CHƯƠNG
15 :    HIỆN TƯỢNG CẢM
ỨNG ÐIỆN TỪ

 

 Năm
1831, Faraday đã chứng tỏ bằng thực nghiệm rằng từ trường có
thể sinh ra dòng điện. Thực vậy, khi cho từ thông gửi qua một
mạch kín thay đổi thì trong mạch xuất hiện một dòng điện. Dòng
điện đó được gọi là dòng điện cảm ứng. Hiện tượng đó
được gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ.

I. CÁC ÐỊNH LUẬT VỀ HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG ÐIỆN TỪ.

          
1. Thí nghiệm Faraday

TOP

–
Nếu rút thanh nam châm ra, dòng điện cảm ứng có chiều ngược
lại (hình 15.1b)

–
Di chuyển thanh nam châm càng nhanh, cường độ dòng điện cảm
ứng Ic càng lớn.

–
Giữ thanh nam châm đứng yên so với ống dây, dòng điện cảm
ứng sẽ bằng không.

–
Nếu thay nam châm bằng một ống dây có dòng điện chạy qua, rồi
tiến hành các thí nghiệm như trên, ta cũng có những kết quả tương
tự.

Từ
các thí nghiệm đó, Faraday đã rút ra những kết luận sau đây:

a.
Từ thông gửi qua mạch kín biến đổi theo thời gian là nguyên nhân
sinh ra dòng điện cảm ứng trong mạch đó.

b.
Dòng điện cảm ứng chỉ tồn tại trong thời gian từ thông gửi
qua mạch kín biến đổi.

c.
Cường độ dòng điện cảm ứng tỉ lệ thuận với tốc độ
biến đổi của từ thông.

d.
Chiều của dòng điện cảm ứng phụ thuộc vào sự tăng hay giảm
của từ thông gửi qua mạch.

          

2 Ðịnh luật Lenz.

TOP

Ðồng
thời với Faraday, Lenz cũng nghiên cứu hiện tượng cảm ứng điện
từ và đã tìm ra định luật tổng quát giúp ta xác định chiều
của dòng điện cảm ứng, gọi là định luật Lenz. Nội dung định
luật như sau: Dòng điện cảm ứng phải có chiều sao cho từ trường
do nó sinh ra có tác dụng chống lại nguyên nhân sinh ra nó

Ðiều
nầy có nghĩa là khi từ thông qua mạch tăng 
lên, từ trường cảm ứng sinh ra có tác dụng chống lại
sự tăng của từ thông: từ trường cảm ứng sẽ ngược chiều
với từ trường ngoài. Nếu từ thông qua mạch giảm, từ trường
cảm ứng (do dòng điện cảm ứng sinh ra nó) có tác dụng chống
lại sự giảm của từ thông, lúc đó từ trường cảm ứng sẽ cùng
chiều với từ trường ngoài.

Dưới
đây, ta hãy vận dụng định luật đó để xác định chiều của
dòng điện  cảm ứng trong trường
hợp ở trên (hình 15.1a), Cực Bắc của thanh nam châm di chuyển vào
trong lòìng ống dây làm cho từ thông ( 
gửi qua ống dây tăng lên. Theo định luật Lenz, dòng điện 
cảm ứng phải sinh ra từ trường ngược chiều với từ trườngĠcủa
thanh nam châm để từ thông Fc 
sinh ra có tác dụng làm giảm sự tăng của  là nguyên nhân
sinh ra nó. Muốn vậy dòng điện  cảm
ứng phải có chiều như trên hình vẽ.

Bằng
lí luận ta nhận thấy nếu dịch chuyển cực Bắc của thanh nam châm
ra xa ống dây, dòng điện cảm ứng xuất hiện trong mạch sẽ có
chiều ngược với chiều của dòng điện 
cảm ứng trong trường hợp trên (Hình 15.1b).

Như
vậy, theo định luật Lenz, dòng điện 
cảm ứng bao giờ cũng có tác dụng chống lại sự dịch
chuyển của thanh nam châm. Do đó, để dịch chuyển thanh nam châm,
ta phải tốn công. Chính công mà ta tốn được biến thành điện
năng của dòng điện  cảm
ứng.

          

3
Ðịnh luật cơ bản của hiện tượng cảm ứng điện từ.

TOP

Sự
xuất hiện của dòng điện cảm ứng chứng tỏ trong mạch có
một suất điện động. Suất điện động ấy được gọi là
suất điện động cảm ứng.

Mặt
khác, trong quá trình dịch chuyển vòng dây nói trên, ta đã tốn
một công cơ học. Gọi công đó là dA’. Theo định luật Lenz, lực
từ tác dụng lên dòng điện cảm ứng sẽ có tác dụng ngăn cản
sự dịch chuyển của vòng dây là nguyên nhân xuất hiện của dòng
điện đó. Vì vậy công của lực từ dA là công cản. Công này có
trị số bằng nhưng ngược dấu với công dA’. Ta có thể viết:

          

4 Ðịnh nghĩa của đơn vị từ thông.

TOP

          

5 Cách tạo nên dòng điện xoay chiều.

TOP

Ðể
tạo nên dòng điện xoay chiều trong một khung dây điện, ta cho
khung dây quay đều trong một từ trường không đổi xung quanh
trục đối xứng của nó (Hình 15.3). Như vậy, từ thông gửi qua
mặt khung sẽ biến đổi một cách tuần hoàn và do đó, trong khung
xuất hiện dòng điện cảm ứng xoay chiều.

    

          

6
Dòng điện Foucault.

TOP

Với
những đặc điểm ấy, dòng điện Foucault 
có tác động  quan
trọng trong kỹ thuật.

a-
Tác hại của dòng Foucault.

Trong
các máy biến thế và động cơ điện v.v… lõi sắt của chúng
chịu tác dụng của từ trường biến đổi. Vì vậy, trong lõi có
các dòng điện Foucault xuất hiện. Do hiệu ứng Joule-Lenz, năng lượng
của các dòng Foucault ấy bị mất đi dưới dạng nhiệt làm máy
mau bị nóng. Do đó một phần năng lượng bị hao phí đi một cách
vô ích, hiệu suất của máy bị giảm.

Ðể
giảm tác hại này, người ta không dùng cả khối sắt lớn làm lõi
mà dùng nhiều lá sắt mỏng sơn cách điện ghép lại với nhau sao
cho các nhát cắt song song với chiều của từ trường. Như vậy, dòng
điện Foucault chỉ chạy được trong từng lá mỏng (Hình15.5). Vì
từng lá một có kích thước nhỏ, do đó có điện trở lớn, nên
cường độ dòng điện Foucault trong các lá đó bị giảm đi
nhiều so với cường độ dòng Foucault trong cả khối sắt lớn. Vì
vậy, năng lượng điện bị hao phí cũng giảm đi. Trong kỹ thuật,
người ta thường dùng các lá  sắt
làm lõi biến thế có điện trở suất rất cao gọi là Ferit để
hạn chế tối đa dòng Foucault.

 

Hình
15.5

b-
Lợi ích của dòng Foucault

Trong
các máy điện kể trên, sự toả nhiệt của dòng Foucault là có
hại. Trái lại, trong các lò điện cảm ứng, nhiệt lượng toả
ra đó lại được sử dụng để nấu chảy kim loại, đặc biệt
là nấu chảy kim loại trong chân không để tránh tác dụng của không
khí xung quanh.

Muốn
vậy, người ta đặt kim loại vào trong một lò có chỗ để hút
không khí bên trong ra; xung quanh lò ta quấn dây điện. Cho dòng điện
có tần số lớn chạy qua cuộn dây đó. Dòng điện này sẽ tạo
nên trong khối kim loại một từ trường biến đổi nhanh, làm
xuất hiện một dòng điện Foucault mạnh nấu chảy được kim
loại.

Dòng
điện Foucault còn được dùng để hãm dao động. Thực vậy,
muốn hãm dao động của kim chỉ thị trong một máy đo điện
chẳng hạn, người ta gắn vào kim một đĩa kim loại (đồng hoặc
nhôm) và đặt đĩa ấy trong từ trường của một nam châm vĩnh
cửu. Khi kim dao động, đĩa kim loại cũng dao động theo. Từ thông
qua đĩa thay đổi làm xuất hiện trong đĩa những dòng điện
Foucault. Theo định luật Lenz, dòng điện Foucault phải có chiều
sao cho tác dụng của nó chống lại sự biến thiên của từ thông
gửi qua đĩa kim loại, tức là chống lại sự dao động của đĩa
kim loại. Kết quả là dao động của kim bị tắt đi nhanh chóng. 

II. HIỆN TƯỢNG TỰ CẢM

          

1 Thí
nghiệm

TOP

Trong
thí nghiệm Faraday, dòng điện cảm ứng xuất hiện là do sự
biến đổi từ thông gửi qua diện tích của mạch gây ra. Từ thông
đó do từ trường bên ngoài tạo nên.

Bây
giờ, nếu ta làm thay đổi cường độ dòng điện sẵn có trong
mạch để từ thông do chính dòng điện đó sinh ra và gửi qua
diện tích của mạch thay đổi, thì trong mạch cũng xuất hiện
một dòng điện cảm ứng, phụ thêm vào dòng điện chính sẵn có
của mạch. Dòng điện cảm ứng này gọi là dòng điện tự cảm.
Hiện tượng đó được gọi là hiện tượng tự cảm.

Hiện
tượng tự cảm xuất hiện trong một mạch kín có dòng điện xoay
chiều chạy qua, hoặc trong một mạch điện một chiều khi ta đóng
mạch hay ngắt mạch.

Hình
15.6

          

2.
Suất điện động tự cảm và hệ số tự cảm

TOP

Suất
điện động gây nên dòng điện tự cảm được gọi là suất điện
động tự cảm. Theo định luật cơ bản của hiện tượng cảm
ứng điện từ, biểu thức của suất điện động tự cảm là:

Như
vậy: suất điện động tự cảm tỉ lệ thuận với tốc độ
biến đổi của cường độ dòng điện trong mạch. Dấu trừ (-)
trong công thức (15.6) chứng tỏ: suất điện động tự cảm bao
giờ cũng có tác dụng chống lại sự biến đổi của cường độ
dòng điện trong mạch.

          

3.
Ý nghĩa và đơn vị của hệ số tự cảm

TOP

          

4. Hệ số tự cảm L của một ống dây điện thẳng dài

TOP

          

5.
Hiệu ứng da

TOP

Hiện
tượng tự cảm không những xảy ra trong một mạch điện mà còn
xảy ra ngay trong lòng một dây dẫn có dòng điện biến đổi
chạy qua. Thực nghiệm chứng tỏ rằng: khi cho dòng điện cao tần
(dòng điện biến đổi với tần số cao) chạy qua một dây dẫn
thì do hiện tượng tự cảm, dòng điện đó hầu như không chạy
ở trong lòng dây ấy mà chỉ chạy ở lớp ngoài của nó. Hiệu
ứng đó được gọi là hiệu ứng ngoài da. Dưới đây ta hãy
giải thích hiện tượng đó.

Giả
sử dòng điện cao tần đi từ dưới lên trên (Hình 15.8). Dòng điện
ấy gây trong lòng dây dẫn một từ trường, với các đường
sức cảm ứng từ có chiều như ở hình vẽ (qui tắc vặn nút
chai). Vì dòng điện biến đổi, nên từ trường do nó gây ra cũng
biến đổi theo. Nếu xét một tiết diện bất kì chứa trục đối
xứng của dây, thì từ thông gửi qua tiết diện đó cũng biến đổi.
Vì vậy trong các tiết diện đó xuất hiện những dòng điện tự
cảm khép kín như dòng điện ic trên hình.

Như
vậy, khi dòng điện cao tần tăng, các dòng điện tự cảm xuất
hiện trong dây dẫn chống lại sự tăng của phần dòng điện cao
tần chạy trong ruột của dây, và làm thuận lợi cho sự tăng
của phần dòng điện cao tần chạy ở bề mặt của dây đó. Nói
cách khác, dòng điện cao tần hầu như chỉ chạy ở lớp bề
mặt của dây dẫn. Trong trường hợp dòng cao tần giảm (Hình
15.8b), người ta cũng chứng minh được kết quả như vậy.

Lý
thuyết và thực nghiệm chứng tỏ: khi dòng điện cao tần có tần
số bằng 105 Hz trở lên, dòng điện đó chỉ chạy ở lớp bề
mặt ngoài dày 0,20mm củìa dây dẫn. Vì lý do đó, người ta làm các
dây dẫn rỗng để mang dòng điện cao tần, như vậy tiết kiệm
được nhiều kim loại.

Một
ứng dụng quan trọng của hiệu ứng ngoài da là sự tôi kim loại
ở lớp ngoài. Nhiều chi tiết máy như biên trục máy, bánh răng khía…
cần đạt yêu cầu kỹ thuật là: lớp ngoài phải thật cứng,
song bên trong vẫn phải có một độ dẻo thích hợp. Một phương
pháp thuận tiện và đơn giản là lợi dụng hiệu ứng ngoài da. Cách
làm như sau: cho dòng điện cao tần chạy qua chi tiết máy để nung
nóng lớp mặt ngoài của nó tới nhiệt độ cần thiết. Sau đó
ta nhúng chi tiết máy vào một chất lỏng để tôi kết quả là
lớp mặt ngoài rất cứng, còn ở bên trong chi tiết máy vẫn dẻo.

          

6
Dòng điện tự cảm khi ngắt mạch

TOP

Khi
mở cầu dao của một mạch điện có chứa máy phát điện hay động
cơ điện, ta thường thấy hồ quang điện xuất hiện giữa hai
cực của cầu dao.

Nguyên
nhân do khi ngắt mạch, dòng điện giảm đột ngột về giá trị
không, do đó các cuộn dây của máy điện có xuất hiện một dòng
điện tự cảm khá lớn. Dòng điện này phóng ra lớp không khí
giữa hai cực của cầu dao và có thể gây nguy hiểm cho hệ thống
điện.

Ðể
khử hồ quang điện khi ngắt mạch, người ta đặt cầu dao trong
dầu, hoặc dùng khí phụt mạnh v.v… dập tắt hồ quang. 

III. HIỆN TƯỢNG HỖ CẢM

          

1.
Thí nghiệm

TOP

          

2
Suất điện động hỗ cảm. Hệ số hỗ cảm

TOP

Suất
điện động gây ra dòng điện hỗ cảm được gọi là suất điện
động hỗ cảm. Công thức của nó cũng tuân theo định luật cơ
bản của hiện tượng cảm ứng điện từ, nghĩa là:

So
sánh các công thức (15.9)  với
công thức (15.5) ta nhận thấy rằng: hệ số hỗ cảm M có cùng
đơn vị như hệ số tự cảm L, nghĩa là cũng được tính ra
Henry.

Hiện
tượng hỗ cảm được ứng dụng để chế tạo máy biến thế.
Ðó là một dụng cụ rất quan trọng trong kỹ thuật điện. 

IV.
NĂNG LƯỢNG TỪ TRƯỜNG

          

1.
Năng lượng từ trường của một ống dây điện.

TOP

Giả
sử lúc đầu mạch đã được đóng kín, trong mạch có một dòng
điện không đổi I. Khi đó, toàn bộ năng lượng do dòng điện
sinh ra đều biến thành nhiệt. Ðiều này được nghiệm đúng khi
trong mạch có dòng điện không đổi, nhưng không được nghiệm đúng
khi đóng mạch hoặc ngắt mạch.

Thực
vậy, khi đóng mạch, dòng điện i tăng dần từ giá trị không đến
giá trị ổn định cực đại I. Do đó, trong mạch xuất hiện dòng
điện tự cảm itc ngược chiều với dòng điện chính io do nguồn
phát ra, làm cho dòng điện toàn phần i=io-itc trong mạch nhỏ hơn
io. Kết quả là chỉ có một phần điện năng do nguồn sinh ra được
biến thành nhiệt. Trái lại, khi ngắt mạch, dòng điện chính
giảm đột ngột từ giá trị I về giá trị không. Do đó, trong
mạch xuất hiện dòng điện tự cảm cùng chiều với dòng điện
đó và làm cho dòng điện này giảm đến giá trị không chậm hơn.
Như vậy, sau khi đã ngắt mạch, trong mạch vẫn còn dòng điện
chạy trong một thời gian ngắn nữa, và do đó vẫn còn sự toả
nhiệt ở trong mạch. Thực nghiệm và lý thuyết đã xác nhận
nhiệt lượng toả ra trong mạch sau khi đã ngắt mạch có giá trị
đúng bằng phần năng lượng đã không toả nhiệt mà ta nói ở trên.

Như
vậy, rõ ràng là khi đóng mạch, một phần năng lượng của
nguồn điện sinh ra được tiềm tàng dưới một dạng năng lượng
nào đó để khi ngắt mạch, phần năng lượng này toả ra dưới
dạng nhiệt trong mạch. Ta nhận thấy khi đóng mạch, dòng điện
trong mạch tăng thì từ trường trong ống dây cũng tăng theo. Mà
từ trường như ta đã biết là một dạng vật chất. Nó có mang năng
lượng, cho nên phần năng lượng tiềm tàng nói trên chính là năng
lượng của từ trường trong ống dây điện .

          

2.
Năng lượng ống dây

TOP

Ðể
tính phần năng lượng này, ta áp dụng định luật Ohm cho mạch điện
trong quá trình dòng điện đang được thành lập:

Trong
công thức này, L được tính ra Henry, I được tính ra Ampère, còn
năng lượng từ trường W được tính ra Joule.

          

3.
Mật độ năng lượng từ trường.

TOP

Lý
thuyết và thí nghiệm chứng tỏ rằng năng lượng từ trường
được phân bố trong khoảng không gian có từ trường.

Như
ta đã biết, từ trường trong ống dây điện thẳng dài vô hạn là
từ trường đều. Vì vậy, năng lượng từ trường của ống dây
được phân bố đêù trong thể tích đó. Nếu gọi V là thể tích
ống dây thì mật độ năng lượng từ trường của ống dây điện
là:

          

4.
Năng lượng của một từ trường bất kỳ.

TOP

 

TRỌNG TÂM ÔN TẬP

***&&&***

 

1.
Thế nào là hiện tượng cảm ứng điện từ. Sức điện động và
dòng điện cảm ứng. Nguyên nhân của hiện tượng cảm ứng điện
từ.  Ðịnh luật Lenz về
chiều của dòng điện cảm ứng, cho ví dụ. Ðịnh luật về sức
điện động cảm ứng. Cách tạo ra dòng điện xoay chiều với N vòng
dây.

2.
Khi nào xuất hiện dòng điện Foucault. 
Cách khắc phục tác hại của dòng điện Foucault.

   
Ứng dụng dòng điện Foucault.

3.
Thế nào là hiện tượng tự cảm. Khi nào xuất hiện dòng điện
tự cảm. Hệ số tự cảm của cuộn dây. Hiện tượng hỗ cảm.
Hệ số hỗ cảm.

4.
Năng lượng của ống dây – Năng lượng từ trường – Mật độ năng
lượng từ trường.

 

CÂU
HỎI ĐIỀN THÊM

***&&&***

 

1.
Dòng điện cảm ứng chỉ tồn tại khi …

2.
Ðể tạo ra dòng điện xoay chiều trong một khung dây …

3.
Dòng điện tự cảm sinh ra khi mà….

4.
Dòng điện cảm ứng phải có chiều sao cho từ trường mà nó sinh
ra có tác dụng chống lại…

5.
Năng lượng của từ trường có thể nhận biết qua….. khi mà nó…..

6.
Trong dòng điện xoay chiều thì luôn có dòng điện….    
Bởi vì…..

7.
Hỗ cảm là hiện tượng mà khi đặt hai dây dẫn mà một dây…..

 

PHÂN
TÍCH NHỮNG CÂU HỎI ĐÚNG SAI

***@@@***

 

1.
Cường độ dòng điện cảm ứng tỷ lệ với tốc độ biến thiên
từ thông qua mạch.

2.
Khi từ thông qua mạch tăng thì từ trường cảm ứng sẽ cùng
chiều từ trường ngoài.

3.
Khi đặt vật dẫn trong từ trường biến đổi, trong thể tích
vật dẫn xuất hiện dòng điện Foucault.

4.
Trong ống dây có lõi sắt thì từ trường ở đó giảm đi nhiều
lần.

5.
Dòng điện có thể tạo ra từ trường và ngược lại từ trường
cũng có thể tạo ra dòng điện được.

6.
Ðể giảm hao phí điện trong các máy biến thế, người ta dùng các
lá sắt mỏng ghép với nhau.

7.
Khi dòng điện cao tần f = 100.000Hz chạy qua mạch thì dòng điện  đó chỉ chạy trên lớp mặt ngoài dày 0,2mm.

 

CÂU
HỎI TRẮC NGHIỆM

***&&&***

 

BÀI
TẬP

***&&&***