Bài giảng vật lý đại cương A2 (Cảm ứng điện từ)

1
1. Hiệntượng cảm ứng điệntừ
2. Hiệntượng tự cảm
3. Năng lượng từ trường
CHƯƠNG 5 –
CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ
2
1. Hiệntượng cảm ứng điệntừ
Michael Faraday (1791-1867)
Thí nghiệm Faraday
v
r
N
S
v
r
v
r
'B
r
'B
r
S
N
S
N
I
I
v
r
v

r
'B
r
'B
r
S
N
S
N
I
I
3
1. Hiệntượng cảm ứng điệntừ
Thí nghiệm Faraday
Michael Faraday (1791-1867)
v
r
'B
r
B
r
Tăng dần
B
r
thay đổi
II
4
1. Hiệntượng cảm ứng điệntừ
) Dòng cảm ứng xuấthiện trong mạch
kín là kếtquả của quá trình biến đổitừ

thông qua mạch đó.
) Dòng cảm ứng chỉ tồntạitrongthời
gian từ thông gửi qua mạch thay đổi.
) Cường độ dòng cảm ứng tỉ lệ thuận
vớitốc độ biến đổicủatừ thông.
) Chiều dòng cảm ứng phụ thuộcvào
từ thông gửi qua mạch tăng hay giảm.
Thí nghiệm Faraday
Michael Faraday (1791-1867)
5
Định luậtLenz
Heinrich Lenz
(1804-1865)
) Nội dung: Dòng cảm ứng có chiều
sao cho từ trường do nó sinh ra chống
lạisự biến thiên củatừ thông sinh ra nó.
1. Hiệntượng cảm ứng điệntừ
) Áp dụng:
'B
r
S
N
S
N
v
r
I
C
B’
B

ª Khi cựcBắc(N) tiến vào vòng dây
⇒ từ thông
Φ
m
do từ trường B củanam
châm gửiqua cuộn dây có chiềutừ trên
xuống và tăng dần ⇒ xuấthiện dòng
cảm ứng I
C
⇒ tạoraB’cảm ứng ngược
chiềuB ⇔ từ thông
Φ
’
m
củaB’chống
lạisự tăng của
Φ
m
⇒ xác định chiều Ic.
v
r
S
N
I
C
B’
B
ª Rút thanh nam ra khỏi vòng dây ⇒
hiệntượng ngượclại.
6

Sức điện động cảm ứng
ª Vòng dây dẫn kín di chuyển trong B
1. Hiệntượng cảm ứng điệntừ
ª Công củatừ lực để di chuyển vòng dây: dA = I
c
. d
Φ
m
ª Biếnthiêntừ thông gửi qua vòng
dây trong thờigiandt: d
Φ
m ⇒ dòng
cảm ứng I
c
⇔ xuấthiệnmộtnguồn
điệncảm ứng hay s.đ.đ cảm ứng
E
c
.
ª Theo đ/l Lenz: từ lựctácdụng lên I
c
ngăncảnsự di chuyển
của vòng dây (là nguyên nhân sinh ra I
c
) ⇒ công cản:
dA’= -dA= - I
c
. d
Φ
m

) Định luậtcơ bảncủahiệntượng
cảm ứng điệntừ
7
ª Sức điện động cảm ứng trong mộtmạch kín bấtkỳ bằng về trị
số nhưng khác dấuvớitốc độ thay đổicủatừ thông qua mạch.
ª Nếutừ thông gửi qua diệntíchmạch kín giảmtừ giá trị
Φ
m
về 0:
ttdt
d
mmm
C
Δ
Φ
=
Δ
Φ
−
−=
Φ
−=
0
E
⇒
Φ
m
=
E
c

.
Δ
t
ª Webe là từ thông gây ra trong một vòng dây dẫn bao quanh
nó mộtsức điện động cảm ứng bằng 1 V khi từ thông đógiảm
đềuxuống giá trị 0 trong thờigian1 s
ª Theo đ/l bảotoànnăng lượng: dA’ chuyển thành NL của I
c
⇒
dA’ = -I
c
. d
Φ
m
=
E
c
.I
c
.dt (NL của I
c
)
dt
d
m
C
Φ
−=
E
Sức điện động cảm ứng

1. Hiệntượng cảm ứng điệntừ
ª Với
Δ
t = 1 s,
E
c
= 1 V ⇒
Φ
m
= 1 (V) . 1 (s) = 1 Webe (Wb)
) Định luậtcơ bảncủahiệntượng cảm ứng điệntừ
) Định nghĩa đơnvị từ thông
8
Máy phát điện xoay chiều
1. Hiệntượng cảm ứng điệntừ
ª Vị trí ban đầucủa khung
tương ứng góc
α
giữapháp
tuyếnmặtphẳng khung và
B
r
n
r
ª Sau khoảng thờigiant ⇒
vị trí khung ứng với góc:
ϕ
=
ω
t +

α
) Khung dây (N vòng dây)
diệntíchS quay trong từ
trường đều ( ) vớivận
tốcgóc
ω
.
constB =
r
I
C
α
B
r
n
r
O
Chổithan
Cổ góp
ω
r
~
) Từ thông gửi qua khung sau khoảng thờigiant:
Φ
m
= N.B.S.cos
ϕ
= N.B.S.cos(
ω
t+

α
)
9
Máy phát điện xoay chiều
1. Hiệntượng cảm ứng điệntừ
ª Đặt
E
cmax
= N.B.S.
ω
(
)
αω
c
+
=
⇒
t
sin.
maxC
EE
ª Chu kỳ = chu kỳ quay của khung:
ω
2π
T =
) Dòng cảm ứng
ωtsin
R
NBSω
R

E
I
C
c
==
0
max
c
I
R
NBSω
I ==
I
c
= I
0
.sin
ω
t
Đặt:
) Khi khung quay đềutrong
từ trường ⇒ xuấthiện1 s.đ.đ
cảm ứng xoay chiều hình sin
theo đ/l Lenz:
()
αωω
+=−= tsin N.B.S
dt
dΦ
m

C
E
Φ
m
= NB.S.cos
ω
t
ωtNB.S.ωB.S.
C
=
E
Φ
m
,
E
c
,
Vị trí khung dây trong từ trường B
10
Dòng xoáy (dòng Foucault/ eddy current)
1. Hiệntượng cảm ứng điệntừ
Léon Foucault (1819-1868)
) Dòng cảm ứng (có dạng xoáy) xuấthiện
trên bề mặtvậtdẫn khi đặt trong từ trường:
R
I
C
F
E
=

ª Xuấthiệntừ trường riêng
của dòng cảm ứng I
F
Cuộn dây
Từ trường
cuộndây
Dòng xoáy
Từ trường
dòng xoáy
Vậtdẫn
) Hệ quả:
ª Dòng cảm ứng xuấthiện
trên bề mặtvậtdẫnsẽ bị tiêu
tán dướidạng nhiệt ⇒ tiêu hao
năng lượng vô ích ⇒ giảm
hiệusuấtthiếtbị (đặcbiệtvới
các động cơ).
11
1. Hiệntượng cảm ứng điệntừ
) Do có từ trường của dòng cảm ứng xuấthiệntrênbề mặtvật
dẫn ⇒ ứng dụng trong các thiếtbị dò tìm kim loại.
Cửa an ninh (security gate)
Cuộn phát
Cuộnthu
Dòng xoáy
Báo động
Thiếtbị dò mìn (mine detector)
Dòng xoáy
Dòng tạo
từ trường

Dòng cảm
ứng do từ
trường dòng
xoáy
Dòng xoáy (dòng Foucault/ eddy current)
12
2. Hiệntượng tự cảm
Hiệntượng
ª Đóng mạch ⇒ quá trình ngượclại.
ª Dòng tự cảm: dòng điệnsinhratrongmộtmạch điệnkhitừ
thông gửi qua mạch bởi dòng điệncủamạch đó thay đổi.
) Mạch điện:
+ ống dây có lõi sắt
+ Điệnkế (G)
K
G
I
K
G
I
c
ª Ngắtmạch ⇒ từ thông qua
cuộndâygiảmtừ
Φ
m
→ 0:
Xuấthiện dòng cảm ứng I
c
ngượcchiểu dòng ban đầu(đ/l
Lenz) ⇒ kim củaG lệch theo

chiềungượclại.
K
K
K
G
ª Sau khoảng thờigiant ⇒ kim G trở về 0
13
ª Trong mạch điện đứng yên và không thay đổihìnhdạng,
sức điện động tự cảm luôn bằng tốc độ biến thiên cường độ
dòng điện trong mạch.
S.đ.đ tự cảm
2. Hiệntượng tự cảm
Φ
m
∼
B
B
∼
I
Do:
Φ
m
∼
I = L.I
dt
d
m
tc
Φ
−=

E
) Theo đ/l Lenz:
dt
dI
L
dt
LId
tc
−=−=
)(
E
) Đ/v mạch đứng yên và giữ nguyên hình dạng:
(L: Hệ số tự cảm)
14
2. Hiệntượng tự cảm
ª Do
μ
lõi sắtlớn ⇒ đơnvị H lớn ⇒ thựctế chỉ dùng đơnvị
mH = 10
-3
H, hoặc1
μ
H = 10
-6
H
Hệ số tự cảm
l
S
N

v
ò
n
g
) Trường hợp ống dây có lõi sắt:
l
S.n
I.l
S.I.n
I
N.B.S
I
Φ
L
22
00
μμμμ
====
ª Đơnvị : Henry (H),
A
Wb
1
1A
1Wb
1H ==
ª Hlàhệ số tự cảmcủa1 mạch
kín, khi có dòng điệncường độ 1 A
chạy qua mạch đó thì sinh ra trong
chân không, từ thông bằng 1 Wb.
) Định nghĩa đơnvịđohệ số tự cảm(L)

15
Hiệu ứng bề mặt
B
r
) Khi cho dòng điệncaotầnchạy
qua 1 dây dẫn ⇒ dòng tự cảmchỉ
xuấthiện ở bề mặtdâydẫn
2. Hiệntượng tự cảm
ª Dùng dây dẫnrỗng để tải dòng cao tần
ª Kỹ thuật tôi bề mặthợpkimbằng dòng cao tần
) Ứng dụng trong công nghệ
:
ª Tầnsố f = 10
3
Hz ⇒ dòng tự
cảmchạy trong lớpvậtliệubề mặt
~ 2 mm
ª Tầnsố f = 10
5
Hz ⇒ dòng tự cảmchỉ chạy trong lớpvật
liệubề mặt ~ 0,2 mm
16
3. Năng lượng từ trường
i
0
i
0
+ Sức điện động E, dòng i
0
+ Ống dây hệ số tự cảm L

+ Điệntrở R
) Mạch điệncókhóaK:
i
0
K
ª Khi đóng mạch ⇒ i
↑
⇒ B
&
Φ
m
gửi qua L
↑
⇒ i
tc
ngược
chiều i
0
⇒ i = i
0
-i
tc
⇒ NL
nguồn(~ i
0
2
) > NL mạch (~ i
2
).
i

tc
K
i
0
ª Khi ngắtmạch ⇒ i
↓
⇒ B
&
Φ
m
gửi qua L
↓
⇒ i
tc
cùng
chiều i
0
⇒ i = i
0
+ i
tc
⇒ NL
nguồn(~ i
0
2
) < NL mạch (~ i
2
).
i
tc

K
i
0
Năng lượng từ trường củamột ống dây
17
) Áp dụng đ/l Ohm trong quá trình
hình thành dòng điện i:
E + E
tc
= R.i
NL nguồn
NL nhiệt
NL từ trường
2
Ii
0i0
L.I
2
1
L.i.didWW ===⇒
∫∫
=
=
ª NL từ trường khi thiếtlập dòng điệntrongống dây: dW = L.i.di
3. Năng lượng từ trường
Năng lượng từ trường củamột ống dây
dt
di
LR.i +=
E

Hay:
E
idt = R.i
2
dt + L.i.di
ª Nhân 2 vế với idt:
18
3. Năng lượng từ trường
Mật độ năng lượng từ trường
l
2
2
2
0
2
2
0
2
m
I
l
n
μμ
2
1
l.S
I
l
Sn
μμ

2
1
l.S
L.I
2
1
V
W
w
=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
===
ª Mật độ NL từ trường trong ống dây:
I
l
n
μμB
0
=
) Trong ống dây có thể tích: V = l.S
ª Áp dụng cho mọitừ trường bấtkỳ
0
2

m
μμ
B
2
1
w =
(trong ống dây: B = const)
19
3. Năng lượng từ trường
Năng lượng từ trường không gian
) Chia không gian từ trường thành những thể tích vô
cùng nhỏ dV sao cho B = const trong mỗi dV.
ª Năng lượng từ trường trong mỗithể tích dV:
dV
B
dVwdW
mm
0
2
2
1
μμ
==
ª Năng lượng từ trường trong cả không gian:
∫∫
==
V
0
2
1

dV
B
dWW
2
V
mm
μμ
0
μμ
=
B
H
∫
=
V
2
1
BHdVW
m