Hiện tượng tự cảm là gì? suất điện động tự cảm

Hiện tượng tự cảm là hiện tượng cảm ứng điện từ xảy ra trong mạch có dòng điện. Từ thông qua mạch biến thiên khi có cường độ dòng điện trong mạch biến thiên.
1/ Các thí nghiệm vật lí về hiện tượng tự cảm:

Sơ đồ mạch điện thí nghiệm hiện tượng tự cảm​

Sơ đồ mạch điện thí nghiệm hiện tượng tự cảm​

Thí nghiệm 1: Khóa K1, K2 đóng, K3 mở. Khi đóng khóa K, đèn 2 sáng lên ngay còn đèn 1 sáng lên chậm hơn đèn 2.

Thí nghiệm hiện tượng tự cảm đèn Đ1 sáng chậm hơn sau khi đóng khóa K.​

Thí nghiệm hiện tượng tự cảm đèn Đ1 sáng chậm hơn sau khi đóng khóa K.​

Giải thích hiện tượng trong thí nghiệm 1:
Khi đóng khóa K, dòng điện qua ống dây tăng lên đột ngột trong khoảng thời gian ngắn (cường độ dòng điện tăng từ 0 lên I => cường độ dòng điện biến thiên tăng) làm cho từ trường qua ống dây tăng lên => từ thông qua cuộn dây L tăng lên.

Trong khoảng thời gTừ thông qua cuộn dây biến thiên sinh ra dòng điện cảm ứng theo định luật Lenxơ, Dòng điện cảm ứng trong cuộn dây L có chiều chống lại sự tăng tăng của từ thông => nó làm giảm cường độ dòng điện qua đèn 1, làm đèn 1 sáng chậm hơn đèn 2.
Dòng điện qua điện trở R không có hiện tượng gì nên đèn 2 sáng lên ngay.

Hiện tượng trong thí nghiệm trên được gọi là hiện tượng tự cảm chỉ xảy ra trong thời gian ngắn lúc cường độ dòng điện trong mạch biến thiên tăng (đóng mạch)

Thí nghiệm 2: Khóa K1, K3 đóng, K2 mở. Khi ngắt khóa K, đèn 3 đang tắt bỗng sáng vụt lên rồi tắt ngay.

Giải thích thí nghiệm 2:
Khi ngắt khóa K, dòng điện đột ngột giảm trong khoảng thời gian ngắn (từ cường độ I về 0) => từ trường qua cuộn dây L giảm => từ thông qua cuộn dây L biến thiên giảm.

Từ thông qua cuộn dây L biến thiên giảm => sinh ra dòng điện cảm ứng qua cuộn dây có chiều chống lại sự giảm => dòng điện cảm ứng này đi qua đèn 3 làm đèn 3 sáng vụt lên. Sau khoảng thời gian ngắt mạch không còn sự biến thiên từ thông => dòng điện cảm ứng mất đi => đèn 3 vụt tắt.

Hiện tượng trong thí nghiệm trên được gọi là hiện tượng tự cảm chỉ xảy ra trong thời gian ngắn lúc cường độ dòng điện trong mạch biến thiên giảm (ngắt mạch).

Kết luận: Hiện tượng tự cảm là hiện tượng cảm ứng điện từ xảy ra trong mạch có dòng điện biến thiên. Dòng điện trong mạch biến thiên làm từ thông qua cuộn dây trong mạch biến thiên sinh ra dòng điện gọi là dòng điện tự cảm.

Cuộn dây trong thí nghiệm được gọi là cuộn cảm, L được gọi là hệ số tự cảm của cuộn dây.

L = 4π.10-7.\[\dfrac{N^{2}}{l}S\]​

Trong đó:​

• L: hệ số tự cảm cuộn ống dây (H)​

• N: số vòng dây​

• l: chiều dài ống dây (m)​

• S: tiết diện ống dây (m2)​

Hệ số tự cảm của ống dây hình trụ gồm N vòng dây

2/ Suất điện động tự cảm:
Suất điện động tự cảm: là suất điện động sinh ra dòng điện tự cảm, tỉ lệ với tốc độ biến thiên của cường độ dòng điện trong mạch.

\[E_{tc}= – L\dfrac{\Delta i}{\Delta t}\]​

• E$_{tc}$: là suất điện động tự cảm (V)
• L: hệ số tự cảm của cuộn dây (H đọc là Henry)
• Δi: độ biến thiên cường độ dòng điện (A)
• Δt: thời gian biến thiên cường độ dòng điện (s)
• \[\dfrac{\Delta i}{\Delta t}\]: tốc độ biến thiên cường độ dòng điện (A/s)

Dấu “-” giống như công thức tính
Về mặt độ lớn suất điện động tự cảm được tính theo biểu thức

\[E_{tc}=L\dfrac{|\Delta i|}{\Delta t}\]​

là suất điện động sinh ra dòng điện tự cảm, tỉ lệ với tốc độ biến thiên của cường độ dòng điện trong mạch.Dấu “-” giống như công thức tính suất điện động cảm ứng theo định luật Faraday chỉ chiều của dòng điện cảm ứng tuân theo định luật Lenxơ.Về mặt độ lớn suất điện động tự cảm được tính theo biểu thức

3/ Năng lượng từ trường của cuộn dây:

\[W=\dfrac{1}{2}Li^{2}\]​

Trong đó:​

• W: năng lượng từ trường của cuộn dây (J)​

• L: hệ số tự cảm của cuộn dây (H)​

• i: cường độ dòng điện tự cảm (A)​

4/ Ứng dụng của hiện tượng tự cảm:
Hiện tượng tự cảm có nhiều ứng dụng trong các mạch điện xoay chiều. Cuộn cảm là một phần tử quan trọng trong các mạch điện xoay chiều có mạch dao động và các máy biến áp.

nguồn: vật lí phổ thông