Bài giảng - Cảm ứng điện từ

Chương V Nội Dung Hiện tượng cảm ứng điện từ là gì? Các định luật cơ bản. Ứng Dụng của hiện tượng cảm ứng điện từ. Hiện tượng cảm ứng điện từ 1. Hai thí nghiệm của Faraday 1. Hai thí nghiệm của Faraday Hiện tượng cảm ứng điện từ Khi đưa nam châm lại gần vòng dây. Giữ vòng dây và nam châm đứng yên, không có dòng điện qua Ampe kế. Đưa nam châm ra xa vòng dây. Hiện 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? Hiện 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 B đi qua diện tích đó 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 Nếu tốc độ biến thiên từ thông tính bằng Vebe/s thì sức điện động cảm ứng là V. Nếu cuộn dây có N vòng dây 2. Định luật Faraday Định luật Faraday cho trường hợp ống dây có nhiều vòng Suất điện cảm Từ thông Cái gì đó thay đổi theo thời gian Định luật cảm ứng của Faraday Hiện tượng cảm ứng điện từ Sự biến đổi của từ thông qua mạch kín là nguyên nhân sinh ra dòng điện cảm ứng. Dòng điện cảm ứng chỉ tồn tại trong mạch khi từ thông gửi qua mạch thay 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 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 Lenzt Định luật Lenzt 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 Lenzt 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 Lenzt Định luật Lenzt 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 Bi của chính nó, để chống lại sự tăng của thông lượng. Như vậy từ Trường Bi 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 Lenzt 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 Lenzt 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 Có nghĩa là năng lượng tích trữ trong từ trường Định luật Lenz và sự bảo toàn năng lượng Đã chuyển thành năng lượng điện trường  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 Từ 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 m = NBScos = NBScos(t + ) 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 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 điện 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 tự động 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: 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 là từ thông của cuộn dây kia gởi qua diên tích của vòng dây đang xét Dễ thấy rằng Hiện tượng hỗ cảm Người ta chứng minh được rằng độ hỗ cảm M21 = M12 = M [H] Do đó suất điện động hỗ cảm xuất hiện trong vòng dây thứ hai là Và suất điện động hỗ cảm xuất hiện trong vòng dây thứ nhất là V. Ứng dụng của hiện tượng cưđt 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 sẽ dao động  sinh dòng điện cảm ứng dao động trong chảo. Vì chảo có điện trở lớn  năng lượng điện  năng lượng nhiệt. (thật ra chính điện trở của thức ăn trong chảo tự làm cho nó nóng lên)