Hiện tượng điện và từ có liên quan chặt chẽ với nhau. Và nếu dòng điện tạo ra từ tính thì hiện tượng ngược lại cũng phải tồn tại - sự xuất hiện của dòng điện khi nam châm chuyển động. Đây là lý luận của nhà khoa học người Anh Michael Faraday, người vào năm 1822 đã ghi trong nhật ký phòng thí nghiệm của mình như sau: “Chuyển từ tính thành điện”.
Sự kiện này xảy ra trước sự phát hiện hiện tượng điện từ của nhà vật lý người Đan Mạch Hans Christian Oersted, người đã phát hiện ra sự xuất hiện của từ trường xung quanh một dây dẫn mang dòng điện. Trong nhiều năm, Faraday đã tiến hành nhiều thí nghiệm khác nhau, nhưng những thí nghiệm đầu tiên không mang lại thành công cho ông. Nguyên nhân chính là do nhà khoa học không biết rằng chỉ có từ trường xoay chiều mới có thể tạo ra dòng điện. Kết quả thực sự chỉ đạt được vào năm 1831.
Các thí nghiệm của Faraday
bấm vào hình ảnh
Trong một thí nghiệm được thực hiện vào ngày 29 tháng 8 năm 1931, nhà khoa học đã quấn những cuộn dây quanh các mặt đối diện của thanh sắt. vòng mỏng. Anh ta nối một sợi dây với một điện kế. Tại thời điểm nối dây thứ hai vào pin, kim điện kế bị lệch mạnh và trở về vị trí ban đầu. Hình ảnh tương tự cũng được quan sát thấy khi mở tiếp điểm với pin. Điều này có nghĩa là một dòng điện xuất hiện trong mạch. Nó phát sinh do các đường sức từ được tạo ra bởi các vòng dây thứ nhất cắt qua các vòng dây thứ hai và tạo ra một dòng điện trong chúng.
Thí nghiệm của Faraday
Vài tuần sau, một thí nghiệm được thực hiện với một nam châm vĩnh cửu. Faraday nối điện kế với một cuộn dây đồng. Sau đó, bằng một động tác sắc bén, anh ta đẩy một thanh nam châm hình trụ vào bên trong. Đúng lúc này, kim điện kế cũng vung mạnh. Khi lấy thanh ra khỏi cuộn dây, mũi tên cũng chuyển động nhưng theo hướng ngược lại. Và điều này xảy ra mỗi khi nam châm bị đẩy hoặc đẩy ra khỏi cuộn dây. Nghĩa là dòng điện xuất hiện trong mạch khi nam châm chuyển động trong mạch. Đây là cách Faraday cố gắng “biến từ tính thành điện”.
Faraday trong phòng thí nghiệm
Dòng điện cũng xuất hiện trong cuộn dây nếu thay vì có một nam châm vĩnh cửu bên trong nó, bạn di chuyển một cuộn dây khác nối với nguồn dòng điện.
Trong tất cả các trường hợp nàyđã xảy ra sự thay đổi từ thông đi qua cuộn dây dẫn đến xuất hiện dòng điện trong mạch kín. Đây là một hiện tượng cảm ứng điện từ , và dòng điện là dòng điện cảm ứng .
Người ta biết rằng dòng điện tồn tại trong một mạch kín nếu nó được duy trì nhờ hiệu điện thế sử dụng lực điện động (EMF). Do đó, khi từ thông trong mạch thay đổi, EMF như vậy sẽ xuất hiện trong đó. Nó được gọi là lực điện gây ra .
định luật Faraday
Michael Faraday
Độ lớn của cảm ứng điện từ không phụ thuộc vào lý do tại sao từ thông thay đổi - bản thân từ trường thay đổi hay mạch chuyển động trong đó. Nó phụ thuộc vào tốc độ biến thiên của từ thông đi qua mạch.
Ở đâu ε – EMF tác động dọc theo đường viền;
F V - từ thông.
Độ lớn EMF của cuộn dây trong từ trường xen kẽ bị ảnh hưởng bởi số vòng quay trong nó và độ lớn của từ thông. Định luật Faraday trong trường hợp này trông như thế này:
Ở đâu N – số lượt;
F V - từ thông qua một vòng;
Ψ - liên kết từ thông, hoặc tổng từ thông khóa liên động với tất cả các vòng của cuộn dây.
Ψ = N ·F Tôi
F Tôi - dòng chảy đi qua một vòng.
Ngay cả một nam châm yếu cũng có thể tạo ra dòng điện cảm ứng lớn nếu tốc độ chuyển động của nam châm này cao.
Vì dòng điện cảm ứng xuất hiện trong dây dẫn khi từ thông đi qua chúng thay đổi nên nó cũng sẽ xuất hiện trong dây dẫn chuyển động trong từ trường đứng yên. Chiều của dòng điện cảm ứng trong trường hợp này phụ thuộc vào chiều chuyển động của dây dẫn và được xác định theo quy tắc bàn tay phải: “ Nếu bạn đặt lòng bàn tay phải sao cho các đường sức từ đi vào và ngón tay cái uốn cong 90 0 sẽ chỉ hướng chuyển động của dây dẫn, thì 4 ngón duỗi ra sẽ chỉ hướng của cảm ứng. EMF và chiều dòng điện trong dây dẫn».
Quy tắc Lenz
Emily Khristianovich Lenz
Chiều của dòng điện cảm ứng được xác định theo một quy luật áp dụng trong mọi trường hợp khi xuất hiện dòng điện đó. Quy luật này được xây dựng bởi một nhà vật lý người Nga gốc Baltic Emilius Khristianovich Lenz: “ Dòng điện cảm ứng xuất hiện trong mạch kín có hướng sao cho từ thông mà nó tạo ra chống lại sự biến thiên của từ thông mà dòng điện này gây ra.
Cần lưu ý rằng kết luận này được nhà khoa học đưa ra dựa trên kết quả thí nghiệm. Lenz đã tạo ra một thiết bị bao gồm một tấm nhôm xoay tự do, ở một đầu được gắn một vòng nhôm nguyên khối, và ở đầu kia - một vòng có khía.
Nếu nam châm được đưa đến gần một vòng rắn, nó sẽ bị đẩy lùi và bắt đầu “bỏ chạy”.
bấm vào hình ảnh
Khi nam châm di chuyển ra xa, chiếc nhẫn cố gắng đuổi kịp nó.
bấm vào hình ảnh
Không có gì như thế này được quan sát thấy với vòng cắt.
Lenz giải thích điều này bằng cách nói rằng trong trường hợp đầu tiên, dòng điện cảm ứng tạo ra một từ trường, các đường cảm ứng của nó hướng ngược lại với các đường cảm ứng của từ trường ngoài. Trong trường hợp thứ hai, các đường cảm ứng của từ trường do dòng điện cảm ứng tạo ra trùng phương với các đường cảm ứng của từ trường nam châm vĩnh cửu. Trong vòng cắt không xuất hiện dòng điện cảm ứng nên nó không thể tương tác với nam châm.
Theo định luật Lenz, khi từ thông ngoài tăng lên thì dòng điện cảm ứng sẽ có hướng sao cho từ trường do nó tạo ra sẽ ngăn cản sự tăng lên đó. Nếu từ thông bên ngoài giảm thì từ trường của dòng điện cảm ứng sẽ hỗ trợ nó và ngăn không cho nó giảm.
Máy phát điện
Máy phát điện
Việc phát hiện ra hiện tượng cảm ứng điện từ của Faraday đã giúp người ta có thể ứng dụng hiện tượng này vào thực tế.
Điều gì xảy ra nếu bạn quay cuộn dây bằng bo số vòng dây kim loại trong từ trường đứng yên nhiều hơn? Từ thông đi qua cuộn dây sẽ liên tục thay đổi. Và một EMF của cảm ứng điện từ sẽ phát sinh trong đó. Điều này có nghĩa là thiết kế như vậy có thể tạo ra dòng điện. Hoạt động của máy phát điện xoay chiều dựa trên nguyên tắc này.
Máy phát điện bao gồm 2 phần - rôto và stato. Rôto là bộ phận chuyển động. Trong các máy phát điện công suất thấp, nam châm vĩnh cửu thường quay nhất. Máy phát điện mạnh mẽ sử dụng nam châm điện thay vì nam châm vĩnh cửu. Khi quay, rôto tạo ra từ thông thay đổi, tạo ra dòng điện cảm ứng trong các vòng dây quấn nằm trong các rãnh của bộ phận đứng yên của máy phát - stato. Rôto được điều khiển bởi một động cơ. Đây có thể là động cơ hơi nước, tua bin nước, v.v.
Máy biến áp
Đây có lẽ là thiết bị phổ biến nhất trong kỹ thuật điện, được thiết kế để chuyển đổi dòng điện và điện áp. Máy biến áp được sử dụng trong kỹ thuật vô tuyến và điện tử. Không có chúng, không thể truyền tải điện đi xa.
Máy biến áp đơn giản nhất bao gồm hai cuộn dây có lõi kim loại chung. Dòng điện xoay chiều cung cấp cho một trong các cuộn dây tạo ra một từ trường xoay chiều trong đó, từ trường này được khuếch đại bởi lõi. Từ thông của trường này, xuyên qua các vòng dây của cuộn dây thứ hai, tạo ra một dòng điện cảm ứng trong đó. Vì độ lớn của lực điện động cảm ứng phụ thuộc vào số vòng dây nên bằng cách thay đổi tỉ số của chúng trong cuộn dây, độ lớn của dòng điện cũng có thể thay đổi. Điều này rất quan trọng, chẳng hạn như khi truyền điện trên khoảng cách xa. Rốt cuộc, trong quá trình vận chuyển xảy ra tổn thất lớn do dây nóng lên. Bằng cách giảm dòng điện sử dụng máy biến áp, những tổn thất này sẽ giảm đi. Nhưng đồng thời sự căng thẳng tăng lên. Ở giai đoạn cuối, sử dụng máy biến áp giảm áp, điện áp giảm và dòng điện tăng. Tất nhiên, những máy biến áp như vậy phức tạp hơn nhiều.
Phải nói rằng Faraday không phải là người duy nhất cố gắng tạo ra dòng điện cảm ứng. Các thí nghiệm tương tự cũng được thực hiện bởi nhà vật lý nổi tiếng người Mỹ Joseph Henry. Và anh ấy đã đạt được thành công gần như đồng thời với Faraday. Nhưng Faraday đã đi trước ông khi công bố một thông điệp về khám phá của mình trước Henry.
Các chủ đề của bộ mã hóa Kỳ thi Thống nhất: hiện tượng cảm ứng điện từ, từ thông, định luật cảm ứng điện từ Faraday, định luật Lenz.
Thí nghiệm của Oersted cho thấy dòng điện tạo ra từ trường trong không gian xung quanh. Michael Faraday nảy ra ý tưởng rằng hiệu ứng ngược lại cũng có thể tồn tại: từ trường lại tạo ra dòng điện.
Nói cách khác, giả sử có một dây dẫn kín trong từ trường; Liệu dòng điện có xuất hiện trong dây dẫn này dưới tác dụng của từ trường không?
Sau mười năm tìm kiếm và thử nghiệm, Faraday cuối cùng cũng khám phá được hiệu ứng này. Năm 1831, ông thực hiện các thí nghiệm sau.
1. Hai cuộn dây được quấn trên cùng một đế gỗ; các vòng của cuộn thứ hai được đặt giữa các vòng của cuộn thứ nhất và được cách điện. Các cực của cuộn dây thứ nhất được nối với nguồn điện, các cực của cuộn dây thứ hai được nối với điện kế (điện kế là một thiết bị nhạy để đo dòng điện nhỏ). Như vậy, thu được hai mạch: “nguồn dòng - cuộn dây thứ nhất” và “cuộn dây thứ hai - điện kế”.
Không có tiếp xúc điện giữa các mạch, chỉ có từ trường của cuộn dây thứ nhất xuyên qua cuộn dây thứ hai.
Khi mạch của cuộn dây thứ nhất đóng lại, điện kế ghi nhận xung dòng điện ngắn và yếu ở cuộn dây thứ hai.
Khi cho dòng điện không đổi chạy qua cuộn dây thứ nhất thì không có dòng điện nào được tạo ra ở cuộn dây thứ hai.
Khi mạch của cuộn dây thứ nhất được mở ra, một xung dòng điện ngắn và yếu lại xuất hiện ở cuộn dây thứ hai, nhưng lần này ngược chiều so với dòng điện khi mạch đóng.
Phần kết luận.
Từ trường biến thiên theo thời gian của cuộn dây thứ nhất tạo ra (hoặc, như người ta nói, gây ra) dòng điện chạy trong cuộn dây thứ hai. Dòng điện này được gọi là dòng điện cảm ứng.
Nếu từ trường của cuộn dây thứ nhất tăng (tại thời điểm dòng điện tăng khi mạch đóng) thì dòng điện cảm ứng trong cuộn dây thứ hai chạy theo một chiều.
Nếu từ trường của cuộn dây thứ nhất giảm (tại thời điểm dòng điện giảm khi mạch hở) thì dòng điện cảm ứng trong cuộn dây thứ hai sẽ chạy theo hướng khác.
Nếu từ trường của cuộn dây thứ nhất không thay đổi (dòng điện một chiều chạy qua nó) thì không có dòng điện cảm ứng ở cuộn dây thứ hai.
Faraday gọi hiện tượng được phát hiện cảm ứng điện từ(tức là “cảm ứng điện bằng từ tính”).
2. Để xác nhận dự đoán rằng dòng điện cảm ứng đã được tạo ra biến từ trường, Faraday đã dịch chuyển các cuộn dây tương đối với nhau. Mạch của cuộn dây thứ nhất luôn đóng, có một dòng điện một chiều chạy qua nó, nhưng do chuyển động (đến gần hoặc khoảng cách) nên cuộn dây thứ hai nằm trong từ trường xen kẽ của cuộn dây thứ nhất.
Điện kế lại ghi lại dòng điện trong cuộn dây thứ hai. Dòng điện cảm ứng có một hướng khi các cuộn dây tiến lại gần nhau và một hướng khác khi chúng di chuyển ra xa nhau. Trong trường hợp này, cường độ dòng điện cảm ứng càng lớn thì cuộn dây càng di chuyển nhanh..
3. Cuộn dây thứ nhất được thay thế bằng một nam châm vĩnh cửu. Khi đưa nam châm vào cuộn dây thứ hai thì xuất hiện dòng điện cảm ứng. Khi rút nam châm ra, dòng điện lại xuất hiện nhưng theo hướng khác. Và một lần nữa, nam châm di chuyển càng nhanh thì cường độ dòng điện cảm ứng càng lớn.
Những thí nghiệm này và những thí nghiệm tiếp theo cho thấy rằng dòng điện cảm ứng trong mạch dẫn xuất hiện trong tất cả các trường hợp khi “số đường dây” của từ trường xuyên qua mạch thay đổi. Cường độ dòng điện cảm ứng càng lớn thì số dòng này càng thay đổi nhanh. Hướng của dòng điện sẽ là một chiều khi số lượng đường dây qua mạch tăng lên và một hướng khác khi chúng giảm đi.
Điều đáng chú ý là đối với cường độ dòng điện trong một mạch nhất định, chỉ có tốc độ thay đổi số lượng đường dây là quan trọng. Chính xác những gì xảy ra trong trường hợp này không quan trọng - liệu trường đó có thay đổi, thâm nhập vào đường viền cố định hay đường viền di chuyển từ khu vực có mật độ đường này sang khu vực có mật độ khác.
Đây chính là bản chất của định luật cảm ứng điện từ. Nhưng để viết công thức và thực hiện các phép tính, bạn cần hình thức hóa rõ ràng khái niệm mơ hồ về “số đường trường đi qua một đường viền”.
từ thông
Khái niệm từ thông chính xác là một đặc tính của số lượng đường sức từ xuyên qua mạch điện.
Để đơn giản, chúng ta giới hạn trong trường hợp từ trường đều. Chúng ta hãy xem xét đường viền của một khu vực nằm trong từ trường có cảm ứng.
Đầu tiên hãy để từ trường vuông góc với mặt phẳng của mạch điện (Hình 1).
Cơm. 1.
Trong trường hợp này, từ thông được xác định rất đơn giản - là tích của cảm ứng từ trường và diện tích của mạch:
(1)
Bây giờ hãy xem xét trường hợp tổng quát khi vectơ tạo thành một góc với pháp tuyến của mặt phẳng đường viền (Hình 2).
Cơm. 2.
Chúng ta thấy rằng bây giờ chỉ có thành phần vuông góc của vectơ cảm ứng từ “chảy” qua mạch (và thành phần song song với mạch không “chảy” qua nó). Do đó, theo công thức (1), ta có . Nhưng, do đó
(2)
Đây là định nghĩa chung của từ thông trong trường hợp từ trường đều. Lưu ý rằng nếu vectơ song song với mặt phẳng của vòng dây (nghĩa là) thì từ thông sẽ bằng không.
Làm thế nào để xác định từ thông nếu từ trường không đồng nhất? Hãy chỉ ra ý tưởng. Bề mặt đường viền được chia thành một số lượng rất lớn các khu vực rất nhỏ, trong đó trường có thể được coi là đồng nhất. Đối với mỗi địa điểm, chúng tôi tính toán từ thông nhỏ của riêng nó bằng công thức (2), sau đó chúng tôi tổng hợp tất cả các từ thông này.
Đơn vị đo từ thông là weber(Wb). Như chúng ta thấy,
Wb = T · m = V · s. (3)
Tại sao từ thông đặc trưng cho “số đường” của từ trường xuyên qua mạch điện? Rất đơn giản. “Số lượng đường” được xác định bởi mật độ của chúng (và do đó kích thước của chúng - xét cho cùng, cảm ứng càng lớn, đường càng dày đặc) và diện tích “hiệu quả” mà trường xuyên qua (và điều này không gì khác hơn ). Nhưng số nhân tạo thành từ thông!
Bây giờ chúng ta có thể đưa ra một định nghĩa rõ ràng hơn về hiện tượng cảm ứng điện từ do Faraday phát hiện.
Cảm ứng điện từ- đây là hiện tượng xuất hiện dòng điện trong mạch dẫn kín khi từ thông đi qua mạch thay đổi.
lực điện gây ra
Cơ chế xuất hiện dòng điện cảm ứng là gì? Chúng ta sẽ thảo luận vấn đề này sau. Cho đến nay, có một điều rõ ràng: khi từ thông đi qua mạch thay đổi, một số lực tác dụng lên các điện tích tự do trong mạch - lực lượng bên ngoài, gây ra sự chuyển động của điện tích.
Như chúng ta đã biết, công của ngoại lực làm di chuyển một điện tích dương xung quanh mạch điện được gọi là suất điện động (EMF): . Trong trường hợp của chúng ta, khi từ thông qua mạch thay đổi, emf tương ứng được gọi là lực điện gây ra và được chỉ định.
Vì thế, Emf cảm ứng là công của các ngoại lực phát sinh khi từ thông qua mạch thay đổi, làm di chuyển một điện tích dương xung quanh mạch.
Chúng ta sẽ sớm tìm ra bản chất của các ngoại lực phát sinh trong mạch điện trong trường hợp này.
Định luật cảm ứng điện từ Faraday
Cường độ dòng điện cảm ứng trong các thí nghiệm của Faraday hóa ra càng lớn thì từ thông qua mạch thay đổi càng nhanh.
Nếu trong một thời gian ngắn độ biến thiên của từ thông bằng , thì tốc độ những thay đổi của từ thông là một phân số (hoặc, tương tự, là đạo hàm của từ thông theo thời gian).
Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng cường độ dòng điện cảm ứng tỷ lệ thuận với độ lớn tốc độ biến thiên của từ thông:
Mô-đun này được cài đặt để hiện tại không liên quan đến các giá trị âm (xét cho cùng, khi từ thông giảm, nó sẽ là ). Sau đó chúng tôi sẽ loại bỏ mô-đun này.
Từ định luật Ohm cho một chuỗi hoàn chỉnh, đồng thời chúng ta có: . Do đó, suất điện động cảm ứng tỉ lệ thuận với tốc độ biến thiên của từ thông:
(4)
EMF được đo bằng volt. Nhưng tốc độ biến thiên của từ thông cũng được đo bằng vôn! Thật vậy, từ (3) chúng ta thấy Wb/s = V. Do đó, đơn vị đo của cả hai phần tỷ lệ (4) trùng nhau, do đó hệ số tỷ lệ là một đại lượng không thứ nguyên. Trong hệ SI, nó được đặt bằng đơn vị và chúng ta có:
(5)
Đây là nó định luật cảm ứng điện từ hoặc định luật Faraday. Hãy cho nó một công thức bằng lời nói.
Định luật cảm ứng điện từ Faraday. Khi từ thông xuyên qua mạch thay đổi thì xuất hiện một suất điện động cảm ứng trong mạch bằng mô đun tốc độ biến thiên của từ thông.
Quy tắc Lenz
Ta gọi từ thông là sự biến đổi dẫn đến xuất hiện dòng điện cảm ứng trong mạch từ thông bên ngoài. Và chúng ta sẽ gọi chính từ trường mà từ thông này tạo ra là từ trường bên ngoài.
Tại sao chúng ta cần những điều khoản này? Thực tế là dòng điện cảm ứng phát sinh trong mạch tự tạo ra sở hữu một từ trường, theo nguyên lý chồng chất, được thêm vào một từ trường bên ngoài.
Theo đó, cùng với từ thông bên ngoài, sở hữu từ thông sinh ra bởi từ trường của dòng điện cảm ứng.
Hóa ra hai từ thông này - bên trong và bên ngoài - được kết nối với nhau theo một cách xác định chặt chẽ.
Quy tắc Lenz. Dòng điện cảm ứng luôn có chiều sao cho từ thông của chính nó ngăn cản sự thay đổi của từ thông ngoài.
Quy tắc Lenz cho phép bạn tìm hướng của dòng điện cảm ứng trong mọi tình huống.
Hãy xem xét một số ví dụ về áp dụng quy tắc Lenz.
Giả sử rằng mạch điện bị xuyên qua bởi một từ trường, cường độ này tăng theo thời gian (Hình (3)). Ví dụ: chúng ta đưa một nam châm đến gần đường viền từ bên dưới, cực bắc của nam châm trong trường hợp này hướng lên trên, về phía đường viền.
Từ thông qua mạch tăng lên. Dòng điện cảm ứng sẽ có hướng sao cho từ thông mà nó tạo ra ngăn cản sự tăng của từ thông bên ngoài. Để làm được điều này, từ trường do dòng điện cảm ứng tạo ra phải có hướng chống lại từ trường bên ngoài.
Dòng điện cảm ứng chạy ngược chiều kim đồng hồ khi nhìn từ hướng của từ trường mà nó tạo ra. Trong trường hợp này, dòng điện sẽ hướng theo chiều kim đồng hồ khi nhìn từ trên xuống, từ phía của từ trường bên ngoài, như minh họa trong (Hình (3)).
Cơm. 3. Từ thông tăng
Bây giờ giả sử rằng từ trường xuyên qua mạch giảm theo thời gian (Hình 4). Ví dụ: chúng ta di chuyển nam châm xuống từ vòng dây và cực bắc của nam châm hướng về phía vòng dây.
Cơm. 4. Từ thông giảm
Từ thông qua mạch giảm dần. Dòng điện cảm ứng sẽ có hướng sao cho từ thông của chính nó hỗ trợ từ thông bên ngoài, ngăn không cho từ thông giảm xuống. Để làm được điều này, từ trường của dòng điện cảm ứng phải có hướng cùng hướng, coi như từ trường ngoài.
Trong trường hợp này, dòng điện cảm ứng sẽ chạy ngược chiều kim đồng hồ khi nhìn từ trên xuống, từ phía của cả hai từ trường.
Tương tác của nam châm với mạch điện
Vì vậy, việc tiếp cận hoặc loại bỏ nam châm sẽ dẫn đến sự xuất hiện của dòng điện cảm ứng trong mạch, hướng của dòng điện này được xác định theo quy tắc Lenz. Nhưng từ trường tác dụng lên dòng điện! Một lực Ampe sẽ xuất hiện tác động lên mạch từ từ trường. Lực lượng này sẽ được hướng tới đâu?
Nếu bạn muốn hiểu rõ về quy luật Lenz và cách xác định hướng của lực Ampe, hãy thử tự mình trả lời câu hỏi này. Đây không phải là một bài tập quá đơn giản và là một bài tập xuất sắc dành cho C1 trong Kỳ thi Thống nhất. Hãy xem xét bốn trường hợp có thể xảy ra.
1. Ta đưa nam châm lại gần mạch điện, cực Bắc hướng về phía mạch điện.
2. Ta tháo nam châm ra khỏi mạch điện, cực Bắc hướng về phía mạch điện.
3. Ta đưa nam châm lại gần mạch điện, cực Nam hướng về phía mạch điện.
4. Ta tháo nam châm ra khỏi mạch điện, cực nam hướng về phía mạch điện.
Đừng quên rằng từ trường không đồng nhất: các đường sức phân kỳ từ cực bắc và hội tụ về phía nam. Điều này rất quan trọng để xác định lực Ampe thu được. Kết quả như sau.
Nếu bạn đưa nam châm lại gần thì mạch điện sẽ bị đẩy ra khỏi nam châm. Nếu bạn tháo nam châm ra thì mạch điện sẽ bị nam châm hút. Vì vậy, nếu mạch điện được treo trên một sợi dây thì nó sẽ luôn lệch theo hướng chuyển động của nam châm, như thể đang đi theo hướng đó. Vị trí của các cực nam châm không quan trọng trong trường hợp này..
Trong mọi trường hợp, bạn nên nhớ sự thật này - đột nhiên một câu hỏi như vậy xuất hiện trong phần A1
Kết quả này có thể được giải thích từ những cân nhắc hoàn toàn tổng quát - sử dụng định luật bảo toàn năng lượng.
Giả sử chúng ta đưa nam châm lại gần mạch điện hơn. Trong mạch xuất hiện dòng điện cảm ứng. Nhưng để tạo ra dòng điện thì phải làm việc! Ai làm việc đó? Cuối cùng, chúng ta đang di chuyển nam châm. Chúng ta thực hiện công cơ dương, công này biến thành công dương của các ngoại lực phát sinh trong mạch tạo ra dòng điện cảm ứng.
Vậy công việc di chuyển nam châm của chúng ta sẽ là tích cực. Điều này có nghĩa là khi chúng ta đến gần nam châm, chúng ta phải vượt qua lực tương tác của nam châm với mạch điện, do đó lực này là lực lực đẩy.
Bây giờ hãy tháo nam châm ra. Hãy lặp lại những lập luận này và đảm bảo rằng sẽ xuất hiện một lực hấp dẫn giữa nam châm và mạch điện.
Định luật Faraday + Quy tắc Lenz = Loại bỏ mô-đun
Ở trên chúng tôi đã hứa sẽ loại bỏ mô-đun trong định luật Faraday (5). Quy tắc Lenz cho phép chúng ta làm điều này. Nhưng trước tiên chúng ta cần phải thống nhất về dấu của suất điện động cảm ứng - xét cho cùng, nếu không có mô đun ở vế phải của (5), độ lớn của suất điện động có thể là dương hoặc âm.
Trước hết, một trong hai hướng có thể đi qua đường bao là cố định. Hướng này được công bố tích cực. Hướng ngược lại của việc đi qua đường bao được gọi tương ứng là tiêu cực. Chúng ta chọn hướng di chuyển nào là dương không quan trọng - điều quan trọng là đưa ra lựa chọn này.
Từ thông qua mạch được coi là dương class="tex" alt="(\Phi > 0)"> !}, nếu từ trường xuyên qua mạch hướng vào đó, nhìn từ nơi mạch đi theo hướng dương ngược chiều kim đồng hồ. Nếu từ đầu vectơ cảm ứng từ nhìn thấy hướng dương của vòng tròn theo chiều kim đồng hồ thì từ thông được coi là âm.
Emf cảm ứng được coi là dương class="tex" alt="(\mathcal E_i > 0)"> !}, nếu dòng điện cảm ứng chạy theo chiều dương. Trong trường hợp này, hướng của ngoại lực phát sinh trong mạch khi từ thông qua nó thay đổi trùng với hướng dương của mạch đi vòng.
Ngược lại, suất điện động cảm ứng được coi là âm nếu dòng điện cảm ứng chạy theo hướng âm. Trong trường hợp này, các ngoại lực cũng sẽ tác dụng theo chiều âm của mạch đi tắt.
Vì vậy, hãy đặt mạch điện trong từ trường. Chúng tôi sửa hướng của mạch tích cực bỏ qua. Giả sử rằng từ trường hướng vào đó, nhìn từ nơi mà đường vòng dương được thực hiện ngược chiều kim đồng hồ. Khi đó từ thông dương: class="tex" alt="\Phi > 0"> .!}
Cơm. 5. Từ thông tăng
Vì vậy, trong trường hợp này chúng ta có . Dấu của lực điện động cảm ứng hóa ra ngược với dấu của tốc độ biến thiên của từ thông. Hãy kiểm tra điều này trong một tình huống khác.
Cụ thể, bây giờ chúng ta giả sử rằng từ thông giảm. Theo định luật Lenz, dòng điện cảm ứng sẽ chảy theo chiều dương. Vì thế, class="tex" alt="\mathcal E_i > 0"> !}(Hình 6).
Cơm. 6. Từ thông tăng class="tex" alt="\Rightarrow \mathcal E_i > 0"> !}
Đây thực sự là thực tế chung: Với sự đồng ý của chúng ta về dấu, quy tắc Lenz luôn dẫn đến dấu của suất điện động cảm ứng ngược dấu với dấu của tốc độ biến thiên của từ thông:
(6)
Do đó, dấu mô đun trong định luật cảm ứng điện từ Faraday bị loại bỏ.
Điện trường xoáy
Chúng ta hãy xem xét một mạch đứng yên nằm trong một từ trường xoay chiều. Cơ chế xuất hiện dòng điện cảm ứng trong mạch là gì? Cụ thể là những lực nào gây ra sự chuyển động của các điện tích tự do, bản chất của các ngoại lực này là gì?
Cố gắng trả lời những câu hỏi này, nhà vật lý vĩ đại người Anh Maxwell đã khám phá ra một tính chất cơ bản của tự nhiên: từ trường biến thiên theo thời gian tạo ra một điện trường. Chính điện trường này tác dụng lên các điện tích tự do, gây ra dòng điện cảm ứng.
Các đường sức của điện trường tạo thành đóng lại, đó là lý do tại sao nó được gọi là điện trường xoáy. Các đường sức điện xoáy đi xung quanh các đường sức từ và có hướng như sau.
Cho từ trường tăng lên. Nếu có một mạch dẫn trong đó thì dòng điện cảm ứng sẽ chạy theo quy luật Lenz - theo chiều kim đồng hồ, khi nhìn từ cuối vectơ. Điều này có nghĩa là lực tác dụng từ điện trường xoáy lên các điện tích dương tự do của mạch điện cũng hướng vào đó; Điều này có nghĩa là vectơ cường độ điện trường xoáy hướng chính xác vào đó.
Vì vậy, các đường cường độ của điện trường xoáy trong trường hợp này được định hướng theo chiều kim đồng hồ (nhìn từ cuối vectơ , (Hình 7).
Cơm. 7. Điện trường xoáy có từ trường tăng dần
Ngược lại, nếu từ trường giảm thì các đường cường độ của điện trường xoáy có hướng ngược chiều kim đồng hồ (Hình 8).
Cơm. 8. Điện trường xoáy có từ trường giảm dần
Bây giờ chúng ta có thể hiểu rõ hơn về hiện tượng cảm ứng điện từ. Bản chất của nó nằm chính xác ở chỗ từ trường xen kẽ tạo ra điện trường xoáy. Hiệu ứng này không phụ thuộc vào việc mạch dẫn kín có nằm trong từ trường hay không; Với sự trợ giúp của mạch điện, chúng ta chỉ phát hiện được hiện tượng này bằng cách quan sát dòng điện cảm ứng.
Điện trường xoáy khác ở một số tính chất với các điện trường mà chúng ta đã biết: trường tĩnh điện và trường tĩnh của các điện tích tạo thành dòng điện một chiều.
1. Các đường sức của xoáy là khép kín, trong khi các đường sức tĩnh điện và tĩnh điện bắt đầu ở các điện tích dương và kết thúc ở các điện tích âm.
2. Trường xoáy không có thế năng: công của nó làm di chuyển điện tích dọc theo một vòng kín không bằng không. Nếu không thì trường xoáy không thể tạo ra dòng điện! Đồng thời, như chúng ta đã biết, trường tĩnh điện và trường đứng yên đều có điện thế.
Vì thế, Sức mạnh cảm ứng trong mạch đứng yên là công của điện trường xoáy làm di chuyển một điện tích dương xung quanh mạch.
Ví dụ, giả sử mạch điện là một vòng bán kính và được xuyên qua bởi một từ trường xoay chiều đều. Khi đó cường độ điện trường xoáy là như nhau tại mọi điểm của vòng. Công mà trường xoáy tác dụng lên điện tích bằng:
Do đó, đối với emf cảm ứng, chúng ta thu được:
Lực điện động cảm ứng trong dây dẫn chuyển động
Nếu một vật dẫn chuyển động trong từ trường không đổi thì trong đó cũng xuất hiện một lực điện động cảm ứng. Tuy nhiên, nguyên nhân lúc này không phải là điện trường xoáy (nó không phát sinh - xét cho cùng thì từ trường không đổi), mà là tác dụng của lực Lorentz lên các điện tích tự do của dây dẫn.
Hãy xem xét một tình huống thường xảy ra trong các vấn đề. Các đường ray song song được đặt trong mặt phẳng nằm ngang, khoảng cách giữa chúng bằng . Các đường ray nằm trong từ trường đều theo phương thẳng đứng. Một thanh dẫn điện mỏng chuyển động dọc theo đường ray với vận tốc ; nó luôn vuông góc với đường ray (Hình 9).
Cơm. 9. Chuyển động của dây dẫn trong từ trường
Chúng ta hãy lấy một điện tích dương tự do bên trong thanh. Do điện tích này chuyển động cùng với thanh với tốc độ nhanh nên lực Lorentz sẽ tác dụng lên điện tích:
Lực này hướng dọc theo trục của thanh, như trong hình (bạn hãy xem điều này - đừng quên quy tắc theo chiều kim đồng hồ hoặc tay trái!).
Lực Lorentz trong trường hợp này đóng vai trò là ngoại lực: nó làm cho các điện tích tự do của thanh chuyển động. Khi di chuyển một điện tích từ điểm này sang điểm khác, ngoại lực của chúng ta sẽ sinh công:
(Ta cũng coi chiều dài của thanh bằng .) Do đó, suất điện động cảm ứng trong thanh sẽ bằng:
(7)
Do đó, một thanh tương tự như một nguồn dòng điện có cực dương và cực âm. Bên trong thanh, do tác dụng của ngoại lực Lorentz xảy ra sự phân ly các điện tích: điện tích dương chuyển động về điểm , điện tích âm chuyển động về điểm .
Đầu tiên chúng ta giả sử rằng đường ray không dẫn dòng điện, khi đó chuyển động của các điện tích trong thanh sẽ dần dần dừng lại. Thật vậy, khi điện tích dương tích lũy ở cuối và điện tích âm ở cuối, lực Coulomb sẽ tăng lên, theo đó điện tích dương tự do bị đẩy và hút vào - và đến một lúc nào đó lực Coulomb này sẽ cân bằng với lực Lorentz. Một hiệu điện thế bằng lực điện động cảm ứng (7) sẽ được thiết lập giữa hai đầu của thanh.
Bây giờ giả sử rằng đường ray và cầu nối có tính dẫn điện. Khi đó một dòng điện cảm ứng sẽ xuất hiện trong mạch; nó sẽ đi theo hướng (từ “nguồn cộng” tới “nguồn trừ” N). Giả sử rằng điện trở của thanh bằng nhau (đây là một dạng tương tự của điện trở trong của nguồn dòng) và điện trở của phần bằng nhau (điện trở của mạch ngoài). Khi đó cường độ dòng điện cảm ứng sẽ được tìm theo định luật Ohm cho toàn bộ mạch:
Điều đáng chú ý là biểu thức (7) của lực điện động cảm ứng cũng có thể thu được bằng cách sử dụng định luật Faraday. Hãy làm điều này.
Theo thời gian, thanh của chúng ta di chuyển một đường và vào một vị trí (Hình 9). Diện tích đường viền tăng theo diện tích hình chữ nhật:
Từ thông qua mạch tăng lên. Độ tăng từ thông bằng:
Tốc độ biến thiên của từ thông là dương và bằng suất điện động cảm ứng:
Chúng tôi nhận được kết quả tương tự như trong (7). Chú ý chiều của dòng điện cảm ứng tuân theo định luật Lenz. Thật vậy, vì dòng điện chạy theo hướng nên từ trường của nó có hướng ngược lại với từ trường bên ngoài và do đó ngăn cản sự tăng từ thông qua mạch.
Trong ví dụ này, chúng ta thấy rằng trong trường hợp một dây dẫn chuyển động trong từ trường, chúng ta có thể tác dụng theo hai cách: sử dụng lực Lorentz làm ngoại lực hoặc sử dụng định luật Faraday. Kết quả sẽ giống nhau.
Dòng điện cảm ứng là dòng điện xuất hiện trong một mạch dẫn kín đặt trong từ trường xoay chiều. Dòng điện này có thể xảy ra trong hai trường hợp. Nếu có một mạch điện đứng yên bị xuyên qua bởi một dòng cảm ứng từ thay đổi. Hoặc khi một mạch dẫn chuyển động trong từ trường không đổi cũng gây ra sự thay đổi từ thông đi vào mạch.
Hình 1 - Một dây dẫn chuyển động trong từ trường không đổi
Nguyên nhân sinh ra dòng điện cảm ứng là do điện trường xoáy được tạo ra bởi từ trường. Điện trường này tác dụng lên các điện tích tự do nằm trong một dây dẫn đặt trong điện trường xoáy này.
Hình 2 - điện trường xoáy
Bạn cũng có thể tìm thấy định nghĩa này. Dòng điện cảm ứng là dòng điện sinh ra do tác dụng của cảm ứng điện từ. Nếu bạn không đi sâu vào sự phức tạp của định luật cảm ứng điện từ thì có thể mô tả tóm tắt như sau. Cảm ứng điện từ là hiện tượng xuất hiện dòng điện trong mạch dẫn dưới tác dụng của từ trường xoay chiều.
Sử dụng định luật này, bạn có thể xác định độ lớn của dòng điện cảm ứng. Vì nó cho chúng ta giá trị của EMF xảy ra trong mạch dưới tác dụng của từ trường xen kẽ.
Công thức 1 - EMF của cảm ứng từ trường.
Như có thể thấy từ công thức 1, độ lớn của lực điện động cảm ứng và do đó dòng điện cảm ứng phụ thuộc vào tốc độ biến thiên của từ thông xuyên qua mạch điện. Nghĩa là, từ thông thay đổi càng nhanh thì dòng điện cảm ứng có thể thu được càng lớn. Trong trường hợp chúng ta có từ trường không đổi trong đó mạch dẫn chuyển động thì độ lớn của EMF sẽ phụ thuộc vào tốc độ chuyển động của mạch.
Để xác định chiều dòng điện cảm ứng, người ta sử dụng quy tắc Lenz. Trong đó khẳng định dòng điện cảm ứng có chiều hướng vào dòng điện gây ra nó. Do đó có dấu trừ trong công thức xác định suất điện động cảm ứng.
Dòng điện cảm ứng đóng một vai trò quan trọng trong kỹ thuật điện hiện đại. Ví dụ, dòng điện cảm ứng được tạo ra trong rôto của động cơ cảm ứng tương tác với dòng điện được cung cấp từ nguồn điện trong stato của nó, làm cho rôto quay. Động cơ điện hiện đại được chế tạo dựa trên nguyên tắc này.
Hình 3 - động cơ không đồng bộ.
Trong máy biến áp, dòng điện cảm ứng phát sinh trong cuộn thứ cấp được sử dụng để cấp nguồn cho nhiều thiết bị điện khác nhau. Độ lớn của dòng điện này có thể được thiết lập bằng các thông số của máy biến áp.
Hình 4 - máy biến điện.
Và cuối cùng, dòng điện cảm ứng cũng có thể xuất hiện trong các vật dẫn có khối lượng lớn. Đây được gọi là dòng điện Foucault. Nhờ chúng, có thể thực hiện quá trình nấu chảy cảm ứng kim loại. Tức là dòng điện xoáy chạy trong dây dẫn làm nó nóng lên. Tùy thuộc vào cường độ của các dòng điện này, dây dẫn có thể nóng lên trên điểm nóng chảy.
Hình 5 - cảm ứng nóng chảy của kim loại.
Vì vậy, chúng tôi đã phát hiện ra rằng dòng điện cảm ứng có thể có các tác dụng cơ, điện và nhiệt. Tất cả những hiệu ứng này được sử dụng rộng rãi trong thế giới hiện đại, cả ở quy mô công nghiệp và cấp độ hộ gia đình.
Phần lớn điện năng ở dạng dòng điện cảm ứng xoay chiều trên hành tinh Trái đất được nhân loại sản xuất bằng máy phát điện cảm ứng. Dòng điện một chiều cũng thu được từ máy phát điện là trường hợp đặc biệt của dòng điện xoay chiều. Máy phát điện có nhiều thiết kế khác nhau nhưng hoạt động của chúng đều dựa trên cùng một nguyên lý. Đây là nguyên lý chuyển động tương đối (quay) của phần ứng trong từ trường của cuộn cảm, hoặc ngược lại là chuyển động quay của từ trường của cuộn cảm so với phần ứng.
Nhà khoa học nổi tiếng người Serbia Nikola Tesla đã có đóng góp to lớn về mặt khoa học và thực tiễn cho sự phát triển của khoa học điện và chế tạo các thiết bị sản xuất điện. Những phát minh và khám phá của ông với tư cách là nhà vật lý, kỹ sư và nhà thiết kế đã cung cấp nền tảng vững chắc cho sự phát triển của kỹ thuật điện và vật lý vô tuyến. Nhiều ý tưởng của ông trong các lĩnh vực khoa học và công nghệ này vẫn còn được yêu cầu cho đến ngày nay.
Các lực cơ học đáng kể được sử dụng để tổ chức và duy trì hoạt động của máy phát điện, để khắc phục các lực cản trở sự quay của phần ứng trong từ trường của cuộn cảm. Về cơ bản, các lực này được hiện thực hóa dưới dạng các động cơ khác nhau như hơi nước, tua bin khí, tua bin thủy lực, động cơ đốt trong, v.v. Cảm ứng điện từ liên quan trực tiếp (trực tiếp) đến việc sản xuất điện.
Hãy xem xét sơ đồ phòng thí nghiệm đơn giản nhất của máy phát điện, được hiển thị trong Hình 1. Hầu hết các máy phát điện công nghiệp đều được chế tạo theo sơ đồ này, nhưng có thiết kế phức tạp hơn.
Trong từ trường của nam châm vĩnh cửu, một khung dẫn 2 làm bằng dây quay giữa các cực N và S, các đầu của chúng được hàn vào các vòng dẫn 1. Các vòng này được nối với các tiếp điểm 3 rồi đến các dây của bên ngoài. mạch điện, bao gồm cả điện kế. Khung quay trong từ trường của một nam châm, từ thông của nó luôn thay đổi. Do ảnh hưởng của từ thông F lên cấu trúc vi mô của dây dẫn khung, một dòng điện cảm ứng xuất hiện trong mạch kín, được phát hiện bằng điện kế. Trong hầu hết các sách giáo khoa vật lý, giá trị F qua khung cuộn dây được định nghĩa là tích của cường độ từ trường (H) với diện tích của cuộn dây (S) và bởi sin của góc (a) giữa hướng của từ trường và mặt phẳng của khung.
Thay góc a qua (wхt), trong đó w là vận tốc góc quay của khung cuộn dây, t là thời gian, ta thu được công thức
trong đó đồ thị thay đổi giá trị Ф qua khung là hình sin (Hình 2).
Công thức trên, ngoài mô tả toán học về sự thay đổi giá trị F qua diện tích của cuộn dây, không cung cấp bất cứ điều gì về mặt hiểu biết ý nghĩa vật lý của quá trình. Trong công thức này, thay vì diện tích quay S, người ta phải chỉ ra chiều dài của dây dẫn của khung, vì từ trường trong quá trình quay của khung sẽ tương tác với cấu trúc vi mô của dây của nó.
Các biểu đồ tương tự về sự thay đổi dòng điện và điện áp theo thời gian, được ghi lại bằng máy hiện sóng, cũng biểu thị một hình sin (Hình 3). Chúng tôi cần thông tin đã biết này chỉ để nhắc nhở chúng tôi rằng tác động của từ trường bên ngoài của nam châm lên khung cuộn dây quay trong nó không gì khác hơn là sự tương tác xung, hình sin của từ trường với cấu trúc vi mô của dây dẫn trong cuộn dây. -khung.
Như đã đề cập trước đó, thiết kế của máy phát điện là một mạch dao động. Từ trường của nam châm cảm ứng (Hình 1), là từ trường bên ngoài liên quan đến khung phần ứng, ảnh hưởng đến cấu trúc vi mô của các dây dẫn khung có từ thông thay đổi theo định luật biến thiên hình sin, tạo ra nó từ trường riêng trong cấu trúc vi mô của dây dẫn phần ứng. Gần như đồng thời với thời điểm bắt đầu quay khung, một xung tín hiệu từ từ trường bên ngoài đi qua phần còn lại của mạch điện kín và trong toàn bộ thể tích của mạch, các nguồn vi mô lặp lại xung này dưới dạng hình ảnh và chân dung , tạo ra từ trường riêng trong toàn mạch. Thêm một xung nữa - và tái tạo lại (lặp lại). Và cứ như vậy vô số lần trong khi máy phát điện đang chạy.
Chúng ta hãy xem xét kỹ hơn về quá trình này. Hãy bắt đầu với một câu hỏi bất tiện dành cho trẻ em: “Tại sao dòng điện cảm ứng lại xuất hiện trong một khung kín (so với Hình 1), quay trong từ trường của một nam châm vĩnh cửu và không phát sinh trong một khung đứng yên nằm trong cùng một khung từ trường của nam châm thì khung đó ở vị trí nào? Theo vật lý lượng tử, các điện tích electron quay quanh hạt nhân nguyên tử với tốc độ cao. Trong trường hợp này, các electron có hai mômen từ: quỹ đạo và spin, và theo cùng các định luật lượng tử, chúng phải tương tác với từ trường (chúng phải giảm tốc trong từ trường của một nam châm đứng yên), phát ra năng lượng vi mô tương tự như đèn phía bắc . Nhưng đó không phải là trường hợp. Không có bức xạ nào xảy ra, mặc dù các đường sức từ (MFL) của nam châm xuyên qua cấu trúc vi mô của dây dẫn ở cấp độ nguyên tử. Tại sao các nguồn vi điện tử trong vi cấu trúc của dây dẫn lại bị hút bởi từ trường chuyển động? Để trả lời câu hỏi này, chúng ta hãy nhớ lại thí nghiệm của nhà khoa học người Nga P.N. Lebedev nghiên cứu áp suất của ánh sáng lên các vật nhẹ trong chân không. Copernicus còn chỉ ra rằng áp suất ánh sáng tồn tại nhờ quan sát phần đuôi của sao chổi bay gần Mặt trời.
Chúng ta hãy nhớ lại một số thí nghiệm đơn giản trong đó quan sát thấy sự xuất hiện của dòng điện do cảm ứng điện từ.
Một trong những thí nghiệm này được thể hiện trong hình. 253. Nếu một cuộn dây gồm nhiều vòng dây được nhanh chóng đặt vào một nam châm hoặc kéo nó ra (Hình 253, a), thì trong đó sẽ xuất hiện một dòng điện cảm ứng ngắn hạn, có thể phát hiện được bằng cách ném kim của điện kế nối vào hai đầu cuộn dây. Điều tương tự cũng xảy ra nếu nam châm bị đẩy nhanh vào cuộn dây hoặc bị kéo ra khỏi nó (Hình 253, b). Rõ ràng, chỉ có chuyển động tương đối của cuộn dây và từ trường mới quan trọng. Dòng điện dừng lại khi chuyển động này dừng lại.
Cơm. 253. Với chuyển động tương đối của cuộn dây và nam châm, trong cuộn dây xuất hiện một dòng điện cảm ứng: a) cuộn dây đặt vào nam châm; b) nam châm di chuyển vào cuộn dây
Bây giờ chúng ta hãy xem xét một số thí nghiệm bổ sung sẽ cho phép chúng ta xây dựng ở dạng tổng quát hơn các điều kiện xuất hiện dòng điện cảm ứng.
Chuỗi thí nghiệm đầu tiên: thay đổi cảm ứng từ của trường nơi đặt vòng cảm ứng (cuộn dây hoặc khung).
Cuộn dây được đặt trong một từ trường, ví dụ, bên trong một cuộn dây điện từ (Hình 254, a) hoặc giữa các cực của một nam châm điện (Hình 254, b). Hãy lắp cuộn dây sao cho mặt phẳng quay của nó vuông góc với các đường sức từ của cuộn dây hoặc nam châm điện. Chúng ta sẽ thay đổi cảm ứng từ của từ trường bằng cách thay đổi nhanh cường độ dòng điện trong cuộn dây (sử dụng biến trở) hoặc đơn giản là tắt và bật dòng điện (bằng phím). Với mỗi sự thay đổi của từ trường, kim điện kế sẽ bật trở lại mạnh mẽ; điều này cho thấy sự xuất hiện của dòng điện cảm ứng trong mạch cuộn dây. Khi từ trường mạnh lên (hoặc xuất hiện), một dòng điện theo một hướng sẽ xuất hiện và khi nó yếu đi (hoặc biến mất), một dòng điện theo hướng ngược lại sẽ xuất hiện. Bây giờ chúng ta hãy thực hiện thí nghiệm tương tự, lắp đặt cuộn dây sao cho mặt phẳng quay của nó song song với hướng của các đường sức từ (Hình 255). Thí nghiệm sẽ cho kết quả âm tính: dù chúng ta thay đổi cảm ứng từ của trường như thế nào, chúng ta sẽ không phát hiện được dòng điện cảm ứng trong mạch cuộn dây.
Cơm. 254. Dòng điện cảm ứng xuất hiện trong một cuộn dây khi cảm ứng từ thay đổi nếu mặt phẳng quay của nó vuông góc với các đường sức từ: a) cuộn dây trong từ trường; b) cuộn dây nằm trong từ trường của nam châm điện. Cảm ứng từ thay đổi khi công tắc đóng mở hoặc khi dòng điện trong mạch thay đổi
Cơm. 255. Dòng điện cảm ứng không xuất hiện nếu mặt phẳng của cuộn dây quay song song với các đường sức từ
Chuỗi thí nghiệm thứ hai: thay đổi vị trí của một cuộn dây đặt trong từ trường không đổi.
Chúng ta hãy đặt cuộn dây bên trong cuộn dây điện, nơi từ trường đều và nhanh chóng xoay nó theo một góc nhất định quanh trục vuông góc với hướng của từ trường (Hình 256). Với bất kỳ chuyển động quay nào như vậy, điện kế nối với cuộn dây sẽ phát hiện dòng điện cảm ứng, hướng của dòng điện này phụ thuộc vào vị trí ban đầu của cuộn dây và hướng quay. Khi cuộn dây quay hoàn toàn 360°, hướng của dòng điện cảm ứng thay đổi hai lần: mỗi lần cuộn dây đi qua một vị trí mà mặt phẳng của nó vuông góc với hướng của từ trường. Tất nhiên, nếu bạn quay cuộn dây rất nhanh, dòng điện cảm ứng sẽ thay đổi hướng thường xuyên đến mức kim của điện kế thông thường sẽ không có thời gian để theo dõi những thay đổi này và sẽ cần một thiết bị khác, “ngoan ngoãn” hơn.
Cơm. 256. Khi một cuộn dây quay trong từ trường sẽ xuất hiện một dòng điện cảm ứng trong đó
Tuy nhiên, nếu cuộn dây được di chuyển sao cho nó không quay so với hướng của từ trường mà chỉ chuyển động song song với chính nó theo bất kỳ hướng nào dọc theo từ trường, ngang qua nó hoặc theo một góc bất kỳ so với hướng của từ trường, thì sẽ không xuất hiện dòng điện cảm ứng. Chúng ta hãy nhấn mạnh một lần nữa: thí nghiệm di chuyển cuộn dây được thực hiện trong một trường đều (ví dụ, bên trong một cuộn dây dài hoặc trong từ trường của Trái đất). Nếu trường không đồng nhất (ví dụ, ở gần cực của nam châm hoặc nam châm điện), thì bất kỳ chuyển động nào của cuộn dây đều có thể kèm theo sự xuất hiện của dòng điện cảm ứng, ngoại trừ một trường hợp: dòng điện cảm ứng không phát sinh nếu cuộn dây chuyển động sao cho mặt phẳng của nó luôn song song với hướng của từ trường (tức là không có đường sức từ nào đi qua cuộn dây).
Chuỗi thí nghiệm thứ ba: thay đổi diện tích của mạch điện nằm trong từ trường không đổi.
Một thí nghiệm tương tự có thể được thực hiện theo sơ đồ sau (Hình 257). Ví dụ, trong từ trường, giữa các cực của một nam châm điện lớn, chúng ta đặt một mạch điện làm bằng dây mềm. Để đường viền ban đầu có dạng hình tròn (Hình 257a). Với một chuyển động nhanh của bàn tay, bạn có thể thắt chặt đường viền thành một vòng hẹp, do đó làm giảm đáng kể diện tích mà nó bao phủ (Hình 257, b). Điện kế sẽ chỉ ra sự xuất hiện của dòng điện cảm ứng.
Cơm. 257. Dòng điện cảm ứng xuất hiện trong cuộn dây nếu diện tích mạch của nó, nằm trong từ trường không đổi và vuông góc với các đường sức từ, thay đổi (từ trường hướng ra xa người quan sát)
Sẽ thuận tiện hơn nữa khi thực hiện một thử nghiệm thay đổi diện tích đường viền theo sơ đồ trong Hình. 258. Trong từ trường có một mạch điện, một trong các cạnh của nó (trong Hình 258) được làm chuyển động được. Mỗi lần nó di chuyển, điện kế sẽ phát hiện sự xuất hiện của dòng điện cảm ứng trong mạch. Hơn nữa, khi di chuyển sang trái (diện tích tăng), dòng điện cảm ứng có một hướng và khi di chuyển sang phải (diện tích giảm) - theo hướng ngược lại. Tuy nhiên, ngay cả trong trường hợp này, việc thay đổi diện tích của mạch không tạo ra dòng điện cảm ứng nào nếu mặt phẳng của mạch song song với hướng của từ trường.
Cơm. 258. Khi thanh chuyển động và kết quả là diện tích của mạch nằm trong từ trường thay đổi, sẽ xuất hiện một dòng điện trong mạch.
Bằng cách so sánh tất cả các thí nghiệm được mô tả, chúng ta có thể xây dựng các điều kiện để xuất hiện dòng điện cảm ứng ở dạng tổng quát. Trong tất cả các trường hợp được xem xét, chúng ta có một mạch điện được đặt trong từ trường và mặt phẳng của mạch có thể tạo một góc này hoặc một góc khác với hướng của cảm ứng từ. Chúng ta hãy biểu thị diện tích được giới hạn bởi đường viền bằng , cảm ứng từ của trường bằng , và góc giữa hướng của cảm ứng từ và mặt phẳng của đường viền bằng . Trong trường hợp này, thành phần cảm ứng từ vuông góc với mặt phẳng của mạch điện sẽ có độ lớn bằng nhau (Hình 259)
Cơm. 259. Phân tích cảm ứng từ thành một thành phần vuông góc với mặt phẳng của vòng cảm ứng và một thành phần song song với mặt phẳng này
Chúng ta sẽ gọi tích này là từ thông cảm ứng từ, hay nói ngắn gọn là từ thông qua mạch điện; Chúng tôi sẽ biểu thị số lượng này bằng chữ cái . Như vậy,
. (138.1) qua đường viền này không thay đổi. Vì thế:
Bất cứ khi nào có sự thay đổi từ thông qua mạch dẫn thì sẽ xuất hiện dòng điện trong mạch này.
Đây là một trong những định luật quan trọng nhất của tự nhiên - định luật cảm ứng điện từ, được Faraday phát hiện ra vào năm 1831.
138.1. Cuộn dây I và II được đặt chồng lên nhau (Hình 260). Mạch thứ nhất bao gồm pin, mạch thứ hai chứa điện kế. Nếu một thanh sắt được đẩy vào hoặc ra khỏi cuộn dây thứ nhất, điện kế sẽ phát hiện sự xuất hiện của dòng điện cảm ứng trong cuộn dây thứ hai. Giải thích kinh nghiệm này.
Cơm. 260. Đối với bài tập 138.1
138.2. Khung dây quay trong từ trường đều quanh một trục song song với cảm ứng từ. Dòng điện cảm ứng có xuất hiện trong đó không?
138.3. Liệu e. d.s. cảm ứng ở hai đầu trục thép của ô tô khi nó chuyển động? Xe đang chuyển động theo hướng nào? d.s. lớn nhất và nhỏ nhất tại điểm nào? Nó có phụ thuộc không? d.s. cảm ứng từ tốc độ ô tô?
138.4. Khung xe cùng với hai trục của nó tạo thành một mạch dẫn điện khép kín. Dòng điện xuất hiện trong nó khi ô tô chuyển động có phải không? Làm sao có thể đối chiếu đáp án của vấn đề này với kết quả của vấn đề 138.3?
138.5. Tại sao sét đánh đôi khi gây hư hỏng các dụng cụ đo điện nhạy cảm cách điểm va chạm vài mét và làm chảy cầu chì trong mạng lưới chiếu sáng?