Nếu thay đổi từ trường không xảy ra thì sẽ không có dòng điện. Ngay cả khi có từ trường tồn tại. Chúng ta có thể nói rằng dòng điện cảm ứng tỷ lệ thuận, thứ nhất, với số vòng dây và thứ hai, với tốc độ của từ trường mà từ trường này thay đổi so với số vòng dây.
Cơm. 3. Độ lớn của dòng điện cảm ứng phụ thuộc vào điều gì?
Để mô tả đặc điểm của từ trường, người ta sử dụng một đại lượng gọi là từ thông. Nó đặc trưng cho từ trường nói chung; chúng ta sẽ nói về điều này trong bài học tiếp theo. Bây giờ, chúng ta hãy lưu ý rằng đó là sự thay đổi từ thông, tức là số lượng đường sức từ xuyên qua mạch mang dòng điện (ví dụ như một cuộn dây), dẫn đến xuất hiện dòng điện cảm ứng trong mạch này.
Vật lý. lớp 9
Chủ đề: Điện từ trường
Bài học 44 từ thông
Eryutkin E.S., giáo viên vật lý hạng mục cao nhất Trường cấp 2 GOU số 1360
Giới thiệu. Các thí nghiệm của Faraday
Tiếp tục nghiên cứu chủ đề “Cảm ứng điện từ”, chúng ta cùng tìm hiểu kỹ hơn về một khái niệm như từ thông.
Bạn đã biết cách phát hiện hiện tượng cảm ứng điện từ- nếu một dây dẫn kín bị cắt chéo đường sức từ, xuất hiện dòng điện trong dây dẫn này. Dòng điện này được gọi là cảm ứng.
Bây giờ chúng ta hãy thảo luận xem dòng điện này được hình thành như thế nào và điều gì quan trọng để dòng điện này xuất hiện.
Trước hết chúng ta hãy chuyển sang Thí nghiệm của Faraday và xem xét lại các tính năng quan trọng của nó.
Vì vậy, chúng ta có một ampe kế, một cuộn dây có một số lượng lớn quay, được nối ngắn mạch với ampe kế này.
Chúng ta lấy một nam châm và cũng giống như bài học trước, chúng ta hạ nam châm này vào bên trong cuộn dây. Mũi tên lệch tức là có dòng điện chạy trong mạch.
Cơm. 1. Kinh nghiệm phát hiện dòng điện cảm ứng.
Nhưng khi đặt nam châm vào cuộn dây thì trong mạch không có dòng điện. Nhưng ngay khi bạn cố gắng tháo nam châm này ra khỏi cuộn dây, một dòng điện lại xuất hiện trong mạch, nhưng hướng của dòng điện này lại thay đổi theo hướng ngược lại.
Cũng xin lưu ý rằng giá trị của dòng điện chạy trong mạch cũng phụ thuộc vào tính chất của nam châm. Nếu bạn lấy một nam châm khác và thực hiện thí nghiệm tương tự, giá trị của dòng điện sẽ thay đổi đáng kể, theo trong trường hợp này dòng điện trở nên ít hơn.
Sau khi tiến hành thí nghiệm, ta có thể kết luận dòng điện sinh ra trong một dây dẫn kín (trong cuộn dây) có liên quan đến từ trường nam châm vĩnh cửu.
Nói cách khác, dòng điện phụ thuộc vào đặc tính nào đó của từ trường. Và chúng tôi đã giới thiệu một đặc điểm như vậy - cảm ứng từ.
Chúng ta hãy nhớ lại rằng cảm ứng từ được ký hiệu bằng chữ cái, đây là - lượng vectơ. Và cảm ứng từ được đo bằng Tesla.
⇒ - Tesla - để vinh danh nhà khoa học châu Âu và Mỹ Nikola Tesla.
Cảm ứng từđặc trưng cho tác dụng của từ trường lên một dây dẫn mang dòng điện đặt trong trường này.
Tuy nhiên, khi nói về dòng điện, chúng ta phải hiểu rằng dòng điện, bạn đã biết điều này từ lớp 8, phát sinh dưới tác dụng của điện trường.
Vì vậy có thể kết luận rằng điện dòng điện cảm ứng xuất hiện do điện trường, do đó được hình thành do tác dụng của từ trường. Và mối quan hệ này đạt được chính xác thông qua từ thông.
Nếu có một mạch dẫn kín đặt trong từ trường không chứa nguồn dòng điện thì khi từ trường thay đổi sẽ xuất hiện một dòng điện trong mạch. Hiện tượng này được gọi là cảm ứng điện từ. Sự xuất hiện của dòng điện cho thấy sự xuất hiện của một điện trường trong mạch, có thể tạo ra chuyển động khép kín điện tích hay nói cách khác là về sự xuất hiện của EMF. Điện trường phát sinh khi từ trường thay đổi và công của nó khi chuyển động của các điện tích dọc theo một mạch kín khác 0, có các đường sức khép kín và được gọi là trường xoáy.
Vì mô tả định lượng Cảm ứng điện từ giới thiệu khái niệm từ thông (hay từ thông của vectơ cảm ứng từ) thông qua một vòng kín. Đối với một mạch phẳng đặt trong từ trường đều (và chỉ những tình huống như vậy học sinh mới có thể gặp phải trong một trường hợp duy nhất). kỳ thi cấp bang), từ thông được định nghĩa là
trong đó cảm ứng trường, là diện tích đường viền, là góc giữa vectơ cảm ứng và pháp tuyến (vuông góc) với mặt phẳng đường viền (xem hình; đường vuông góc với mặt phẳng đường viền được biểu thị bằng một đường chấm). Đơn vị từ thông trong hệ thống quốc tếĐơn vị đo SI là Weber (Wb), được định nghĩa là từ thông xuyên qua đường viền có diện tích 1 m 2 của từ trường đều có cảm ứng 1 T, vuông góc với mặt phẳngđường viền.
Độ lớn của suất điện động cảm ứng xuất hiện trong mạch khi từ thông qua mạch này thay đổi bằng tốc độ biến thiên của từ thông
|
Đây là sự thay đổi từ thông qua mạch trong một khoảng thời gian ngắn. Tài sản quan trọngĐịnh luật cảm ứng điện từ (23.2) có tính phổ quát xét về nguyên nhân làm thay đổi từ thông: từ thông qua mạch có thể thay đổi do sự thay đổi cảm ứng từ trường, sự thay đổi diện tích của mạch hoặc sự thay đổi góc giữa vectơ cảm ứng và pháp tuyến, xảy ra khi mạch quay trong từ trường. Trong tất cả các trường hợp này, theo định luật (23.2), suất điện động cảm ứng và dòng điện cảm ứng sẽ xuất hiện trong mạch.
Dấu trừ trong công thức (23.2) “chịu trách nhiệm” về chiều của dòng điện do cảm ứng điện từ (định luật Lenz). Tuy nhiên, không dễ để hiểu theo ngôn ngữ của định luật (23.2) dấu hiệu này sẽ dẫn đến hướng nào của dòng điện cảm ứng khi có một sự thay đổi cụ thể trong từ thông qua mạch. Nhưng thật dễ dàng để nhớ kết quả: dòng điện cảm ứng sẽ có hướng sao cho từ trường mà nó tạo ra sẽ “có xu hướng” bù cho sự thay đổi của từ trường bên ngoài đã tạo ra dòng điện này. Ví dụ, khi từ trường ngoài chạy qua mạch điện tăng lên thì sẽ xuất hiện một dòng điện cảm ứng trong mạch điện, từ trường của mạch điện này sẽ hướng ngược lại với từ trường ngoài để làm giảm trường ngoài và do đó duy trì cường độ ban đầu. giá trị của từ trường. Khi từ thông qua mạch giảm đi thì trường dòng điện cảm ứng sẽ cùng chiều với từ trường ngoài.
Nếu vì lý do nào đó mà dòng điện trong mạch có dòng điện thay đổi thì từ thông chạy qua mạch của từ trường do chính dòng điện này tạo ra cũng thay đổi. Khi đó, theo định luật (23.2), một suất điện động cảm ứng sẽ xuất hiện trong mạch điện. Hiện tượng xuất hiện suất điện động cảm ứng trong một số mạch điện do sự thay đổi dòng điện trong chính mạch điện này được gọi là hiện tượng tự cảm. Để tìm Emf tự gây ra trong một số mạch điện cần tính thông lượng của từ trường do mạch này tạo ra xuyên qua chính nó. Tính toán này là vấn đề phức tạp do tính không đồng nhất của từ trường. Tuy nhiên, một đặc tính của dòng chảy này là hiển nhiên. Vì từ trường do dòng điện tạo ra trong mạch tỉ lệ với cường độ dòng điện nên từ thông của từ trường riêng qua mạch tỉ lệ với cường độ dòng điện trong mạch
|
Cường độ dòng điện trong mạch ở đâu là hệ số tỷ lệ, đặc trưng cho “hình học” của mạch, nhưng không phụ thuộc vào dòng điện trong mạch và được gọi là độ tự cảm của mạch này. Đơn vị của độ tự cảm trong hệ SI là Henry (H). 1 H được định nghĩa là độ tự cảm của mạch điện đó, từ thông cảm ứng của từ trường của chính nó chạy qua nó bằng 1 Wb với cường độ dòng điện là 1 A. Có tính đến định nghĩa về độ tự cảm (23.3) từ định luật điện từ cảm ứng (23.2), chúng ta thu được EMF tự cảm ứng
|
Do hiện tượng tự cảm ứng, dòng điện trong bất kỳ mạch điện nào cũng có một “quán tính” nhất định và do đó có năng lượng. Thật vậy, để tạo ra dòng điện trong mạch cần phải thực hiện công để khắc phục EMF tự cảm. Năng lượng của mạch hiện tại bằng công việc này. Cần nhớ công thức tính năng lượng của mạch điện
|
độ tự cảm của mạch ở đâu, cường độ dòng điện trong mạch bằng bao nhiêu.
Hiện tượng cảm ứng điện từ được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ. Việc tạo ra dòng điện trong máy phát điện và nhà máy điện dựa trên nó. Nhờ định luật cảm ứng điện từ mà xảy ra sự biến đổi rung động cơ học trong micro điện. Dựa trên định luật cảm ứng điện từ, nó hoạt động, đặc biệt, mạch điện, được gọi là mạch dao động(xem chương tiếp theo), và là cơ sở của bất kỳ thiết bị truyền hoặc thu sóng vô tuyến nào.
Bây giờ chúng ta hãy xem xét các nhiệm vụ.
Trong số những người được liệt kê trong vấn đề 23.1.1 hiện tượng này, chỉ có một hệ quả của định luật cảm ứng điện từ - sự xuất hiện của dòng điện trong vòng khi cho một nam châm vĩnh cửu đi qua nó (câu trả lời 3 ). Mọi thứ khác là kết quả của sự tương tác từ tính của dòng điện.
Như đã trình bày ở phần giới thiệu chương này, hiện tượng cảm ứng điện từ là cơ sở hoạt động của máy phát điện AC (vấn đề 23.1.2), tức là thiết bị tạo ra dòng điện xoay chiều có tần số nhất định (câu trả lời 2 ).
Cảm ứng của từ trường do nam châm vĩnh cửu tạo ra giảm dần khi khoảng cách đến nó ngày càng tăng. Do đó, khi nam châm đến gần vòng ( vấn đề 23.1.3) từ trường của nam châm qua vòng thay đổi và xuất hiện dòng điện cảm ứng trong vòng. Rõ ràng, điều này sẽ xảy ra khi nam châm tiến đến gần vòng tròn có cả cực bắc và cực nam. Nhưng chiều của dòng điện cảm ứng trong những trường hợp này sẽ khác nhau. Điều này là do thực tế là khi một nam châm tiếp cận vòng có các cực khác nhau, trường trong mặt phẳng của vòng trong một trường hợp sẽ hướng ngược lại với trường trong trường hợp kia. Vì vậy, để bù đắp cho những thay đổi này trường bên ngoài từ trường của dòng điện cảm ứng phải có hướng khác nhau trong những trường hợp này. Do đó, chiều dòng điện cảm ứng trong vòng sẽ ngược chiều nhau (câu trả lời 4 ).
Để xuất hiện lực điện động cảm ứng trong vòng thì từ thông qua vòng phải thay đổi. Và vì cảm ứng từ của từ trường nam châm phụ thuộc vào khoảng cách đến nó, nên trong trường hợp đang xét vấn đề 23.1.4 Trong trường hợp này, dòng điện chạy qua vòng sẽ thay đổi và xuất hiện dòng điện cảm ứng trong vòng (câu trả lời 1
).
Khi xoay khung 1 ( vấn đề 23.1.5) góc giữa các đường cảm ứng từ (và do đó, vectơ cảm ứng) và mặt phẳng của hệ quy chiếu tại bất kỳ thời điểm nào bằng 0. Do đó, từ thông qua khung 1 không thay đổi (xem công thức (23.1)) và dòng điện cảm ứng không xuất hiện trong khung 1. Ở khung 2 sẽ xuất hiện một dòng điện cảm ứng: ở vị trí như hình vẽ thì từ thông qua khung bằng 0, khi khung quay một phần tư vòng sẽ bằng , ở đâu là cảm ứng và là diện tích của khung. Sau một phần tư lượt nữa, luồng sẽ lại bằng 0, v.v. Do đó, dòng cảm ứng từ qua khung 2 thay đổi trong quá trình quay nên xuất hiện dòng điện cảm ứng trong khung (trả lời 2 ).
TRONG vấn đề 23.1.6 dòng điện cảm ứng chỉ xảy ra trong trường hợp 2 (đáp án 2
). Thật vậy, trong trường hợp 1, khung khi chuyển động vẫn giữ nguyên khoảng cách với dây dẫn và do đó, từ trường do dây dẫn này tạo ra trong mặt phẳng của khung không thay đổi. Khi khung di chuyển ra xa dây dẫn, cảm ứng từ của trường dây dẫn trong khu vực khung thay đổi, từ thông qua khung thay đổi và xuất hiện dòng điện cảm ứng
Định luật cảm ứng điện từ phát biểu rằng một dòng điện cảm ứng sẽ chạy trong một vòng khi từ thông qua vòng đó thay đổi. Do đó, khi nam châm đứng yên gần vòng ( vấn đề 23.1.7) không có dòng điện cảm ứng chạy trong vòng dây. Vì vậy, đáp án đúng trong bài toán này là 2 .
Theo định luật cảm ứng điện từ (23.2), suất điện động cảm ứng trong hệ quy chiếu được xác định bởi tốc độ biến thiên của từ thông xuyên qua nó. Và vì theo điều kiện vấn đề 23.1.8 cảm ứng từ trường trong diện tích khung thay đổi đều, tốc độ biến thiên không đổi, giá trị suất điện động cảm ứng không thay đổi trong quá trình thí nghiệm (trả lời 3 ).
TRONG vấn đề 23.1.9 suất điện động cảm ứng phát sinh trong hệ quy chiếu trong trường hợp thứ hai lớn hơn bốn lần so với suất điện động cảm ứng phát sinh trong hệ quy chiếu thứ nhất (câu trả lời 4 ). Điều này là do diện tích khung tăng gấp bốn lần và do đó, từ thông qua nó trong trường hợp thứ hai.
TRONG nhiệm vụ 23.1.10 trong trường hợp thứ hai, tốc độ thay đổi của từ thông tăng gấp đôi (cảm ứng trường thay đổi một lượng như nhau nhưng trong một nửa thời gian). Do đó, suất điện động của cảm ứng điện từ xảy ra trong hệ quy chiếu ở trường hợp thứ hai lớn gấp đôi trường hợp thứ nhất (câu trả lời 1 ).
Khi dòng điện trong dây dẫn kín tăng gấp đôi ( vấn đề 23.2.1), độ lớn của cảm ứng từ trường sẽ tăng gấp đôi tại mỗi điểm trong không gian mà không đổi hướng. Do đó, từ thông qua một diện tích nhỏ bất kỳ và theo đó, toàn bộ dây dẫn sẽ thay đổi đúng hai lần (câu trả lời 1
). Nhưng tỉ số giữa từ thông qua dây dẫn và dòng điện trong dây dẫn này, biểu thị độ tự cảm của dây dẫn 
, nó sẽ không thay đổi ( vấn đề 23.2.2- trả lời 3
).
Sử dụng công thức (23.3) chúng ta tìm thấy ở vấn đề 32.2.3 Gn (trả lời 4 ).
Mối quan hệ giữa các đơn vị từ thông, cảm ứng từ và độ tự cảm ( vấn đề 23.2.4) suy ra từ định nghĩa của độ tự cảm (23.3): một đơn vị từ thông (Wb) bằng tích của một đơn vị dòng điện (A) trên một đơn vị độ tự cảm (H) - đáp án 3 .
Theo công thức (23.5), khi độ tự cảm của cuộn dây tăng gấp đôi và dòng điện trong nó giảm gấp đôi ( vấn đề 23.2.5) thì năng lượng từ trường của cuộn dây sẽ giảm đi 2 lần (đáp án 2 ).
Khi khung quay trong từ trường đều thì từ thông qua khung thay đổi do sự thay đổi góc giữa đường vuông góc với mặt phẳng của khung và vectơ cảm ứng từ trường. Và vì trong cả trường hợp thứ nhất và thứ hai trong vấn đề 23.2.6 góc này thay đổi theo cùng một quy luật (theo điều kiện, tần số quay của các khung là như nhau), khi đó lực điện động cảm ứng thay đổi theo cùng một quy luật và do đó tỷ số giữa các giá trị biên độ của suất điện động cảm ứng trong hệ quy chiếu bằng đơn vị (câu trả lời 2 ).
Từ trường, được tạo ra bởi dây dẫn với dòng điện trong vùng khung ( vấn đề 23.2.7), được chỉ đạo “từ chúng tôi” (xem giải pháp cho các vấn đề ở Chương 22). Độ lớn cảm ứng trường của dây trong khu vực khung sẽ giảm khi nó di chuyển ra xa dây. Do đó, dòng điện cảm ứng trong khung sẽ tạo ra một từ trường hướng vào bên trong khung “cách xa chúng ta”. Bây giờ sử dụng quy tắc gimlet để tìm chiều cảm ứng từ, ta kết luận rằng dòng điện cảm ứng trong khung sẽ có chiều theo chiều kim đồng hồ (trả lời 1 ).
Khi dòng điện trong dây tăng thì từ trường do nó tạo ra sẽ tăng và xuất hiện dòng điện cảm ứng trong khung ( vấn đề 23.2.8). Kết quả là sẽ xuất hiện sự tương tác giữa dòng điện cảm ứng trong khung và dòng điện trong dây dẫn. Để tìm hướng của tương tác này (lực hút hoặc lực đẩy), bạn có thể tìm hướng của dòng điện cảm ứng, sau đó, sử dụng công thức Ampe, lực tương tác giữa khung và dây. Nhưng bạn có thể làm khác đi bằng cách sử dụng quy tắc Lenz. Mọi hiện tượng quy nạp đều phải có chiều hướng bù đắp cho nguyên nhân gây ra chúng. Và vì nguyên nhân là do dòng điện trong khung tăng lên nên lực tương tác giữa dòng điện cảm ứng và dây dẫn sẽ có xu hướng làm giảm từ thông của từ trường dây dẫn qua khung. Và vì cảm ứng từ của từ trường của dây giảm khi khoảng cách đến nó ngày càng tăng nên lực này sẽ đẩy khung ra khỏi dây (câu trả lời 2 ). Nếu dòng điện trong dây giảm, khung sẽ bị hút vào dây.
Bài toán 23.2.9 còn liên quan đến chiều của hiện tượng cảm ứng và định luật Lenz. Khi một nam châm đến gần một vòng dẫn, một dòng điện cảm ứng sẽ xuất hiện trong nó và hướng của nó sẽ bù đắp cho nguyên nhân gây ra nó. Và vì nguyên nhân này là do nam châm tiến lại gần nên chiếc nhẫn sẽ bị đẩy ra khỏi nó (câu trả lời 2 ). Nếu nam châm được di chuyển ra xa vòng, thì cũng vì những lý do tương tự, lực hút của vòng đối với nam châm sẽ xuất hiện.
Bài toán 23.2.10 là bài toán tính toán duy nhất trong chương này. Để tìm suất điện động cảm ứng, bạn cần tìm sự thay đổi từ thông trong mạch 
. Nó có thể được thực hiện như thế này. Hãy để tại một thời điểm nào đó người nhảy ở vị trí như trong hình và để một khoảng thời gian nhỏ trôi qua. Trong khoảng thời gian này, người nhảy sẽ di chuyển một khoảng. Điều này sẽ dẫn đến sự gia tăng diện tích đường viền 
theo số lượng 
. Do đó, độ biến thiên từ thông qua mạch sẽ bằng , và độ lớn của suất điện động cảm ứng 
(trả lời 4
).
Giáo viên vật lý, Trường THCS số 58, Sevastopol, Safronenko N.I.
Chủ đề bài học: Các thí nghiệm của Faraday. Cảm ứng điện từ.
Phòng thí nghiệm “Nghiên cứu hiện tượng cảm ứng điện từ”
Mục tiêu bài học : Biết/hiểu: định nghĩa về hiện tượng cảm ứng điện từ. Có thể mô tả và giải thích hiện tượng cảm ứng điện từ,có thể thực hiện các quan sát hiện tượng tự nhiên, sử dụng đơn giản dụng cụ đo lườngđể nghiên cứu các hiện tượng vật lý.
- đang phát triển: phát triển tư duy logic, sở thích nhận thức, quan sát.
- giáo dục: Để hình thành niềm tin vào khả năng nhận biết thiên nhiên,sự cần thiếtsử dụng khôn ngoan các thành tựu khoa học để phát triển hơn nữa xã hội loài người, tôn trọng người sáng tạo ra khoa học và công nghệ.
Thiết bị: Cảm ứng điện từ: cuộn dây có điện kế, nam châm, cuộn dây có lõi, nguồn dòng điện, biến trở, cuộn dây có lõi có dòng điện xoay chiều chạy qua, chất rắn và vòng có khe, cuộn dây có đèn bóng đèn. Phim về M. Faraday.
Loại bài học: bài học kết hợp
Phương pháp bài học: tìm kiếm một phần, giải thích và minh họa
§21(trang 90-93), trả lời miệng trang 90, bài kiểm tra 11 trang 108
Công việc trong phòng thí nghiệm
Nghiên cứu hiện tượng cảm ứng điện từ
Mục đích của công việc: tìm ra
1) trong điều kiện nào xuất hiện dòng điện cảm ứng trong mạch kín (cuộn dây);
2) yếu tố quyết định chiều của dòng điện cảm ứng;
3) yếu tố quyết định cường độ dòng điện cảm ứng.
Thiết bị : miliampe kế, cuộn dây, nam châm
Tiến trình của bài học.
Nối các đầu của cuộn dây với các đầu của miliampe kế.
1. Tìm hiểu những gì Dòng điện (cảm ứng) trong cuộn dây xuất hiện khi từ trường bên trong cuộn dây thay đổi. Những thay đổi trong từ trường bên trong cuộn dây có thể được gây ra bằng cách di chuyển một nam châm vào hoặc ra khỏi cuộn dây.
A) Đưa nam châm có cực Nam vào cuộn dây rồi tháo ra.
B) Đưa nam châm có cực Bắc vào cuộn dây rồi tháo ra.
Khi nam châm chuyển động, trong cuộn dây có xuất hiện dòng điện (cảm ứng) không? (Khi từ trường thay đổi có xuất hiện dòng điện cảm ứng trong cuộn dây không?)
2. Tìm hiểu những gì chiều của dòng điện cảm ứng phụ thuộc vào chiều chuyển động của nam châm so với cuộn dây (thêm hoặc bớt nam châm) và nam châm được cắm vào hay bỏ ra ở cực nào.
A) Đưa nam châm có cực Nam vào cuộn dây rồi tháo ra. Quan sát hiện tượng xảy ra với kim milimet trong cả hai trường hợp.
B) Đưa nam châm có cực Bắc vào cuộn dây rồi tháo ra. Quan sát hiện tượng xảy ra với kim milimet trong cả hai trường hợp. Vẽ chiều lệch của kim milimet:
Cột nam châm
Để cuộn
Từ cuộn phim
Bắc Cực
3. Tìm hiểu những gì cường độ dòng điện cảm ứng phụ thuộc vào tốc độ của nam châm (tốc độ biến thiên của từ trường trong cuộn dây).
Từ từ đưa nam châm vào cuộn dây. Quan sát chỉ số milimet.
Nhanh chóng chèn nam châm vào cuộn dây. Quan sát chỉ số milimet.
Phần kết luận.
Tiến độ bài học
Con đường đi đến tri thức? Cô ấy thật dễ hiểu. Bạn có thể trả lời một cách đơn giản: “Bạn mắc sai lầm và lặp lại sai lầm, nhưng mỗi lần ít hơn, ít hơn. Tôi mong rằng bài học hôm nay sẽ bớt đi một phần về con đường tri thức này. Bài học của chúng ta dành cho hiện tượng cảm ứng điện từ được nhà vật lý người Anh Michael Faraday phát hiện vào ngày 29 tháng 8 năm 1831. Trường hợp hiếm, khi ngày của một khám phá tuyệt vời mới được biết đến một cách chính xác đến vậy!
Hiện tượng cảm ứng điện từ là hiện tượng xuất hiện dòng điện trong một dây dẫn (cuộn dây) kín khi từ trường ngoài bên trong cuộn dây thay đổi. Dòng điện được gọi là cảm ứng. Cảm ứng - hướng dẫn, tiếp nhận.
Mục tiêu của bài học: nghiên cứu hiện tượng cảm ứng điện từ, tức là trong những điều kiện nào xuất hiện dòng điện cảm ứng trong mạch kín (cuộn dây); tìm hiểu nguyên nhân quyết định hướng và độ lớn của dòng điện cảm ứng.
Đồng thời với việc nghiên cứu tài liệu, bạn sẽ thực hiện công việc trong phòng thí nghiệm.
Vào đầu thế kỷ 19 (1820), sau thí nghiệm của nhà khoa học người Đan Mạch Oersted, người ta thấy rõ rằng dòng điện tạo ra một từ trường xung quanh nó. Chúng ta hãy nhớ lại trải nghiệm này một lần nữa. (Một học sinh kể lại thí nghiệm của Oersted ). Sau đó, câu hỏi đặt ra là liệu có thể thu được dòng điện bằng từ trường hay không, tức là sản xuất hành động ngược lại. Vào nửa đầu thế kỷ 19, các nhà khoa học đã chuyển sang những thí nghiệm như vậy: họ bắt đầu tìm kiếm khả năng tạo ra dòng điện do từ trường. M. Faraday đã viết trong nhật ký của mình: “Chuyển từ tính thành điện”. Và tôi đã hướng tới mục tiêu của mình trong gần mười năm. Anh ấy đã hoàn thành nhiệm vụ một cách xuất sắc. Để nhắc nhở về những gì anh ấy nên luôn nghĩ đến, anh ấy mang theo một chiếc nam châm trong túi. Với bài học này chúng ta sẽ tri ân nhà khoa học vĩ đại.
Chúng ta hãy nhớ đến Michael Faraday. Anh ấy là ai? (Một sinh viên nói về M. Faraday ).
Con trai của một thợ rèn, người giao báo, người đóng sách, người tự học độc lập nghiên cứu vật lý và hóa học từ sách, trợ lý phòng thí nghiệm nhà hóa học xuất sắc Devi và cuối cùng nhà khoa học đã làm được công việc tuyệt vời, thể hiện sự khéo léo, kiên trì, bền bỉ cho đến khi nhận được một dòng điện sử dụng từ trường.
Chúng ta hãy thực hiện một chuyến du hành đến những thời điểm xa xôi đó và tái hiện các thí nghiệm của Faraday. Faraday được coi là nhà thực nghiệm lớn nhất trong lịch sử vật lý.
N S
1) 2)
SN
Nam châm được đưa vào cuộn dây. Khi nam châm di chuyển trong cuộn dây, một dòng điện (cảm ứng) được ghi lại. Đề án đầu tiên khá đơn giản. Đầu tiên, M. Faraday sử dụng một cuộn dây có số vòng dây lớn trong thí nghiệm của mình. Cuộn dây được kết nối với một thiết bị miliamét. Phải nói rằng vào thời xa xưa đó không có đủ công cụ tốtđể đo dòng điện. Vì vậy, chúng tôi đã sử dụng bất thường giải pháp kỹ thuật: họ lấy một cây kim nam châm, đặt một dây dẫn bên cạnh để có dòng điện chạy qua, và dựa vào độ lệch của kim nam châm, họ phán đoán được dòng điện. Chúng ta sẽ đánh giá dòng điện dựa trên số đọc của miliampe kế.
Học sinh tái hiện trải nghiệm, thực hiện bước 1 trong công việc trong phòng thí nghiệm. Chúng tôi nhận thấy rằng kim miliamét lệch khỏi giá trị 0 của nó, tức là. chứng tỏ có dòng điện xuất hiện trong mạch khi nam châm chuyển động. Ngay khi nam châm dừng lại, mũi tên trở về vị trí 0, tức là không có dòng điện trong mạch. Dòng điện xuất hiện khi từ trường bên trong cuộn dây thay đổi.
Chúng ta đã đi đến nội dung đã nói ở đầu bài: chúng ta nhận được một dòng điện nhờ từ trường biến thiên. Đây là công lao đầu tiên của M. Faraday.
Công lao thứ hai của M. Faraday là ông đã xác định được chiều của dòng điện cảm ứng phụ thuộc vào điều gì. Chúng tôi cũng sẽ thiết lập điều này.Học sinh thực hiện bước 2 trong phòng thí nghiệm. Hãy chuyển sang điểm 3 của công việc thí nghiệm. Chúng ta hãy tìm hiểu rằng cường độ dòng điện cảm ứng phụ thuộc vào tốc độ chuyển động của nam châm (tốc độ biến thiên của từ trường trong cuộn dây).
M. Faraday đã đưa ra kết luận gì?
Dòng điện xuất hiện trong mạch kín khi từ trường thay đổi (nếu từ trường tồn tại nhưng không thay đổi thì không có dòng điện).
Chiều của dòng điện cảm ứng phụ thuộc vào chiều chuyển động của nam châm và các cực của nó.
Cường độ dòng điện cảm ứng tỷ lệ thuận với tốc độ biến thiên của từ trường.
Thí nghiệm thứ hai của M. Faraday:
Tôi lấy hai cuộn dây trên một lõi chung. Tôi đã kết nối một cái với một miliampe kế và cái thứ hai bằng cách sử dụng chìa khóa cho nguồn hiện tại. Ngay khi mạch điện đóng lại, miliampe kế chỉ dòng điện cảm ứng. Khi nó mở ra, nó cũng hiển thị hiện tại. Trong khi mạch đóng, tức là có dòng điện chạy trong mạch, miliampe kế không hiển thị dòng điện nào. Từ trường tồn tại nhưng không thay đổi.
Hãy xem xét phiên bản hiện đại thí nghiệm của M. Faraday. Chúng tôi lắp và tháo một nam châm điện và lõi vào một cuộn dây nối với điện kế, bật tắt dòng điện và sử dụng biến trở để thay đổi cường độ dòng điện. Một cuộn dây có bóng đèn được đặt trên lõi của cuộn dây cho dòng điện xoay chiều chạy qua.
phát hiện ra điều kiện xuất hiện dòng điện cảm ứng trong mạch kín (cuộn dây). Và cái gì làlý do sự xuất hiện của nó? Hãy nhắc lại điều kiện tồn tại của dòng điện. Đó là: hạt tích điện và điện trường. Thực tế là từ trường thay đổi sẽ tạo ra một điện trường (xoáy) trong không gian, tác dụng lên các electron tự do trong cuộn dây và khiến chúng chuyển động có hướng, do đó tạo ra dòng điện cảm ứng.
Từ trường thay đổi, số đường sức từ qua mạch kín cũng thay đổi. Nếu bạn xoay khung trong từ trường, một dòng điện cảm ứng sẽ xuất hiện trong đó.Hiển thị mô hình máy phát điện.
Việc phát hiện ra hiện tượng cảm ứng điện từ đã tầm quan trọng lớn cho sự phát triển của công nghệ, để tạo ra máy phát điện với sự trợ giúp của chúng năng lượng điện, đang sử dụng năng lượng doanh nghiệp công nghiệp(nhà máy điện).Phim về M. Faraday “Từ điện đến máy phát điện” được chiếu từ 12,02 phút.
Máy biến áp hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, nhờ đó chúng truyền tải điện mà không bị thất thoát.Một đường dây điện được trưng bày.
Hiện tượng cảm ứng điện từ được sử dụng trong hoạt động của máy phát hiện khuyết tật, với sự trợ giúp của nó để kiểm tra dầm thép và đường ray (sự không đồng nhất trong chùm tia làm biến dạng từ trường và xuất hiện dòng điện cảm ứng trong cuộn dây của máy phát hiện khuyết tật).
Tôi muốn nhớ lại câu nói của Helmholtz: “Chừng nào mọi người còn tận hưởng những lợi ích của điện, họ sẽ nhớ đến cái tên Faraday”.
“Hãy nên thánh những người có lòng nhiệt thành sáng tạo, khám phá toàn bộ thế giới và khám phá ra các quy luật trong đó.”
Tôi nghĩ rằng trên con đường tri thức của chúng ta thậm chí còn ít sai lầm hơn.
Bạn đã học được điều gì mới? (Dòng điện đó có thể thu được bằng cách sử dụng một từ trường biến thiên. Chúng tôi đã tìm ra hướng và độ lớn của dòng điện cảm ứng phụ thuộc vào gì).
Bạn đã học được gì? (Nhận dòng điện cảm ứng sử dụng từ trường thay đổi).
Câu hỏi:
Một nam châm được đẩy vào vòng kim loại trong hai giây đầu tiên, trong hai giây tiếp theo, nó đứng yên bên trong vòng và trong hai giây tiếp theo, nó được rút ra. Dòng điện chạy trong cuộn dây trong khoảng thời gian nào? (Từ 1-2s; 5-6s).
Một chiếc nhẫn có hoặc không có khe được đặt trên nam châm. Dòng điện cảm ứng xuất hiện ở đâu? (Trong một vòng kín)
Trên lõi của cuộn dây nối với nguồn điện xoay chiều có một vòng. Dòng điện được bật và vòng nhảy. Tại sao?
Thiết kế bảng:
"Biến từ trường thành điện năng"
M. Faraday
Chân dung M. Faraday
Bản vẽ thí nghiệm của M. Faraday.
Cảm ứng điện từ là hiện tượng xuất hiện dòng điện trong một dây dẫn (cuộn dây) kín khi từ trường ngoài bên trong cuộn dây thay đổi.
Dòng điện này gọi là dòng điện cảm ứng.
DÒNG ĐIỆN CẢM ỨNG là dòng điện xuất hiện khi dòng cảm ứng từ thay đổi trong mạch dẫn kín. Hiện tượng này được gọi là cảm ứng điện từ. Bạn có muốn biết dòng điện cảm ứng có chiều nào không? Rosinductor là một giao dịch cổng thông tin, nơi bạn sẽ tìm thấy thông tin về hiện tại.
Quy tắc xác định chiều dòng điện cảm ứng như sau: “Dòng điện cảm ứng có hướng sao cho từ trường của nó chống lại sự biến thiên của từ thông gây ra nó.” Tay phải lòng bàn tay hướng về phía nam châm đường dây điện, trong khi ngón tay cái hướng theo hướng chuyển động của dây dẫn và bốn ngón tay cho biết dòng điện cảm ứng sẽ chạy theo hướng nào. Bằng cách di chuyển một dây dẫn, chúng ta di chuyển cùng với dây dẫn tất cả các electron có trong nó và khi di chuyển các điện tích trong từ trường, một lực sẽ tác dụng lên chúng theo quy tắc bàn tay trái.
Hướng của dòng điện cảm ứng cũng như độ lớn của nó được xác định theo định luật Lenz, trong đó khẳng định rằng hướng của dòng điện cảm ứng luôn làm suy yếu tác dụng của yếu tố kích thích dòng điện. Khi từ trường chạy qua mạch thay đổi thì chiều của dòng điện cảm ứng sẽ bù đắp cho những thay đổi này. Khi từ trường kích thích một dòng điện trong mạch được tạo ra ở mạch khác thì chiều của dòng điện cảm ứng phụ thuộc vào tính chất biến thiên: khi dòng điện ngoài tăng thì dòng điện cảm ứng có chiều ngược lại; hướng theo cùng một hướng và có xu hướng tăng dòng chảy.
Một cuộn dây cảm ứng có hai cực (bắc và nam), được xác định tùy theo chiều của dòng điện: các đường cảm ứng đi ra từ cực bắc. Nam châm tiếp cận cuộn dây làm xuất hiện dòng điện theo hướng đẩy nam châm. Khi lấy nam châm ra, dòng điện trong cuộn dây có chiều thuận với lực hút của nam châm.
Dòng điện cảm ứng xuất hiện trong một mạch kín đặt trong từ trường xoay chiều. Mạch có thể đứng yên (đặt trong từ thông thay đổi) hoặc chuyển động (chuyển động của mạch gây ra sự thay đổi từ thông). Sự xuất hiện của dòng điện cảm ứng gây ra một điện trường xoáy, bị kích thích dưới tác dụng của từ trường.
Bạn có thể học cách tạo ra dòng điện cảm ứng ngắn hạn từ khóa học vật lý.
Có một số cách để làm điều này:
- - chuyển động của nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện so với cuộn dây,
- - chuyển động của lõi so với nam châm điện được đưa vào cuộn dây,
- - đóng và mở mạch,
- - Điều chỉnh dòng điện trong mạch.
Định luật cơ bản của điện động lực học (định luật Faraday) phát biểu rằng cường độ dòng điện cảm ứng trong bất kỳ mạch nào bằng tốc độ biến thiên của từ thông đi qua mạch, lấy bằng dấu trừ. Cường độ dòng điện cảm ứng gọi là lực điện động.
Như chúng ta đã biết, dòng điện có thể tạo ra từ trường. Câu hỏi đặt ra: từ trường có thể tạo ra dòng điện không? Vấn đề này đã được giải quyết nhà vật lý người Anh Michael Faraday, người phát hiện hiện tượng cảm ứng điện từ năm 1831. Một dây dẫn quấn thành một cuộn dây được nối với một điện kế (Hình 3.19). Nếu bạn trượt một nam châm vĩnh cửu vào cuộn dây, điện kế sẽ hiển thị sự hiện diện của dòng điện trong toàn bộ khoảng thời gian trong khi nam châm chuyển động so với cuộn dây. Khi một nam châm được kéo ra khỏi cuộn dây, điện kế cho thấy sự hiện diện của dòng điện. hướng ngược lại. Sự thay đổi chiều của dòng điện xảy ra khi cực trượt hoặc cực thu vào của nam châm thay đổi.
Kết quả tương tự cũng được quan sát thấy khi thay thế một nam châm vĩnh cửu bằng một nam châm điện (cuộn dây có dòng điện). Nếu cả hai cuộn dây được cố định không chuyển động, nhưng giá trị dòng điện ở một trong hai cuộn dây thay đổi thì tại thời điểm đó xuất hiện dòng điện cảm ứng ở cuộn dây kia.
Hiện tượng cảm ứng điện từ bao gồm sự xuất hiện của suất điện động (emf) cảm ứng trong một mạch dẫn mà qua đó dòng của vectơ cảm ứng từ thay đổi. Nếu mạch đóng thì xuất hiện dòng điện cảm ứng trong mạch.
Khám phá hiện tượng cảm ứng điện từ:
1) cho thấy mối liên hệ giữa điện trường và từ trường;
2) đề xuất phương pháp tạo ra dòng điện sử dụng một từ trường.
Tính chất cơ bản của dòng điện cảm ứng:
1. Dòng điện cảm ứng luôn xuất hiện khi có sự thay đổi từ thông cảm ứng từ liên kết với mạch điện.
2. Cường độ dòng điện cảm ứng không phụ thuộc vào phương pháp thay đổi từ thông cảm ứng từ mà chỉ được xác định bởi tốc độ thay đổi của nó.
Các thí nghiệm của Faraday đã chứng minh rằng độ lớn suất điện động cảm ứng tỷ lệ thuận với tốc độ biến thiên của từ thông xuyên qua mạch dây dẫn (định luật cảm ứng điện từ Faraday)
Hoặc , (3.46)
trong đó (dF) là sự thay đổi dòng chảy theo thời gian (dt). TỪ THÔNG hoặc Dòng cảm ứng từ là đại lượng được xác định dựa trên mối quan hệ sau: ( từ thông qua bề mặt có diện tích S): Ф=ВScosα, (3.45), góc a – góc giữa pháp tuyến với bề mặt đang xét và hướng của vectơ cảm ứng từ trường
đơn vị từ thông trong hệ SI nó được gọi là weber– [Wb=Tl×m2].
Dấu “-” trong công thức có nghĩa là emf. cảm ứng gây ra dòng điện cảm ứng, từ trường của nó chống lại bất kỳ sự thay đổi nào trong từ thông, tức là tại >0 e.m.f. quy nạp e VÀ<0 и наоборот.
e.m.f. cảm ứng được đo bằng volt
Để tìm chiều của dòng điện cảm ứng, người ta sử dụng quy tắc Lenz (định luật được xác lập năm 1833): dòng điện cảm ứng có chiều sao cho từ trường mà nó tạo ra có xu hướng bù cho sự biến thiên của từ thông gây ra dòng điện cảm ứng này .
Ví dụ, nếu bạn di chuyển cực bắc của một nam châm vào một cuộn dây, tức là tăng từ thông qua các vòng của nó, một dòng điện cảm ứng xuất hiện trong cuộn dây theo hướng sao cho cực bắc xuất hiện ở đầu cuộn dây gần nhất. nam châm (Hình 3.20). Vì vậy, từ trường của dòng điện cảm ứng có xu hướng vô hiệu hóa sự biến đổi từ thông gây ra nó.
Từ trường xoay chiều không chỉ tạo ra dòng điện cảm ứng trong một dây dẫn kín mà khi một dây dẫn kín có chiều dài l chuyển động trong một từ trường không đổi (B) với tốc độ v, một lực điện động xuất hiện trong dây dẫn:
a (B Ùv) (3.47)
Như bạn đã biết, lực điện động trong dây chuyền là kết quả của tác dụng của ngoại lực. Khi dây dẫn chuyển động trong từ trường vai trò của ngoại lực thực hiện Lực Lorentz(do từ trường tác dụng lên một điện tích chuyển động). Dưới tác dụng của lực này, các điện tích tách ra và xuất hiện hiệu điện thế ở hai đầu dây dẫn. E.m.f. Cảm ứng trong dây dẫn là hiện tượng các điện tích chuyển động dọc theo dây dẫn.
Chiều dòng điện cảm ứng có thể được xác định theo quy tắc bàn tay phải:Vector B đi vào lòng bàn tay, ngón cái dạng ra trùng với chiều vận tốc của dây dẫn, 4 ngón tay sẽ chỉ chiều của dòng điện cảm ứng.
Do đó, từ trường xoay chiều sẽ xuất hiện một điện trường cảm ứng. Nó không có khả năng(trái ngược với tĩnh điện), bởi vì Công việc bằng cách di chuyển một điện tích dương bằng em.m.f. cảm ứng, không phải bằng không.
Những trường như vậy được gọi là xoáy. Đường lực xoáyđiện trường - khép kín vào chính mình, ngược lại với các đường cường độ trường tĩnh điện.
E.m.f. Cảm ứng không chỉ xảy ra ở các dây dẫn lân cận mà còn xảy ra ở chính dây dẫn đó khi từ trường của dòng điện chạy qua dây dẫn thay đổi. Sự xuất hiện của e.m.f. trong bất kỳ dây dẫn nào, khi cường độ dòng điện trong nó thay đổi (do đó, từ thông trong dây dẫn) được gọi là tự cảm, và dòng điện cảm ứng trong dây dẫn này là - dòng điện tự cảm ứng.
Dòng điện trong mạch kín tạo ra một từ trường trong không gian xung quanh, cường độ của nó tỉ lệ với cường độ dòng điện I. Do đó, từ thông Ф xuyên qua mạch tỉ lệ với cường độ dòng điện trong mạch
Ф=L×I, (3,48).
L là hệ số tỷ lệ, được gọi là hệ số tự cảm, hay đơn giản là độ tự cảm. Độ tự cảm phụ thuộc vào kích thước và hình dạng của mạch, cũng như tính thấm từ của môi trường xung quanh mạch.
Theo nghĩa này, độ tự cảm của mạch là tương tựđiện dung của một dây dẫn cách điện, chỉ phụ thuộc vào hình dạng của dây dẫn, kích thước của nó và hằng số điện môi của môi trường.
Đơn vị của độ tự cảm là Henry (H): 1Gn là độ tự cảm của mạch điện như vậy, từ thông tự cảm của nó với dòng điện 1A bằng 1Wb (1Gn=1Wb/A=1V s/A).
Nếu L=const thì emf. tự cảm ứng có thể được biểu diễn dưới dạng sau:
, hoặc 
, (3.49)
trong đó DI (dI) là sự thay đổi dòng điện trong mạch chứa cuộn cảm (hoặc mạch) L theo thời gian Dt (dt). Dấu “-” trong biểu thức này có nghĩa là emf. tự cảm ứng ngăn cản sự thay đổi dòng điện (tức là nếu dòng điện trong mạch kín giảm thì suất điện động tự cảm dẫn đến xuất hiện dòng điện cùng chiều và ngược lại).
Một trong những biểu hiện của cảm ứng điện từ là sự xuất hiện dòng điện cảm ứng kín trong các môi trường dẫn điện liên tục: thân kim loại, dung dịch điện phân, cơ quan sinh học, v.v.. Dòng điện như vậy được gọi là dòng điện xoáy hoặc dòng điện Foucault. Những dòng điện này phát sinh khi một vật dẫn điện chuyển động trong từ trường và/hoặc khi cảm ứng của trường mà vật thể được đặt trong đó thay đổi theo thời gian. Cường độ dòng điện Foucault phụ thuộc vào điện trở của các vật thể cũng như tốc độ biến thiên của từ trường.
Dòng điện Foucault cũng tuân theo định luật Lenz : Từ trường của chúng có tác dụng chống lại sự thay đổi từ thông gây ra dòng điện xoáy.
Do đó, các dây dẫn lớn bị giảm tốc trong từ trường. Trong máy điện, để giảm thiểu ảnh hưởng của dòng điện Foucault, lõi máy biến áp và mạch từ của máy điện được lắp ráp từ các tấm mỏng cách điện với nhau bằng một lớp vecni hoặc vảy đặc biệt.
Dòng điện xoáy làm cho dây dẫn trở nên rất nóng. Nhiệt lượng Joule được tạo ra bởi dòng điện Foucault, đã sử dụng trong lò luyện kim cảm ứngđể nấu chảy kim loại theo định luật Joule-Lenz.