cửu

− Nam châm nào cũng có hai cực Khi để tự do, cực luôn chỉ hướng Bắc gọi

là cực Bắc, còn cực luôn chỉ hướng Nam gọi là cực Nam

− Khi đặt hai nam châm gần nhau, các từ cực cùng lên đẩy nhau, các từ cựckhác nhau hút nhau

II.TÁC DỤNG TỪ CỦA DÒNG ĐIỆN - TỪ TRƯỜNG

1.Tác dụng từ của dòng điện:

− Theo định luật Ampere, mọi dòng điện đều sinh ra từ trường

− Khi dòng điện chạy trong một dây dẫn điện, từ trường sinh ra có dạng vòngtròn bao quanh cộng dây thẳng dẫn điện có dòng điện khác không

− Mọi dòng điện đều chịu lực tương tác khi nằm trong từ trường

− Hướng của từ trường và hướng dòng điện được xác định theo quy tắc nắmtay phải

2.Từ trường:

Từ trường là một dạng vật chất tồn tại xung quanh nam châm hay dòng điện

mà biểu hiện cụ thể là sự xuất hiện của lực từ tác dụng lên một dòng điện haynam châm đặt trong nó Từ trường được miêu tả bằng trường vector Người tahay sử dụng khái niệm lực Lorentz tác dụng lên một điện tích điểm chuyển động

để định nghĩa từ trường Ký hiệu từ trường là hoặc cho từng trường hợp cụ thể.

Hình 2:Từ trường của một thanh nam châm hình trụ.

Hình 4: Hình ảnh đường sức từ

IV.TỪ TRƯỜNG CỦA ỐNG DÂY CÓ DÒNG ĐIỆN CHẠY QUA

− Phần từ phổ ở bên ngoài ống dây có dòng điện chạy qua rất giống phần từphổ ở bên ngoài thanh nam châm

− Quy tắc nắm tay phải: Nắm tay phải, rồi đặt sao cho bốn ngón tay hướngtheo chiều dòng điện chạy qua các vòng dây thì ngón tay cái choãi ra chỉchiều của đường sức từ trong ống dây

Hình 5: Hình ảnh mô tả quy tắc nắm tay phải

V.SỰ NHIỄM TỪ CỦA SẮT, THÉP - NAM CHÂM ĐIỆN

1.Sự nhiễm từ của sắt, thép:

Sắt từ là các chất có từ tính mạnh, hay khả năng hưởng ứng mạnh dưới tácdụng của từ trường ngoài, mà tiêu biểu là sắt(Fe), và tên gọi "sắt từ" được đặt chonhóm các chất có tính chất từ giống với sắt Các chất sắt từ có gần giống với cácchất thuận từ ở đặc điểm hưởng ứng thuận theo từ trường ngoài

Tính sắt từ dùng để chỉ thuộc tính (từ tính mạnh) của các chất sắt từ

2.Nam châm điện:

Khi mắc một dây dẫn điện có nhiều vòng quấn với nguồn điện, dòng điệnsản sinh một điện trường trong các vòng quấn Khi dòng điện đi qua các vòngquấn, Biến đổi của điện trường trong các vòng quấn sinh ra một từ trường vuônggóc với điện trường

− Từ trường của cuộn dây dẫn điện có tính chất giống như từ trường của mộtNam Châm cũng hút hay đẩy một từ vật nằm trong từ trường của cuộn dây

− Khi ngắt dòng điện khỏi cuộn dây, từ trường biến mất Cuộn dây không còn

có thể hút hay đẩy từ vật

− Vậy chỉ khi nào có dòng điện diện đi qua, cuộn dây mới trở một thành namchâm điện

Với Dòng điện khác không, I ≠ 0

− Từ trường của cuộn dây tùy thuộc vào số từ cảm cuộn dây và dòng điệntrong cuộn dây

− Từ Cảm cuộn dây tỉ lệ thuận với chiều dài, số vòng quấn và tỉ lệ nghịch vớidiện tích của cuộn dây đó

Hình 6: Nam châm điện

VI.LỰC ĐIỆN TỪ.

1.Lực từ:

Dây dẫn có dòng điện chạy qua đặt trong từ trường và không song song vớiđường sức từ thì chịu tác dụng của từ trường, lực đó gọi là lực điện từ

2.Chiều của lực điện từ - Quy tắc bàn tay trái:

Quy tắc bàn tay trái: Đặt bàn tay trái sao cho các đường sức từ hướng vàolòng bàn tay, chiều từ cổ tay đến ngón tay giữa hướng theo chiều dòng điện thìngón tay cái choãi ra 90o chỉ chiều của lực điện từ

Hình 7: Hình ảnh mô tả quy tắc bàn tay trái

3.Lực từ tác dụng lên khung dây dẫn có dòng điện

Khung dây dẫn có dòng điện đặt trong từ trường thì có lực điện từ tác dụnglên nó, lực điện từ làm cho khung quay quanh trục của nó, trừ một vị trí duy nhất

đó là khi mặt phẳng khung vuông góc với đường sức từ (tức là mặt phẳng khungnằm trong mặt phẳng trung hòa)

Hình 8: Lực từ tác dụng lên khung dây có dòng điện

VII.ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

Động cơ điện một chiều là động cơ điện hoạt động với dòng điện mộtchiều

Stator của động cơ điện 1 chiều thường là 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnhcửu, hay nam châm điện, rotor có các cuộn dây quấn và được nối với nguồn điệnmột chiều, một phần quan trọng khác của động cơ điện 1 chiều là bộ phận chỉnhlưu, nó có nhiệm vụ là đổi chiều dòng điện trong khi chuyển động quay của rotor

là liên tục Thông thường bộ phận này gồm có một bộ cổ góp và một bộ chổi thantiếp xúc với cổ góp.

VIII.HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ

1.Hiện tượng cảm ứng điện từ:

Năm 1831, Michael Faraday đã chứng tỏ bằng thực nghiệm rằng từtrường có thể sinh ra dòng điện Thực vậy, khi cho nam châm chuyển động trước một cuộn dây dẫn kín hoặc cho cuộn dây quay trong từ trường thì trongmạch có thể xuất hiện một dòng điện Dòng điện đó được gọi là dòng điện cảmứng Hiện tượng đó được gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ

Hình 9: Sơ đồ thí nghiệm Faraday

2.Điều kiện xuất hiện dòng điện cảm ứng.

Điều kiện xuất hiện dòng điện cảm ứng trong một dây dẫn kín là số đườngsức từ xuyên qua tiết diện S của cuộn dây biến thiên

Một cách tổng quát, dòng điện cảm ứng xuất hiện khi thỏa mãn các điềukiện sau:

− Khi mạch điện kín hay một phần mạch điện kín chuyển động trong từtrường và cắt các đường cảm ứng từ

− Khi mạch điện kín không chuyển động trong từ trường nhưng từ trườngxuyên qua mạch điện đó là từ trường biến đổi theo thời gian

IX.DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU

1.Dòng điện xoay chiều:

Dòng điện xoay chiều là dòng điện có chiều và cường độ biến thiên theothời gian Dòng điện xoay chiều thường được tạo ra từ các máy phát điện xoaychiều hoặc được biến đổi từ nguồn điện một chiều bởi một mạch điện tử thườnggọi là bộ nghịch lưu dùng các Thyristor Trước đây, dòng điện xoay chiều thườngđược gọi là "dòng Galvanic"

Trong kỹ thuật điện, nguồn xoay chiều được viết tắt tiếng Anh là AC (viếttắt của Alternating Current) và được ký hiệu bởi hình ~ (dấu ngã - tượng trưngcho dạng sóng hình sin)

Dòng điện cảm ứng trong cuộn dây dẫn kín đổi chiều khi số đường sức từxuyên qua tiết diện S của cuộc dây đang tăng mà chuyển sang giảm hoặc ngượclại đang giảm mà chuyển sang tăng

2.Cách tạo ra dòng điện xoay chiều:

Khi cho cuộn dây dẫn kín quay trong từ trường của nam châm hay cho namchâm quay trước cuộn dây dẫn thì trong cuộn dây có thể xuất hiện dòng điện cảmứng xoay chiều.

Hình 10: Cách tạo ra dòng điện xoay chiều

X.MÁY PHÁT ĐIỆN XOAY CHIỀU

1.Máy phát điện xoay chiều:

Máy phát điện là thiết bị biến đổi cơ năng thành điện năng, thông thường sửdụng nguyên lý cảm ứng điện từ Nguồn cơ năng sơ cấp có thể là các động cơ tuabin hơi, tua bin nước, động cơ đốt trong, tua bin gió hoặc các nguồn cơ năngkhác

Cũng có những máy phát điện kiểu khác, đưa trên những hiện tượng điện tựnhiên khác như hiệu ứng áp điện, hiệu ứng từ thủy động Kết cấu của dynamotương tự với các động cơ điện, và các loại dynamo thông dụng đều có thể hoạtđộng như một động cơ

2.Cấu tạo và hoạt động của máy phát điện xoay chiều:

Các máy phát điện xoay chiều đều có hai bộ phận chính là nam châm tạo ra

từ trường và cuộn dây Một trong hai bộ phận đó đứng yên gọi là stato, bộ phậncòn lại quay được gọi là rôto

Hình 11: Cấu tạo và hoạt động máy phát điện xoay chiều

XI.CÁC TÁC DỤNG CỦA DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU - ĐO CƯỜNG ĐỘ VÀ HIỆU ĐIỆN THẾ XOAY CHIỀU

− Dòng điện xoay chiều có các tác dụng nhiệt, quang và từ

Hình 12: tác dụng của dòng điện xoay chiều

− Lực từ đổi chiều khi dòng điện đổi chiều

− Dùng ampe kế hoặc vôn kế xoay chiều có kí hiệu AC (hay~) đề đo các giátrị hiệu dụng của cường độ và hiệu điện thế xoay chiều Khi mắc ampe kế

và vôn kế xoay chiều vào mạch điện xoay chiều không cần phân biệt chốtcủa chúng

Hình 13: Ampe kế xoay chiều Hình 14: Vôn kế xoay chiều

XII.TRUYỀN TẢI ĐIỆN NĂNG ĐI XA

Khi truyền tải điện năng đi xa bằng đường dây dẫn sẽ có một phần điệnnăng hao phí do hiện tượng tỏa nhiệt trên đường dây

Công suất hao phí do tỏa nhiệt trên đường dây tải điện tỉ lệ nghịch với bìnhphương hiệu điện thế đặt vào hai đầu đường dây

 Biện pháp làm giảm hao phí điện năng trên đường dây tải điện

Để giảm hao phí trên đường dây tải điện, cách tốt nhất đang được ápdụng hiện nay là tăng hiệu điện thế đặt vào hai đầu đường dây

XIII.MÁY BIẾN THẾ

1.Máy biến thế:

Máy biến áp hay máy biến thế, gọi gọn là biến áp, là thiết bị điện dùng đểtăng hoặc giảm hiệu điện thế của dòng điện xoay chiều giữa các mạch điện thôngqua cảm ứng điện từ

2.Cấu tạo và hoạt động của máy biến thế:

Bộ phận chính của máy biến thế gồm:

− Hai cuộn dây dẫn có số vòng khácnhau, đặt cách điện với nhau.Cuộn dây nối với mạng điện gọi

là cuộn sơ cấp, cuộn dây lấy hiệuđiện thế ra sử dụng gọi là cuộnthứ cấp

− Một lõi sắt hay thép có pha Silicgồm nhiều lá mỏng ghép cách điệnvới nhau

3.Hoạt động:

Máy biến thế hoạt động tuân theo 2 hiện tượng vật lí:

− Dòng điện chạy qua dây dẫn tạo ra từ trường (từ trường)

− Sự biến thiên từ thông trong cuộn dây tạo ra 1 hiệu điện thế cảm ứng (cảmứng điện)

Dòng điện được tạo ra trong cuộn dây sơ cấp khi nối với hiệu điện thế sơcấp, và 1 từ trường biến thiên trong lõi sắt Từ trường biến thiên này tạo ra trongmạch điện thứ cấp 1 hiệu điện thế thứ cấp Theo định luật cảm ứngFaradaytrường điện từ tạo ra dòng điện cảm ứng ở các cuộn thứ cấp Như vậyhiệu điện thế sơ cấp có thể thay đổi được hiệu điện thế thứ cấp thông qua từtrường Sự biến đổi này có thể được điều chỉnh qua số vòng quấn trên lõi sắt

− Hiệu điện thế ở hai đầu mỗi cuộn dây của máy biến thế tỉ lệ với số vòng dâycủa mỗi cuộn:

 Lưu ý:

− Nếu k > 1 (tức U1 > U2 hay n1 > n2) là máy hạ thế

− Nếu k < 1 (tức U1 < U2 hay n1 < n2) là máy tăng thế

Hình 15: Cấu tạo máy biến thế

Máy biến thế chỉ có thể hoạt động được với dòng điện xoay chiều và khônghoạt động được với dòng điện một chiều.

CHƯƠNG III: THÍ NGHIỆM VÀ ỨNG DỤNG THỰC TẾ

I. ỨNG DỤNG CỦA NAM CHÂM VĨNH CỬU.

1.La bàn:

Nam châm chính là một la bàn Trái đất cũng chính là một nam châm lớnchính vì thế mà các nam châm luôn chỉ hướng Bắc tại mọi thời điểm La bàn từnam châm giúp xác định được phương hướng

Hình 16: La bàn

2.Chuông báo động chống trộm:

Nam châm được ứng dụng trong thiết bị báo động chống trộm bằng cách sửdụng thiết bị chuyển mạch liên kết với nhau bên trong hệ thống báo động Cácthiết bị này phát hiện những thay đổi trong từ trường gây ra bởi những kẻ xâmnhập và âm thanh báo động để cảnh báo cho chủ nhà

Thiết bị bao gồm 2 bộ phận là bộ phận cảm biến từ và nam châm, chúngđược lắp đặt ở cửa và thành khung cửa, khi 2 bộ phận này tách rời nhau thì cảmbiến từ sẽ phát ra tín hiệu RF (315Mhz, 433Mhz) đến các thiết bị cảnh báo nhưđèn phát sáng hay chuông báo động

II.THÍ NGHIỆM TÁC DỤNG TỪ CỦA DÒNG ĐIỆN - TỪ TRƯỜNG

1 Dòng điện sinh ra từ trường:

* Khi tiến hành thí nghiệm với dây dẫn AB có hình dạng bất kì thì cũng xảy

ra hiện tượng tương tự thí nghiệm trên

Kết luận: Dòng điện chạy qua dây dẫn thẳng hay dây dẫn có hình dạng bất

kỳ đều gây ra tác dụng lực (gọi là lực từ) lên kim nam châm đặt gần nó Ta nóirằng dòng điện có tác dụng từ và dòng điện sinh ra từ trường xung quanh nó

Hình 18: Thí nghiệm Ơtet

2 Từ trường và cách nhận biết

* Thí nghiệm:

− Đưa kim nam châm lại gần nam châm khác hoặc dây dẫn có dòng điện chạyqua thì kim nam châm bị lệch khỏi vị trí cân bằng Dịch chuyển kim namchâm đến các vị trí xung quanh thì cũng quan sát thấy hiện tượng tương tụ

− Tại mỗi vị trí đó, kim nam châm đều chỉ hướng xác định, nếu dịch chuyểnnhẹ kim thì kim lại quay về vị trí xác định đó

 Như vậy: Không gian xung quanh nam châm hay dòng điện có khả năng tácdụng từ lên kim nam châm đặt trong nó.Ta nói trong không gian đó có từtrường