Giáo trình Vật lý Đại cương 1 - Chương 5: Cảm ứng điện từ

11. Hiện tượng cảm ứng điện từ
2. Hiện tượng tự cảm
3. Năng lượng từ trường
CHƯƠNG 5 –
CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ
21. Hiện tượng cảm ứng điện từ
Michael Faraday (1791-1867)
Thí nghiệm Faraday 
vr
N
S
vr vr
'B
r
'B
r
S
N
S
N
I I
vr vr
'B
r
'B
r
S
N
S
N
I I
31. Hiện tượng cảm ứng điện từ
Thí nghiệm Faraday 
Michael Faraday (1791-1867)
vr
'B
r
B
r
Tăng dần
B
r
thay đổi
I I
41. Hiện tượng cảm ứng điện từ
) Dòng cảm ứng xuất hiện trong mạch
kín là kết quả của quá trình biến đổi từ
thông qua mạch đó.
) Dòng cảm ứng chỉ tồn tại trong thời
gian từ thông gửi qua mạch thay đổi.
) Cường độ dòng cảm ứng tỉ lệ thuận
với tốc độ biến đổi của từ thông.
) Chiều dòng cảm ứng phụ thuộc vào
từ thông gửi qua mạch tăng hay giảm.
Thí nghiệm Faraday 
Michael Faraday (1791-1867)
5Định luật Lenz
Heinrich Lenz 
(1804-1865)
) Nội dung: Dòng cảm ứng có chiều
sao cho từ trường do nó sinh ra chống
lại sự biến thiên của từ thông sinh ra nó.
1. Hiện tượng cảm ứng điện từ
) Áp dụng: 
'B
r
S
N
S
N
vr
IC
B’
B
ª Khi cực Bắc (N) tiến vào vòng dây
⇒ từ thông Φm do từ trường B của nam
châm gửi qua cuộn dây có chiều từ trên
xuống và tăng dần ⇒ xuất hiện dòng
cảm ứng IC⇒ tạo ra B’ cảm ứng ngược
chiều B ⇔ từ thông Φ’m của B’ chống
lại sự tăng của Φm⇒ xác định chiều Ic.
vr S
N
IC
B’ Bª Rút thanh nam ra khỏi vòng dây ⇒
hiện tượng ngược lại.
6Sức điện động cảm ứng
ª Vòng dây dẫn kín di chuyển trong B
1. Hiện tượng cảm ứng điện từ
ª Công của từ lực để di chuyển vòng dây: dA = Ic. dΦm
ª Biến thiên từ thông gửi qua vòng
dây trong thời gian dt: dΦm ⇒ dòng
cảm ứng Ic ⇔ xuất hiện một nguồn
điện cảm ứng hay s.đ.đ cảm ứng Ec.
ª Theo đ/l Lenz: từ lực tác dụng lên Ic ngăn cản sự di chuyển
của vòng dây (là nguyên nhân sinh ra Ic) ⇒ công cản:
dA’ = - dA = - Ic. dΦm
) Định luật cơ bản của hiện tượng
cảm ứng điện từ
7ª Sức điện động cảm ứng trong một mạch kín bất kỳ bằng về trị
số nhưng khác dấu với tốc độ thay đổi của từ thông qua mạch.
ªNếu từ thông gửi qua diện tích mạch kín giảm từ giá trị Φm về 0:
ttdt
d mmm
C Δ
Φ=Δ
Φ−−=Φ−= 0E ⇒Φm =Ec .Δt
ªWebe là từ thông gây ra trong một vòng dây dẫn bao quanh
nó một sức điện động cảm ứng bằng 1 V khi từ thông đó giảm
đều xuống giá trị 0 trong thời gian 1 s 
ª Theo đ/l bảo toàn năng lượng: dA’ chuyển thành NL của Ic
⇒dA’ = -Ic. dΦm = Ec.Ic.dt (NL của Ic) dt
d m
C
Φ−=E
Sức điện động cảm ứng
1. Hiện tượng cảm ứng điện từ
ªVới Δt = 1 s, Ec = 1 V ⇒Φm = 1 (V) . 1 (s) = 1 Webe (Wb)
) Định luật cơ bản của hiện tượng cảm ứng điện từ
) Định nghĩa đơn vị từ thông
8Máy phát điện xoay chiều
1. Hiện tượng cảm ứng điện từ
ª Vị trí ban đầu của khung
tương ứng góc α giữa pháp
tuyến mặt phẳng khung và B
rnr
ª Sau khoảng thời gian t ⇒
vị trí khung ứng với góc:
ϕ = ωt + α
) Khung dây (N vòng dây) 
diện tích S quay trong từ
trường đều ( ) với vận
tốc góc ω .
constB =r
IC
α
B
r
nr
O
Chổi than
Cổ góp
ωr
~
) Từ thông gửi qua khung sau khoảng thời gian t: 
Φm = N.B.S.cosϕ = N.B.S.cos(ωt+α)
9Máy phát điện xoay chiều
1. Hiện tượng cảm ứng điện từ
ª Đặt Ecmax = N.B.S.ω ( )αωc +=⇒ tsin.maxC EE
ª Chu kỳ = chu kỳ quay của khung:
ω
2πT =
) Dòng cảm ứng ωtsin
R
NBSω
R
EI Cc ==
0maxc IR
NBSωI == Ic = I0.sinωt Đặt:
) Khi khung quay đều trong
từ trường ⇒ xuất hiện 1 s.đ.đ
cảm ứng xoay chiều hình sin 
theo đ/l Lenz:
( )αωω +=−= tsin..N.B.S
dt
dΦm
CE
Φm = NB.S.cosωtωtNB.S.ωB.S.C =EΦm ,Ec, 
Vị trí khung dây trong từ trường B 
10
Dòng xoáy (dòng Foucault/ eddy current)
1. Hiện tượng cảm ứng điện từ
Léon Foucault (1819-1868)
) Dòng cảm ứng (có dạng xoáy) xuất hiện
trên bề mặt vật dẫn khi đặt trong từ trường:
R
I CF
E=
ª Xuất hiện từ trường riêng
của dòng cảm ứng IF
Cuộn dây
Từ trường
cuộn dây
Dòng xoáy
Từ trường
dòng xoáy
Vật dẫn
) Hệ quả:
ª Dòng cảm ứng xuất hiện
trên bề mặt vật dẫn sẽ bị tiêu
tán dưới dạng nhiệt⇒ tiêu hao
năng lượng vô ích ⇒ giảm
hiệu suất thiết bị (đặc biệt với
các động cơ).
11
1. Hiện tượng cảm ứng điện từ
) Do có từ trường của dòng cảm ứng xuất hiện trên bề mặt vật
dẫn⇒ ứng dụng trong các thiết bị dò tìm kim loại.
Cửa an ninh (security gate)
Cuộn phát
Cuộn thu
Dòng xoáy
Báo động
Thiết bị dò mìn (mine detector)
Dòng xoáy
Dòng tạo
từ trường
Dòng cảm
ứng do từ
trường dòng
xoáy
Dòng xoáy (dòng Foucault/ eddy current)
12
2. Hiện tượng tự cảm
Hiện tượng
ª Đóng mạch⇒ quá trình ngược lại.
ª Dòng tự cảm: dòng điện sinh ra trong một mạch điện khi từ
thông gửi qua mạch bởi dòng điện của mạch đó thay đổi.
)Mạch điện:
+ ống dây có lõi sắt
+ Điện kế (G)
K
GI G
Ic
ª Ngắt mạch ⇒ từ thông qua 
cuộn dây giảm từ Φm → 0: 
Xuất hiện dòng cảm ứng Ic
ngược chiểu dòng ban đầu (đ/l
Lenz) ⇒ kim của G lệch theo
chiều ngược lại.
ª Sau khoảng thời gian t⇒ kim G trở về 0 
13
ª Trong mạch điện đứng yên và không thay đổi hình dạng, 
sức điện động tự cảm luôn bằng tốc độ biến thiên cường độ
dòng điện trong mạch.
S.đ.đ tự cảm
2. Hiện tượng tự cảm
Φ m∼ B
B ∼ IDo: Φm ∼ I = L.I
dt
d m
tc
Φ−=E) Theo đ/l Lenz:
dt
dIL
dt
LId
tc −=−= )(E
) Đ/v mạch đứng yên và giữ nguyên hình dạng:
(L: Hệ số tự cảm)
14
2. Hiện tượng tự cảm
ª Do μ lõi sắt lớn ⇒ đơn vị H lớn⇒ thực tế chỉ dùng đơn vị
mH = 10-3 H, hoặc 1μH = 10-6 H
Hệ số tự cảm
l
S
N v ò
n g
) Trường hợp ống dây có lõi sắt:
l
S.n
I.l
S.I.n
I
N.B.S
I
ΦL
22
00 μμμμ ====
ª Đơn vị : Henry (H),
A
Wb1
1A
1Wb1H ==
ª H là hệ số tự cảm của 1 mạch
kín, khi có dòng điện cường độ 1 A 
chạy qua mạch đó thì sinh ra trong
chân không, từ thông bằng 1 Wb.
) Định nghĩa đơn vị đo hệ số tự cảm (L) 
15
Hiệu ứng bề mặt
B
r
) Khi cho dòng điện cao tần chạy
qua 1 dây dẫn ⇒ dòng tự cảm chỉ
xuất hiện ở bề mặt dây dẫn
2. Hiện tượng tự cảm
ª Dùng dây dẫn rỗng để tải dòng cao tần
ª Kỹ thuật tôi bề mặt hợp kim bằng dòng cao tần
) Ứng dụng trong công nghệ:
ª Tần số f = 103 Hz ⇒ dòng tự
cảm chạy trong lớp vật liệu bề mặt
~ 2 mm
ª Tần số f = 105 Hz ⇒ dòng tự cảm chỉ chạy trong lớp vật
liệu bề mặt ~ 0,2 mm
16
3. Năng lượng từ trường
i0 i0
+ Sức điện động E, dòng i0
+ Ống dây hệ số tự cảm L
+ Điện trở R
)Mạch điện có khóa K: i0 K
ª Khi đóng mạch ⇒ i ↑ ⇒ B
& Φm gửi qua L ↑ ⇒ itc ngược
chiều i0 ⇒ i = i0 - itc ⇒ NL 
nguồn (~ i02) > NL mạch (~ i2). 
itc
Ki0
ª Khi ngắt mạch ⇒ i ↓ ⇒ B
& Φm gửi qua L ↓ ⇒ itc cùng
chiều i0 ⇒ i = i0 + itc ⇒ NL 
nguồn (~ i02) < NL mạch (~ i2). 
Năng lượng từ trường của một ống dây
17
) Áp dụng đ/l Ohm trong quá trình
hình thành dòng điện i:
E + Etc = R.i
NL nguồn NL nhiệt NL từ trường
2
Ii
0i0
L.I
2
1L.i.didWW ===⇒ ∫∫ =
=
ª NL từ trường khi thiết lập dòng điện trong ống dây: dW = L.i.di
3. Năng lượng từ trường
Năng lượng từ trường của một ống dây
dt
diLR.i +=EHay:
E idt = R.i2dt + L.i.di
ª Nhân 2 vế với idt:
18
3. Năng lượng từ trường
Mật độ năng lượng từ trường l
2
2
2
0
2
2
02
m
I
l
n
μμ
2
1
l.S
I
l
Sn
μμ
2
1
l.S
L.I
2
1
V
Ww
=
⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛
===
ªMật độ NL từ trường trong ống dây:
I
l
n
μμB 0=
) Trong ống dây có thể tích: V = l.S
ª Áp dụng cho mọi từ trường bất kỳ
0
2
m μμ
B
2
1w = (trong ống dây: B = const)
19
3. Năng lượng từ trường
Năng lượng từ trường không gian
) Chia không gian từ trường thành những thể tích vô
cùng nhỏ dV sao cho B = const trong mỗi dV.
ª Năng lượng từ trường trong mỗi thể tích dV:
dVBdVwdW mm
0
2
2
1
μμ==
ª Năng lượng từ trường trong cả không gian:
∫∫ ==
V 02
1 dVBdWW
2
V
mm μμ
0μμ
= BH ∫= V2
1 BHdVWm