1

1. Hiện tượng cảm ứng điện từ

2. Hiện tượng tự cảm

3. Năng lượng từ trường

CHƯƠNG 5 –CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ

2

1. Hiện tượng cảm ứng điện từ

Michael Faraday (1791-1867)

Thí nghiệm Faraday

vrN

Svr vr

'Br

'Br

S

N

S

N

I I

vr vr

'Br

'Br

S

N

S

N

I I

3

1. Hiện tượng cảm ứng điện từ

Thí nghiệm Faraday

Michael Faraday (1791-1867)

vr

'Br

Br

Tăng dần

Br

thay đổi

I I

4

1. Hiện tượng cảm ứng điện từ

Dòng cảm ứng xuất hiện trong mạchkín là kết quả của quá trình biến đổi từthông qua mạch đó.

Dòng cảm ứng chỉ tồn tại trong thờigian từ thông gửi qua mạch thay đổi.

Cường độ dòng cảm ứng tỉ lệ thuậnvới tốc độ biến đổi của từ thông.

Chiều dòng cảm ứng phụ thuộc vàotừ thông gửi qua mạch tăng hay giảm.

Thí nghiệm Faraday

Michael Faraday (1791-1867)

5

Định luật Lenz

Heinrich Lenz (1804-1865)

Nội dung: Dòng cảm ứng có chiềusao cho từ trường do nó sinh ra chốnglại sự biến thiên của từ thông sinh ra nó.

1. Hiện tượng cảm ứng điện từ

Áp dụng:

'Br

S

N

S

Nvr

IC

B’B

Khi cực Bắc (N) tiến vào vòng dây⇒ từ thông Φm do từ trường B của namchâm gửi qua cuộn dây có chiều từ trênxuống và tăng dần ⇒ xuất hiện dòngcảm ứng IC ⇒ tạo ra B’ cảm ứng ngượcchiều B ⇔ từ thông Φ’m của B’ chốnglại sự tăng của Φm ⇒ xác định chiều Ic.

vr S

N

IC

B’ BRút thanh nam ra khỏi vòng dây ⇒

hiện tượng ngược lại.

6

Sức điện động cảm ứng

Vòng dây dẫn kín di chuyển trong B

1. Hiện tượng cảm ứng điện từ

Công của từ lực để di chuyển vòng dây: dA = Ic. dΦm

Biến thiên từ thông gửi qua vòngdây trong thời gian dt: dΦm ⇒ dòngcảm ứng Ic ⇔ xuất hiện một nguồnđiện cảm ứng hay s.đ.đ cảm ứng Ec.

Theo đ/l Lenz: từ lực tác dụng lên Ic ngăn cản sự di chuyểncủa vòng dây (là nguyên nhân sinh ra Ic) ⇒ công cản:

dA’ = - dA = - Ic. dΦm

Định luật cơ bản của hiện tượngcảm ứng điện từ

7

Sức điện động cảm ứng trong một mạch kín bất kỳ bằng về trịsố nhưng khác dấu với tốc độ thay đổi của từ thông qua mạch.

Nếu từ thông gửi qua diện tích mạch kín giảm từ giá trị Φm về 0:

ttdtd mmm

C ΔΦ

=ΔΦ−

−=Φ

−=0E ⇒Φm =Ec .Δt

Webe là từ thông gây ra trong một vòng dây dẫn bao quanhnó một sức điện động cảm ứng bằng 1 V khi từ thông đó giảmđều xuống giá trị 0 trong thời gian 1 s

Theo đ/l bảo toàn năng lượng: dA’ chuyển thành NL của Ic

⇒dA’ = -Ic. dΦm = Ec.Ic.dt (NL của Ic) dtd m

CΦ

−=E

Sức điện động cảm ứng1. Hiện tượng cảm ứng điện từ

Với Δt = 1 s, Ec = 1 V ⇒Φm = 1 (V) . 1 (s) = 1 Webe (Wb)

Định luật cơ bản của hiện tượng cảm ứng điện từ

Định nghĩa đơn vị từ thông

8

Máy phát điện xoay chiều

1. Hiện tượng cảm ứng điện từ

Vị trí ban đầu của khungtương ứng góc α giữa pháptuyến mặt phẳng khung và B

rnr

Sau khoảng thời gian t ⇒vị trí khung ứng với góc:

ϕ = ωt + α

Khung dây (N vòng dây) diện tích S quay trong từtrường đều ( ) với vậntốc góc ω .

constB =r

IC

α

Br

nr

O

Chổi than

Cổ góp

ωr

~

Từ thông gửi qua khung sau khoảng thời gian t: Φm = N.B.S.cosϕ = N.B.S.cos(ωt+α)

9

Máy phát điện xoay chiều

1. Hiện tượng cảm ứng điện từ

Đặt Ecmax = N.B.S.ω ( )αωc +=⇒ tsin.maxC EE

Chu kỳ = chu kỳ quay của khung:ω2πT =

Dòng cảm ứng ωtsinR

NBSωR

EI Cc ==

0maxc IR

NBSωI ==Ic = I0.sinωt

Đặt:

Khi khung quay đều trongtừ trường ⇒ xuất hiện 1 s.đ.đcảm ứng xoay chiều hình sin theo đ/l Lenz:

( )αωω +=−= tsin..N.B.Sdt

dΦmCE

Φm = NB.S.cosωtωtNB.S.ωB.S.C =EΦm ,Ec,

Vị trí khung dây trong từ trường B

10

Dòng xoáy (dòng Foucault/ eddy current)1. Hiện tượng cảm ứng điện từ

Léon Foucault (1819-1868)

Dòng cảm ứng (có dạng xoáy) xuất hiệntrên bề mặt vật dẫn khi đặt trong từ trường:

RI C

FE

=

Xuất hiện từ trường riêngcủa dòng cảm ứng IF

Cuộn dâyTừ trườngcuộn dây

Dòng xoáy

Từ trườngdòng xoáy

Vật dẫn

Hệ quả:

Dòng cảm ứng xuất hiệntrên bề mặt vật dẫn sẽ bị tiêután dưới dạng nhiệt ⇒ tiêu haonăng lượng vô ích ⇒ giảmhiệu suất thiết bị (đặc biệt vớicác động cơ).

11

1. Hiện tượng cảm ứng điện từ

Do có từ trường của dòng cảm ứng xuất hiện trên bề mặt vậtdẫn ⇒ ứng dụng trong các thiết bị dò tìm kim loại.

Cửa an ninh (security gate)Cuộn phát

Cuộn thu

Dòng xoáy

Báo động

Thiết bị dò mìn (mine detector)Dòng xoáy

Dòng tạotừ trường

Dòng cảmứng do từtrường dòngxoáy

Dòng xoáy (dòng Foucault/ eddy current)

12

2. Hiện tượng tự cảmHiện tượng

Đóng mạch ⇒ quá trình ngược lại.Dòng tự cảm: dòng điện sinh ra trong một mạch điện khi từ

thông gửi qua mạch bởi dòng điện của mạch đó thay đổi.

Mạch điện:+ ống dây có lõi sắt+ Điện kế (G)

K

GI

K

GIc

Ngắt mạch ⇒ từ thông qua cuộn dây giảm từ Φm → 0: Xuất hiện dòng cảm ứng Icngược chiểu dòng ban đầu (đ/lLenz) ⇒ kim của G lệch theochiều ngược lại.

KKK

G

Sau khoảng thời gian t ⇒ kim G trở về 0

13

Trong mạch điện đứng yên và không thay đổi hình dạng, sức điện động tự cảm luôn bằng tốc độ biến thiên cường độdòng điện trong mạch.

S.đ.đ tự cảm

2. Hiện tượng tự cảm

Φ m∼ B

B ∼ IDo: Φm ∼ I = L.I

dtd m

tcΦ

−=ETheo đ/l Lenz:

dtdIL

dtLId

tc −=−=)(E

Đ/v mạch đứng yên và giữ nguyên hình dạng:

(L: Hệ số tự cảm)

14

2. Hiện tượng tự cảm

Do μ lõi sắt lớn ⇒ đơn vị H lớn ⇒ thực tế chỉ dùng đơn vịmH = 10-3 H, hoặc 1μH = 10-6 H

Hệ số tự cảm

lS

N vòng

Trường hợp ống dây có lõi sắt:

lS.n

I.lS.I.n

IN.B.S

IΦL

2200 μμμμ

====

Đơn vị : Henry (H),A

Wb11A

1Wb1H ==

H là hệ số tự cảm của 1 mạchkín, khi có dòng điện cường độ 1 A chạy qua mạch đó thì sinh ra trongchân không, từ thông bằng 1 Wb.

Định nghĩa đơn vị đo hệ số tự cảm (L)

15

Hiệu ứng bề mặt

Br

Khi cho dòng điện cao tần chạyqua 1 dây dẫn ⇒ dòng tự cảm chỉxuất hiện ở bề mặt dây dẫn

2. Hiện tượng tự cảm

Dùng dây dẫn rỗng để tải dòng cao tần

Kỹ thuật tôi bề mặt hợp kim bằng dòng cao tần

Ứng dụng trong công nghệ:

Tần số f = 103 Hz ⇒ dòng tựcảm chạy trong lớp vật liệu bề mặt~ 2 mm

Tần số f = 105 Hz ⇒ dòng tự cảm chỉ chạy trong lớp vậtliệu bề mặt ~ 0,2 mm

16

3. Năng lượng từ trường

i0 i0

+ Sức điện động E, dòng i0

+ Ống dây hệ số tự cảm L+ Điện trở R

Mạch điện có khóa K: i0K

Khi đóng mạch ⇒ i ↑ ⇒ B& Φm gửi qua L ↑ ⇒ itc ngượcchiều i0 ⇒ i = i0 - itc ⇒ NL nguồn (~ i0

2) > NL mạch (~ i2).

itc

Ki0

Khi ngắt mạch ⇒ i ↓ ⇒ B& Φm gửi qua L ↓ ⇒ itc cùngchiều i0 ⇒ i = i0 + itc ⇒ NL nguồn (~ i0

2) < NL mạch (~ i2).

itc

Ki0

Năng lượng từ trường của một ống dây

17

Áp dụng đ/l Ohm trong quá trìnhhình thành dòng điện i:

E + Etc = R.i

NL nguồn NL nhiệt NL từ trường

2Ii

0i0

L.I21L.i.didWW ===⇒ ∫∫

=

=

NL từ trường khi thiết lập dòng điện trong ống dây: dW = L.i.di

3. Năng lượng từ trườngNăng lượng từ trường của một ống dây

dtdiLR.i +=EHay:

E idt = R.i2dt + L.i.diNhân 2 vế với idt:

18

3. Năng lượng từ trường

Mật độ năng lượng từ trường l

22

2

0

22

02

m

Ilnμμ

21

l.S

IlSnμμ

21

l.S

L.I21

VWw

=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

===

Mật độ NL từ trường trong ống dây:

IlnμμB 0=

Trong ống dây có thể tích: V = l.S

Áp dụng cho mọi từ trường bất kỳ

0

2

m μμB

21w = (trong ống dây: B = const)

19

3. Năng lượng từ trườngNăng lượng từ trường không gian

Chia không gian từ trường thành những thể tích vôcùng nhỏ dV sao cho B = const trong mỗi dV.

Năng lượng từ trường trong mỗi thể tích dV:

dVBdVwdW mm0

2

21μμ

==

Năng lượng từ trường trong cả không gian:

∫∫ ==V 02

1 dVBdWW2

Vmm μμ

0μμ=

BH ∫=V2

1 BHdVWm