Hiện tượng tự cảm | Vật Lý Đại Cương

1. Hiện tượng tự cảm, độ tự cảm

Ta biết rằng, xung quanh dòng điện có từ trường. Khi dòng điện I chạy trong một mạch kín thì có từ thông \ ( { { \ Phi } _ { m } } \ ) do chính từ trường của dòng điện này gởi qua diện tích quy hoạnh của mạch kín đó. Nếu cường độ dòng điện trong mạch biến thiên thì từ trải qua mạch cũng biến thiên và trong mạch sẽ xuất hiện suất điện động cảm ứng. Ta gọi đó là hiện tượng tự cảm .Vậy, hiện tượng tự cảm là hiện tượng xuất hiện suất điện động cảm ứng trong một mạch điện kín, do chính sự biến thiên của dòng điện trong mạch kín đó gây ra. Suất điện động cảm ứng trong trường hợp này được gọi là suất điện động tự cảm .

Hiện tượng tự cảm chính là một trường hợp riêng của hiện tượng cảm ứng điện từ, do đó nó tuân theo những định luật tổng quát về cảm ứng điện từ. Cụ thể, chiều của dòng điện cảm ứng trong mạch, gọi là dòng điện tự cảm, tuân theo định luật Lenz, nghĩa là nó luôn có khuynh hướng làm cho dòng điện trong mạch đạt trạng thái không thay đổi. Suất điện động tự cảm được tính bởi công thức của định luật cảm ứng điện từ ( 5.1 ) .

Vì từ thông  \( {{\Phi }_{m}} \) tỉ lệ với cảm ứng từ B, cảm ứng từ B lại tỉ lệ với cường độ dòng điện trong mạch. Từ đó suy ra, từ thông  \( {{\Phi }_{m}} \) phải tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện trong mạch. Ta viết:  \( {{\Phi }_{m}}=LI  \)         (5.12), trong đó, L là hệ số tỉ lệ, được gọi là hệ số tự cảm hay độ tự cảm của mạch điện.

Bạn đang đọc: Hiện tượng tự cảm | Vật Lý Đại Cương

Thay ( 5.12 ) vào ( 5.1 ), ta có suất điện động tự cảm : \ ( { { \ xi } _ { tc } } = – \ frac { d { { \ Phi } _ { m } } } { dt } = – \ frac { d \ left ( LI \ right ) } { dt } \ ) ( 5.13 )Đối với một mạch điện cho trước, độ tự cảm L nhờ vào vào hình dạng, cấu trúc của mạch và đặc thù của thiên nhiên và môi trường bao quanh mạch điện. Nếu thiên nhiên và môi trường chứa mạch điện không có tính sắt từ thì L không phụ thuộc vào vào cường độ dòng điện I. Khi đó, ta có : \ ( { { \ xi } _ { tc } } = – L \ frac { dI } { dt } \ ) ( 5.14 )Từ ( 5.14 ) suy ra, nếu L càng lớn thì \ ( { { \ xi } _ { tc } } \ ) càng lớn và mạch có năng lực chống lại sự biến thiên của dòng điện trong mạch càng nhiều, hay nói cách khác, quán tín của mạch càng lớn .Vậy, độ tự cảm của một mạch điện là đại lượng đặc trưng cho mức quán tính của mạch so với sự biến đội của dòng điện trong mạch, có trị số bằng từ thông do chính dòng điện trong mạch bởi qua diện tích quy hoạnh của mạch khi dòng điện trong mạch có cường độ bằng 1A .Trong hệ SI, đơn vị chức năng đo độ tự cảm là henry ( H ). Ta có : \ ( 1 \ text { } H = \ frac { 1 \ text { } Wb } { 1 \ text { } A } \ ) .Xét ống dây solenoid. Từ trường trong ống dây là đều, có đường sức từ song song với trục ống dây và độ lớn cảm ứng từ là \ ( B = { { \ mu } _ { 0 } } \ mu nI \ ). Nếu gọi S là diện tích quy hoạnh một vòng dây thì từ thông gởi qua cả ống dây là :\ ( { { \ Phi } _ { m } } = NBS = N { { \ mu } _ { 0 } } \ mu nIS = N { { \ mu } _ { 0 } } \ mu \ frac { N } { \ ell } IS = { { \ mu } _ { 0 } } \ mu \ frac { { { N } ^ { 2 } } } { \ ell } IS \ ) ( 5.15 )So sánh ( 5.15 ) với ( 5.12 ), suy ra độ tự cảm của ống dây solenoid là : \ ( L = \ frac { { { \ Phi } _ { m } } } { I } = \ frac { { { \ mu } _ { 0 } } \ mu { { N } ^ { 2 } } S } { \ ell } \ ) ( 5.16 )

Trong đó  \( \ell  \) là chiều dài ống dây, N là số vòng dây quấn trên ống dây, S là tiết diện ngang của ống dây,  \( {{\mu }_{0}} \) là hằng số từ và  \( \mu  \) là độ từ thẩm của môi trường trong lòng ống dây.

Xem thêm: Cơ Hội Cho Ai Tập 11 Full – 16/1/2021 – Mùa 2 | Lịch phát sóng truyền hình mới nhất

2. Hiệu ứng bề mặt

Hiện tượng tự cảm không chỉ xảy ra trong một mạch điện kín mà còn xảy ra ngay trong lòng một vật dẫn có dòng điện biến hóa chạy qua. Chẳng hạn, so với dòng điện cao tần chạy trong dây dẫn thì tỷ lệ dòng điện ở mặt phẳng ngoài dây dẫn là rất lớn, còn trong lõi dây dẫn, tỷ lệ dòng điện là rất nhỏ. Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng mặt phẳng hay hiệu ứng da .Để chứng tỏ điều này, ta xét dòng điện cao tần I chạy trong một dây dẫn hình tròn trụ. Giả sử dòng điện đang có chiều từ dưới lên trên như hình ( 5.13 ). Dòng điện này sinh ra trong lòng dây dẫn một từ trường \ ( \ overrightarrow { B } \ ) có những đường cảm ứng từ là những đường tròn nằm trong những mặt phẳng vuông góc với trục của dây dẫn, có chiều tuân theo quy tắc nắm tay phải .Xét một diện tích quy hoạnh S bất kỳ chứa trục đối xứng của dây dẫn thì từ thông gởi qua diện tích quy hoạnh này luôn biến thiên. Kết quả trong diện tích quy hoạnh S xuất hiện những dòng điện tự cảm Itc khép kín như dòng ( C ) .Trong ¼ chu kỳ luân hồi đầu, cường độ dòng điện I đang tăng dần, từ trải qua S cũng tăng dần. Theo định luật Lenz, dòng điện tự cảm phải có chiều như diễn đạt trên hình 5.13 a. Ta thấy, ở phía mặt phẳng ngoài của dây dẫn, dòng Itc cùng chiều với dòng I nên dòng điện tại phía mặt ngoài được tăng cường, làm tỷ lệ dòng điện ở mặt phẳng dây dẫn tăng lên ; còn ở phía trục dây dẫn, dòng Itc ngược chiều dòng I nên dòng điện tại phía trong lõi bị suy giảm, làm tỷ lệ dòng điện ở lõi dây dẫn giảm .Trong ¼ chu kỳ luân hồi tiếp theo, cường độ dòng điện I đang giảm dần, từ trải qua S cũng giảm dần, dòng điện tự cảm phải có chiều như diễn đạt trên hình 5.13 b. Ta thấy, ở phía mặt phẳng ngoài của dây dẫn, dòng Itc ngược chiều với dòng I làm cho tỷ lệ dòng điện ở mặt phẳng dây dẫn giảm nhanh ; còn ở phía trục dây dẫn, dòng Itc cùng chiều dòng I làm cho tỷ lệ dòng điện ở lõi dây dẫn giảm chậm .Lập luận tương tự như so với nửa chu kỳ luân hồi còn lại, khi chiều của dòng điện từ trên xuống dưới, ta cũng có tác dụng tương tự như như trên .

Xem thêm: Top 20 công ty cơ hội và thách thức đà nẵng mới nhất 2022

Đồ thị hình 5.14 màn biểu diễn sự biến thiên tỷ lệ dòng điện trong một chu kỳ luân hồi tại những điểm gần trong lõi và và những điểm gần mặt phẳng dây dẫn. Theo đó cho thấy, tại mặt phẳng, tỷ lệ dòng có biên độ rất lớn, còn tại lõi, tỷ lệ dòng có biên độ rất nhỏ .Vậy, dòng điện cao tần chỉ tập trung chuyên sâu ở mặt phẳng ngoài của dây dẫn, còn ở phần lõi tỷ lệ dòng điện càng giảm khi tần số của dòng điện càng cao. Lí thuyết và thực nghiệm đã chứng tỏ rằng, với tần số dòng điện là 1000 Hz thì dòng điện chỉ chạy ở một lớp bề mặt dày 2 mm ; còn so với dòng điện 100000 Hz thì dòng điện chỉ chạy ở một lớp bề mặt dày 0,2 mm. Chính vì thế, người ta thường dùng những dây dẫn rỗng để tải những dòng điện cao tần, nhằm mục đích tiết kiệm ngân sách và chi phí vật tư .

Một ứng dụng của hiệu ứng mặt phẳng là để tôi sắt kẽm kim loại ở lớp mặt phẳng. Trong nhiều những cụ thể máy yên cầu lớp mặt phẳng phải cứng để giảm độ mài mòn, nhưng bên trong phải có độ dẻo thích hợp để không bị gãy, nút. Muốn vậy, người ta cho dòng điện cao tần chạy qua cuộn dây bên trong có chi tiết cụ thể cần tôi. Khi đó, trong chi tiết cụ thể máy sinh ra những dòng điện cảm ứng có tần số biến hóa cao. Do hiệu ứng mặt phẳng, những dòng điện cảm ứng này chỉ phân bổ ở lớp mặt ngoài của chi tiết cụ thể cần tôi, làm lớp này nóng đỏ lên đến mức thiết yếu. Khi đó người ta nhúng chi tiết cụ thể đó vào nước tôi và như vậy được một lớp mặt phẳng ngoài cứng, còn bên trong thì vẫn dẻo .

Source: https://vh2.com.vn
Category : Cơ Hội