Chương IV. TỪ TRƯỜNG TRONG CHÂN KHÔNG Mục tiêu
7.4. MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ
7.4. 1. Từ thông kế
Từ thông kế là một dụng cụ dùng để đo cảm ứng từ B của từ trường.
185
Ta biết rằng khi từ thông qua mạch kín biến thiên, thì trong mạch xuất hiện dòng điện cảm ứng:
dt dΦ R
1 IERC (7.19)
Trong đó R là điện trở toàn phần của mạch.
Khi từ thông trong mạch giảm đến không thì điện tích dịch chuyển trong mạch có độ lớn bằng:
0
R 1 0
1 dt d
R dt
d Idt R
q
(7.20)
Công thức (7.20) chính là cơ sở để chế tạo ra từ thông kế. Gồm một số vòng dây dẫn phẳng được nối với điện kế xung kích (điện kế xung kích là điện kế mà góc quay của khung tỉ lệ với điện lượng chạy qua khung quay của điện kế).
Để đo cảm ứng từ B tại các điểm khác nhau trong từ trường không đều thì kích thước của cuộn dây phải nhỏ. Khi đó từ thông qua cuộn dây là Φ = NBS trong đó N là số vòng dây, S là diện tích của vòng dây. Sau đó ta thực hiện giảm nhanh từ thông về không. Từ công thức (7.20) ta có thể tính được điện lượng chạy qua điện kế xung:
R aB NBS R
qΦ (7.21)
Hình 7.6.Từ thông kế Trong đó
R
aNB là hằng số của dụng cụ mà ta đã biết. Nhờ điện kế xung ta đo được điện lượng q và từ công thức ta xác định được cảm ứng từ B
7.4. 2.Nguyên tắc của máy phát điện dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ
B
S
Điện kế xung kích
Ta xét một khung dây dẫn N vòng quay đều với vận tốc góc ω quanh trục OO’ trong một từ trường đều B như hình vẽ.
Giả sử ở thời điểm t = 0 các đường cảm ứng từ vuông góc với mặt phẳng khung và cùng chiều với vectơ pháp tuyến dương n của mặt khung. Do đó Φ = NBS > 0.
Đến thời điểm t khung đã quay được một góc (bằng ωt). Từ thông qua khung là:
NBScosωB Φ
Do vậy suất điện động cảm ứng xuất hiện trong khung là :
t sin
t NBSsin dt
dΦ
0 C
E
E
(7.22)
Như vậy là suất điện động cảm ứng biến thiên theo quy luật hình sin và dòng điện do nó sinh ra là dòng điện xoay chiều.
Tiết 41
7.5. DÒNG ĐIỆN FOUCAULT. HIỆU ỨNG BỀ MẶT 7.5.1. Dòng điện Foucault
Người ta đã chứng minh được rằng khi một khối vật dẫn chuyển động trong từ trường hoặc chúng được đặt trong từ trường biến thiên thì trong khối vật dẫn đó cũng có dòng điện cảm ứng. Người ta gọi dòng điện cảm ứng đó là dòng Foucault (do nhà bác học Foucault người Pháp phát hiện ra).
Khối vật dẫn thường có điện trở nhỏ do đó theo công thức xác định dòng điện Foucault trong khối vật dẫn
I ERC
F thì ta thấy rằng dòng điện cảm ứng 187
ω B
n
a)
2
3
2
2
EC
Hình 7.7 a và b
xuất hiện trong khối vật dẫn là khá lớn. Mặt khác như ta đã biết thì dòng điện cảm ứng còn phụ thuộc vào tốc độ biến thiên của từ trường qua khối vật dẫn đó nên nếu tốc độ biến thiên này càng nhanh thì dòng điện cảm ứng xuất hiện càng mạnh
Có nhiều thí nghiệm chứng tỏ sự tồn tại của dòng điện Foucaul. Chẳng hạn như có một bánh xe có thể quay xung quanh trục của nó. Nếu không có từ trường thì bánh xe quay bình thường, nhưng khi cho bánh xe vào trong từ trường (do nam chẩm tạo ra) thì bánh xe quay chậm lại và bị hãm dừng lại.
Ví dụ thứ hai là một con lắc đơn gồm một tấm kim loại được gắn vào dây treo cho dao động giữa hai cực của một nam châm điện. Khi ngắt khoá nam châm điện thì con lắc đơn dao động khá lâu và bị tắt dần rất chậm. Nếu đóng khoá nam châm điện ta thấy chuyển động của con lắc bị tắt rất nhanh gần như là tức thời.
Ta có thể giải thích các hiện tượng trên như sau: Khi cho vật dẫn chuyển động trong môi trường có từ trường thì trong vật dẫn sẽ xuất hiện dòng điện cảm ứng. Theo định luật Lenz thì chiều của dòng điện cảm ứng sinh ra sẽ có chiều sao cho từ trường mà nó sinh ra chống lại nguyên nhân đã sinh ra nó (trong trường hợp này đó là sự chuyển động của vật dẫn trong từ trường) và do vậy trên các vật dẫn xuất hiện lực làm cản trở chuyển động của chúng và người ta gọi lực này là lực hãm điện từ.
Các ứng dụng của dòng điện Foucault trong thực tế:
Tác dụng hãm các vật dẫn chuyển động trong từ trường của dòng Foucault dược ứng dụng rộng rãi trong nhiều dụng cụ đo điện - từ, như trong các máy đếm điện năng, các máy đo vận
tốc, các bộ phận hãm dao động trong các máy đo, máy phanh điện từ của những ô tô vận tải cỡ lớn.
Tuy nhiên dòng Foucault cũng có tác dụng toả nhiêt Joule.
188
I
S
B
C I
S
B
C
Tính chất này được ứng dụng trong các lò cảm ứng để nấu chảy kim loại và sản xuất hợp kim trong chân không (nhờ đó hợp kim tránh được tác dụng bị ôxi hoá trong không khí).
Trong nhiều trường hợp dòng điện Foucault gây ra tác hại và làm hao phí năng lượng do sự đốt nóng của nó (trong máy biến thế điện, động cơ điện, máy phát điện…) lõi sắt của nó chịu tác dụng của trừ trường biến đổi nên bị nóng lên do tác dụng của dòng điện Foucault. Kết quả là có một phần năng lượng bị hao phí và hiệu suất của các dụng cụ điện bị giảm đi.
Để giảm tác dụng không mong muốn này người ta không để nguyên cả khối kim loại đúc thành lõi mà dùng nhiều lá kim loại mỏng sơn cách điện ghép lại với nhau. Mỗi lá kim loại này có bề dày nhỏ nên có điện trở lớn. Như vậy dòng Foucault chỉ xuất hiện trong từng lá và cường độ của nó cũng giảm đi rất nhiều so với trường hợp để nguyên cả khối vật dẫn.
7.5. 2. Hiệu ứng bề mặt
Dòng điện tự cảm không chỉ xuất hiện trong mạch điện như đã xét trong bài trước mà còn xuất hiện trong lòng một dây dẫn điện có dòng điện biến đổi đi qua.
Thí nghiệm chứng tỏ rằng khi cho một dòng điện có tốc độ biến thiên lớn (có tần số lớn) chạy qua một dây dẫn thì do hiện tượng tự cảm dòng điện đó không chạy trong lòng dây dẫn mà chỉ chạy ở mặt ngoài của dây dẫn. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng bề mặt (skin effect)
Giải thích hiệu ứng bề mặt:
Giả sử dòng điện cao tần đang đi từ dưới lên trên như trong hình (7.8) Dòng điện này sinh ra trong lòng dây dẫn một từ trường có chiều như trong hình vẽ. Vì dòng điện biến đổi nên từ trường mà nó tạo ra cũng biến đổi và do vậy nếu ta xét một diện tích S (phần gạch chéo trong hình ) thì thấy rằng từ thông gửi qua diện tích đó thay đổi và do đó sẽ làm xuất hiện một dòng điện khép kín trong diện tích S như trong hình.a
189
T 4
T 2 I trong
I ngoài 3 4
T
Cao Hình 7.9tần
Trong 1/4 chu kỳ đầu giả sử cường độ dòng điện đang tăng. Do vậy từ thông gửi qua diện tích S cũng tăng lên và do đó theo định luật Lenz thì dòng điện cảm ứng sinh ra sẽ có chiều chống lại sự tăng này và do đó nó sẽ có chiều như trong hình (7.8 a). Ở bề mặt dây dẫn dòng cảm ứng cùng chiều với chiều của dòng điện trong lòng dây nên nó làm cho dòng điện cao tần này tăng lên.
Ngược lại ở trong lòng dây dẫn thì dòng điện cảm ứng ngược chiều với chiều của dòng điện cao tần và do đó nó làm giảm bớt dòng điện này.
Trong 1/4 chu kì tiếp theo cường độ dòng điện cao tần giảm, với lý luận tương tự ta cũng thấy rằng dòng điện cao cường độ dòng điện cao tần I giảm xuống. Lý luận tương tự ta cũng thấy dòng điện tự cảm có chiều ngược lại, ngược với chiều dòng điện cao tần ở bề mặt của dây dẫn làm cho dòng điện này giảm nhiều hơn. Mặt khác nó lại cùng chiều với dòng điện trong lòng dây dẫn do đó nó làm cho dòng điện này giảm ít hơn (có giá trị nhỏ)
Tần số dòng điện càng lớn nghĩa là dòng điện biến thiên càng nhanh thì tác dụng của dòng điện tự cảm trên dây càng mạnh phần dòng điện trong ruột càng giảm và khi tần số của dòng điện rất lớn
thì dòng điện chỉ chạy trên bề mặt rất mỏng của dây dẫn. Thực nghiệm đã chứng minh được rằng khi tần số của dòng điện khoảng 1000Hz thì dòng điện chỉ chạy ở lớp bề mặt dày 2mm của dây dẫn, còn với tần số là 100000 Hz thì dòng điện chỉ chạy ở lớp bề mặt dày 0.2mm. Do vậy trong thực tế khi sử dụng dòng điện cao thế thì người ta sử dụng dây kim loại rỗng để tiết kiệm vật liệu.
Ứng dụng của hiệu ứng bề mặt là dung để tôi kim loại ở lớp bề mặt. Đối với một số loại máy móc cần có yêu cầu kĩ thuật là bề mặt phải thật cứng nhưng bên trong vẫn cần có độ dẻo thích hợp.Phương pháp là cho một dòng điện cao
tần chạy qua một cuộn dây điện bên trong có đặt chi tiết máy cần tôi. Dòng điện cao tần sinh ra trong chi tiết máy những dòng điện cảm ứng biến đổi với tần số cao. Do hiện tượng tự cảm những dòng điện này chỉ chạy ở lớp bề mặt của chi tiết máy. Khi lớp bề mặt đạt đến độ cứng cần thiết ta nhúng chi tiết vào nước sôi như vậy ta đã được một lớp mặt ngoài cứng còn bên trong chi tiết vẫn dẻo.