Tài liệu Chương 10: Cảm ứng điện từ ppt

Định luật cảm ứng của FaradayVòng dây chỉ có suất điện động cảm ứng khi số đường sức từ đi qua vòng dây đó thay đổi.. Vậy “cái gì đó” thay đổi để sinh một sức điện động cảm ứng trong vòn

Chương 10

Hi ện tượng cảm ứng điện từ

1 Hai thí nghiệm của Faraday

1 Hai thí nghiệm của Faraday

Hi ện tượng cảm ứng điện từ

1 Khi đưa nam châm

lại gần vòng dây

2 Giữ vòng dây và

nam châm đứng yên, không có dòng điện qua Ampe kế

3 Đưa nam châm ra

xa vòng dây

Hi ện tượng cảm ứng điện từ

Như vậy ta thấy, chỉ khi “có cái gì” đó thay đổi thì mới có suất điện động cảm ứng Ở

trạng thái tĩnh, không có vật nào di chuyển, và dòng điện là không đổi thì không có sức điện động cảm ứng

Vậy ta thấy rằng điều then chốt ở đây là

“sự thay đổi” Thế nhưng câu hỏi đặt ra là “cái

gì đó” phải thay đổi để sinh một suất điện

động cảm ứng là cái gì?

Hi ện tượng cảm ứng điện từ

Định luật cảm ứng của Faraday

Vòng dây chỉ có suất điện động cảm ứng khi

số đường sức từ đi qua vòng dây đó thay đổi

Vậy “cái gì đó” thay đổi để sinh một sức

điện động cảm ứng trong vòng dây chính là số đường sức từ đi qua vòng dây đó Và “sự thay đổi” chính là “sự biến thiên” của số đường sức

từ đi qua vòng dây Và chính tốc độ biến thiên của đường sức từ quyết định độ lớn của sức

điện động cảm ứng

Định luật cảm ứng của Faraday

Khảo sát định lượng

Xét một diện tích giới hạn bởi một vòng dây dẫn kín Số đường sức từ đi qua diện tích này được biểu diễn bằng từ thông φB đi qua diện tích đó

φ = ∫ r ×uur

Định luật phát biểu như sau

Suất điện động cảm ứng trong một vòng dây dẫn

bằng nhưng trái dấu với tốc độ biến thiên theo thời gian của từ thông qua vòng dây đó.

Định luật cảm ứng của Faraday

Nghĩa là ta có thể viết như sau

B

ddt

2 Định luật Faraday

Định luật Faraday cho trường

hợp ống dây có nhiều vòng

Cái gì đó thay đổi theo thời gian

Định luật cảm ứng của Faraday

Hiện tượng cảm ứng điện từ

1 Sự biến đổi của từ thông qua mạch kín là

nguyên nhân sinh ra dòng điện cảm ứng

2 Dòng điện cảm ứng chỉ tồn tại trong mạch

khi từ thông gửi qua mạch thay đổi

3 Cường độ dòng điện cảm ứng tỉ lệ thuận với

tốc độ biến đổi của từ thông

4 Chiều của dòng điện cảm ứng phụ thuộc vào

từ thông gửi qua mạch tăng hay giảm

Kết luận

Vậy, hiện tượng xuất hiện dòng điện trong mạch kín khi từ thông qua mạch biến thiên gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ Dòng điện trong mạch gọi là dòng điện cảm ứng.

1 Định luật Lenz

Định luật Lenz

Ba năm sau khi Faraday phát hiện định luật cảm ứng Heinrich Friendrich Lenz đưa ra qui tắc để xác định chiều của dòng điện cảm ứng trong vòng dây gọi là định luật Lenz

Dòng điện cảm ứng xuất hiện trong một vòng dây dẫn kín có chiều sao cho nó chống lại sự thay đổi của tác nhân đã sinh ra nó

Chiều của ngón tay cái là chiều của từ trường cảm ứng.

Định luật Lenz

Hai cách giải thích cho thí nghiệm thứ nhất

Cách giải thích thứ nhất:

Vì dòng điện trong vòng dây sinh ra một từ

trường nên nó cũng có cực bắc và nam Nếu

vòng dây 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 thanh nam châm phải là cực bắc Áp dụng qui tắc bàn tay phải cho vòng dây Khi đó chiều dòng điện phải

ngược chiều kim đồng hồ khi ta nhìn vòng dây

từ phía thanh nam châm

Định luật Lenz

Định luật Lenz

Cách giải thích thứ hai

Vì khi ta đưa thanh nam châm đến gần vòng

dây là làm tăng từ thông qua vòng dây Dòng

điện cảm ứng trong vòng dây chống lại sự thay

đổi này bằng cách thiết lập từ trường B i của

chính nó, để chống lại sự tăng của thông lượng

Như vậy từ Trường B i phải hướng ngược chiều với từ thông sinh bởi nam châm Cũng bằng qui tắc bàn tay phải ta xác định được chiều của

dòng điện cảm ứng trong vòng dây

Định luật Lenz

Lưu ý: Từ trường cảm ứng không chống lại từ trường của thanh nam châm Nó chỉ chống lại

sự thay đổi của từ thông qua nó Và nếu ta kéo thanh nam chân ra xa, từ thông qua vòng dây sẽ giảm Từ trường cảm ứng ứng lúc này sẽ chống lại sự giảm của từ thông bằng cách làm cho từ trường mạnh lên Chiều của dòng điện tạo ra tác dụng ấy sẽ cùng chiều với kim đồng hồ nếu ta nhìn vòng dây từ phía thanh nam châm

Định luật Lenz

Thử đặt giả thiết xem nếu như dòng điện cảm ứng ủng hộ tác nhân đã sinh ra nó thì điều gì

sẽ xảy ra?

Như vậy nghĩa là trong trường hợp khi ta đẩy cực bắc của nam châm lại gần vòng dây, thì mặt này của vòng dây lại xuất hiện cực nam

Định luật Lenz và sự bảo toàn năng lượng

Và nếu là như vậy thì lúc đầu nam châm đang đứng yên, ta chỉ cần đẩy nó rất nhẹ  nó bắt đầu chuyển động và chuyển động này tự duy trì nam châm sẽ được gia tốc về phía vòng dây và nó sẽ nhận thêm động năng trong quá trình này Trong khi đó trong vòng dây cũng tỏa ra nhiệt lượng (do vòng dây có điện trở  hiệu ứng Jun-lenx)

Định luật Lenz và sự bảo toàn năng lượng

Như vậy rõ ràng là từ hư vô ta có thể thu

được một cái gì đó !?!

Định luật Lenz và sự bảo toàn năng lượng

Định luật Lenz không

gì khác là sự phát biểu

nguyên lý bảo toàn

năng lượng dưới dạng

thích hợp cho việc áp

dụng với các mạch

điện có dòng điện cảm

ứng chạy qua

Như vậy ta thấy rằng: cho dù ta cố gắng đẩy

nam châm theo chiều nào ta cũng luôn vấp phải một lực chống đối, và như thế ta phải thực hiện một công Theo nguyên lý bảo toàn năng lượng, công này đúng bằng nhiệt năng xuất hiện trong

vòng dây vì chỉ có hai dạng năng lượng chuyển hóa lẫn nhau trong hệ cô lập này (thực chất ở

đây ta đã coi năng lượng mất đi dưới dạng bức

xạ là không đáng kể).

Thật ra, theo định luật Faraday

Định luật Lenz và sự bảo toàn năng lượng

B

ddt

φ

ξ = −

Có nghĩa là năng lượng tích trữ trong từ trường

Định luật Lenz và sự bảo toàn năng lượng

B

ddt

φ

Đã chuyển thành năng lượng điện trường ξ

trong vòng dây và do vòng dây có điện trở

 nhiệt năng do hiệu ứng Jun-Lenx

Đặt một vòng dây đồng bán kính r vào trong một từ trường đều Trường này choán đầy

một thể tích hình trụ bán kính R Giả sử tăng cường độ từ trường với tốc độ không đổi 

từ thông qua vòng dây tăng với tốc độ không đổi  dòng điện và sức điện động cảm ứng xuất hiện trên vòng dây Từ định luật Lenz

 chiều dòng điện cảm ứng theo chiều

ngược kim đồng hồ Như mô tả trên hình vẽ

Điện trường cảm ứng

Một điện trường được tạo ra trong một vòng

dây dẫn là kết quả của việc biến đổi từ thông

Định luật Faraday

Công dịch chuyển

q đi hết một vòng

Sự tồn tại của điện trường không phụ thuộc vào việc

có hay không sự hiện diện của bất kỳ một điện tích thử nào.

Như vậy, một điện trường vẫn tồn tại cho dù không có mặt vòng dây dẫn

Điện trường cảm ứng

Vì trên dây đồng có dòng điện

 tại mỗi điểm trên vòng dây

có điện trường do sự thay đổi của từ thông sinh ra Điện

trường cảm ứng này cũng có thực như là điện trường của các điện tích điểm gây ra (chỉ khác

là các đường sức điện trường cảm ứng khép kín)

Điện trường cảm ứng

Bất luận nguồn gốc thế nào các điện trường

đều có tác dụng lực lên các điện tích thử.

Từ đó ta có thể khẳng định một điều rằng:

Một từ trường thay đổi sinh ra một điện trường.

Ngay cả khi không có vòng dây đồng thì

trong vùng không gian tác dụng của từ trường

một điện trường cảm ứng cũng được sinh ra Và các đường sức điện trường do từ trường thay đổi sinh ra ở đây là một họ các đường tròn đồng tâm

Điện trường cảm ứng

Trường điện từ cảm ứng trong một

mạch điện, một cách trực tiếp tỉ lệ với tốc độ biến đổi từ thông qua mạch.

Điện trường cảm ứng

T ừ thông

Điện trường cảm ứng bởi sự thay

đổi của từ trường trong cuộn dây

Điện trường cảm ứng

Nguyên tắc tạo dòng điện xoay chiều

Φm = NBScos α = NBScos( ω t + ϕ )

AC Generator

Nguyên tắc tạo dòng điện một chiều

Direc Generator

Suất điện động cảm ứng

Suất điện động trong một thanh dẫn điện

dịch chuyển ngang qua từ trường đều

Các điện tích bị đẩy về hai đầu của thanh dưới tác dụng của lực từ hình thành nên một điện trường trong thanh

Xuất hiện sự chênh lệch điện thế giữa hai đầu thanh ngay khi thanh dịch chuyển liên tục qua từ trường đều

Từ thông

Định luật Faraday

Dịch chuyển chống lại chuyển động của thanh

Định luật bảo toàn đòi hỏi

Suất điện động cảm ứng

Dòng điện Foucault

→

B

Dòng điện Foucault

Ta thấy rằng khi tấm kim loại ở

vị trí thứ nhất, nó dang di

chuyển ngang qua từ trường khi

đó từ thông xuyên qua diện tích

bề mặt tấm kim loại đang

tăng xuất hiện dòng điện cảm

ứng theo định luật Lenz có

chiều ngược chiều kim đồng hồ

như hình vẽ Khi nó di chuyển

về vị trí 2 từ thông qua nó đang

giảm  xuất hiện dòng điện

theo chiều kim đồng hồ Lực từ

tác dụng lên tấm kim loại tại hai

vị trí có chiều như hình vẽ.

Dòng điện Foucault

Ứng dụng của dòng Foucault

Làm phanh đi n ệ

cho tàu hoả

Hình vẽ cho thấy một phanh điện từ sử dụng

dòng Faucault Một nam châm điện được treo trên toa xe lửa gần với đường ray Để dừng toa

xe, người ta cấp cho cuộn dây của nam châm điện một dòng rất lớn Sự dịch chuyển của nam châm điện làm cảm ứng các dòng Faucault trên thanh ray Các trường này chống lại sự thay đổi của trường bên trong nam châm điện Các từ

trường sinh bởi các dòng Faucault tác dụng lực lên dòng điện trong nam châm vì thế nó làm

cho toa tàu chậm lại

Máy bán hàng tự động

Một việc đơn giản như là mua một cái bánh từ một máy bán hàng

tự động có sử dụng dòng Faucault được mô tả trên hình vẽ Sau khi ta cho tiền vào máy, đồng kênh sẽ bị chận lại ngay lập tức Trong lúc đó điện trở của nó sẽ được kiểm tra bằng cách đưa một hiệu điện thế ngang qua nó Nếu điện trở của nó lọt vào vùng cho phép Đồng kênh được tiếp tục di chuyển xuống đoạn dốc bên dưới và đi qua một từ trường Khi đi qua từ trường trên đồng

kênh sẽ xuất hiện các dòng Faucault và lực từ tác động lên nó sẽ làm nó chuyển động chậm lại Sự chuyển động chậm lại của nó phụ thuộc vào thành phần hợp kim của nó Các sensor sẽ đo tốc

độ của nó sau khi nó di chuyển ngang qua các nam châm Tốc độ này sẽ được so sánh với giá trị cho phép Nếu đồng kênh đạt yêu cầu nó sẽ lọt qua khỏi vòng kiểm tra Cổng vào sẽ được mở ra và đồng kênh được chấp nhận Ngược lại, một cổng khác sẽ mở ra

và nó sẽ bị trả ra.

Máy bán hàng t đ ng ự ộ

Hiện tượng tự cảm

Hiện tượng tự cảm

Nhận xét

Khi dòng điện qua mạch biến thiên thì từ thông

do chính dòng điện này gởi qua mạch cũng biến thiên làm trong mạch suất hiện sđđ cảm ứng

Hiện tượng này gọi là hiện tượng tự cảm

Suất điện động tự cảm:

dt

dI L

dt

) LI (

d dt

ξ

Để dò tìm kho báu hoặc dò mìn bị chôn sâu dưới đất Người ta di chuyển một máy dò kim loại trên mặt đất Làm thế nào mà thiết bị này

có thể phát hiện được kim loại bị vùi sâu dưới lớp đất đá dày nhiều centimet ?

Hiện tượng hỗ cảm

Hiện tượng hỗ cảm

Suất điện động hỗ cảm

m hc

ddt

φ

ξ = −

là từ thông của cuộn dây kia gởi qua diên tích của vòng dây đang xét

V Ứng dụng của hiện tượng cưđt

1 Đàn ghi ta điện

Thiết bị khuếch đại có cấu trúc:

Amplifier được nối với một thiết bị bao gồm một cuộn dây quấn quanh một lõi nam châm

Từ trường của nam châm gây sự phân cực

S-N trên đoạn dây đàn nằm sát ngay trên nam châm  khi dây đàn dao động làm cho từ

thông (các đường sức từ tạo bởi dây đàn) qua cuộn dây thay đổi  sinh ra dòng điện cảm ứng trong cuộn dây Vì dây đàn dao động lúc

xa lúc gần cuộn dây  dòng điện trong cuộn dây đổi chiều cùng với tần số dao động của

dây đàn

Ứng dụng của hiện tượng cưđt

Ứng dụng của hiện tượng cưđt

2 Bếp từ

Dòng điện dao động

được đưa vào một cuộn

dây nằm ngay dưới mặt

bếp Từ trường tạo bởi

dòng điện qua cuộn dây