SGK Vật Lí 11 - Bài 25. Tự cảm

  • Bài 25. Tự cảm trang 1
  • Bài 25. Tự cảm trang 2
  • Bài 25. Tự cảm trang 3
  • Bài 25. Tự cảm trang 4
  • Bài 25. Tự cảm trang 5
TựCẢM
Trong bài này, chúng ta xét một loại hiện tượng cảm ứng điện từ đặc biệt là hiện tượng tự cảm : đó là hiện tượng cám ứng điện từ xáy ra trong mạch có dòng điện biến thiên theo thời gian. Trước hết, hãy xét từ thông của một mạch kín đã có sẵn dòng điện.
I - Từ THÔNG RIÊNG CỦA MỘT MẠCH KÍN
Giả sử có một mạch kín (C), trong đó có dòng điện cường độ i.
Dòng điện i gây ra một từ trường, từ trường này gây ra một từ thông o qua (C) được gọi là từ thông riêng của mạch. Người ta đã chứng minh được rằng, từ thông này tỉ lệ với cảm ứng từ do z' gây ra, nghĩa là tỉ lệ với i. Ta có thể viết :
 = Li	(25.1)
L là một hệ số, chỉ phụ thuộc vào cấu tạo và kích thước của
mạch kín (C) gọi là độ tự cảm của (C). Trong công thức (25.1),
i tính ra ampe (A), 0 tính ra vêbe (Wb), khi đó độ tự cảm L tính
ra henry (H).
Ví dụ : Một ống dây điện chiều dài /, tiết diện s, gồm tất cả N
vòng dây, trong có dòng điện cường độ i chạy qua gây ra từ
trường đều trong lòng ống dây đó. cảm ứng từ B trong lòng ống
dây cho bởi :
__7N,
B = 47T.10-7ỵZ
Dễ dàng tính được từ thông riêng của ống dây đó và suy ra độ tự cảm (viết trong hệ đơn vị SI) :
L = 4^Ị0“7 —S	(25.2)	831 Hãy thiết lập
„	■	*	công thức (25.2).
HI
Chú ý : Trong các sơ đổ mạch điện, cuộn cảm được kí hiệu như trên Hình 25.1.
Hình 25.1
Hình 25.2
Công thức này áp dụng đối với một ống dây điện hình trụ có chiều dài / khá lớn so với đường kính tiết diện s. Ông dây có độ tự cảm L đáng kể, được gọi là ống dây tự cảm hay cuộn cảm.
Chú thích : Để có được ống dây với độ tự cảm L lớn, trước hết ống dây phải cuốn nhiều vòng (N lớn), sau đó ống dây phải có một lõi sắt. Độ tự cảm của ống dây có lõi sắt được tính theo công thức L = 47T. 10-7jU -ỳ- s, ưong đó là một hệ số (giá trị cỡ 104) gọi là độ từ thẩm, đặc trưng cho từ tính của lõi sắt.
II-HIỆN TƯỢNG Tự CẢM
Định nghĩa
Trong mạch kín (C) có dòng điện cường độ ỉ' : Nếu do một nguyên nhân nào đó cường độ i biến thiên thì từ thông riêng của (C) biến thiên ; khi đó trong (C) xảy ra hiện tượng cảm ứng điện từ ; hiện tượng này gọi là hiện tượng tự cảm.
Hiện tượng tự cấm là hiện tượng cảm ứng điện từ xảy ra trong một mạch có dòng điện mà sự biến thiên từ thông qua mạch được gây ra bởi sự biến thiên của cường độ dòng điện trong mạch.
Trong các mạch điện một chiều, hiện tượng tự cảm thường xảy ra khi đóng mạch (dòng điện tăng lên đột ngột) và khi ngắt mạch (dòng điện giảm xuống 0).
Trong các mạch điện xoay chiều, luôn luôn xảy ra hiện tượng tự cảm, vì cường độ dòng điện xoay chiều biến thiên liên tục theo thời gian.
Một số ví dụ về hiện tượng tự cảm
a) Ví dụ 1
Thí nghiệm
Trong mạch điện vẽ trên Hình 25.2, hai đèn 1 và 2 giống nhau ; điện trở R và ống dây tự cảm L có cùng giá trị điện trở. Khi đóng khoá K, đèn 1 sáng lên ngay còn đèn 2 sáng lên từ từ.
Giải thích
Khi đóng khoá K, dòng điện qua ống dây và đèn 2 tăng lên đột ngột, khi đó trong ống dây xảy ra hiện tượng cảm ứng điện từ - hiện tượng tự cảm. Suất điện động cảm ứng xuất hiện có tác dụng cản trở nguyên nhân sinh ra nó, nghĩa là cản trở sự tăng của dòng điện qua L. Do đó dòng điện qua L và qua đèn 2 tăng lên từ từ, không tăng nhanh như dòng điện qua đèn 1.
b) Ví dụ 2
Thí nghiệm
Trong mạch điện vẽ trên Hình 25.3, điều chỉnh biến trở R để độ sáng của đèn yếu, vừa đủ để trông rõ được sợi dây tóc. Nếu đột ngột ngắt khoá K, ta thấy đèn sáng bừng lên trước khi tắt. 155 Giải thích
Ban đầu có dòng điện z'L chạy qua ống dây (theo chiều mũi tên). Khi ngắt K, dòng điện z'L giảm đột ngột xuống 0. Trong ống dây xảy ra hiện tượng tự cảm : Hiện tượng này có tác dụng chống lại sự giảm của ZL ; trong ống dây xuất hiện dòng điện cám ứng cùng chiều với ZL ban đầu, dòng điện cảm ứng này chạy qua đèn và vì ngắt K đột ngột nên cường độ dòng cảm ứng khá lớn, làm cho đèn sáng bừng lên trước khi tắt.
III - SUẤT ĐIỆN ĐỘNG Tự CẢM
Khi có hiện tượng tự cảm xảy ra trong một mạch điện thì suất điện động cảm ứng xuất hiện trong mạch được gọi là suất điện động tự cảm. Giá trị của nó được tính theo công thức tổng quát (24.3) :
- AO e‘c - At
trong đó l'à từ thông riêng được cho bởi : = Li. Vì L không đổi, nên AO = LAz.
-0Đèn
K
R Hình 25.3
+ 1, -
L
Trong mạch điện vẽ trên Hình 25.4, khoá K đang đóng ở vị trí a. Nếu chuyển K sang vị trí b thì điện trở R nóng lên. Hãy giải thích.
R
Hình 25.4
Vậy, suất điện động tự cảm có công thức :
Ai
e* -	(25.3)
Suất điện động tự cấm có độ lớn tỉ lệ với tốc độ biến thiên của cường độ đòng điện trong mạch.
Dấu trừ trong (25.3) phù hợp với định luật Len-xơ.
2. Năng lượng từ trường của ông dây tự cảm
Trong thí nghiệm mô tả ở Hình 25.3, khi ngắt K, đèn sáng bừng lên trước khi tắt. Điều này chứng tỏ đã có một năng lượng giải phóng trong đèn. Năng lượng này chính là năng lượng đã được tích luỹ trong ống dây tự cảm khi có dòng điện chạy qua. Người ta chứng minh được rằng, khi có dòng điện cường độ ỉ chạy qua ống dây tự cảm thì ống dây tích luỹ được một năng lượng cho bởi :
w = Ị LiKhi trong mạch điện có cựờng độ dòng điện biến thiên thì trong mạch xuất hiện suất điện động tự cảm :	A/-
Khi cuộn cảm có dòng điện cường độ / chạy qua thì trong cuộn cảm tích luỹ năng lượng dưới dạng năng lượng từ trường :
IV = ỉ Lí2
	(25.4)
Chứng tỏ rằng, hai vế của (25.4) có cùng đơn vị là jun (J).
PF
Người ta cũng chứng minh được rằng, nguồn gốc của năng lượng này chính là năng lượng của từ trường tồn tại trong ống dây khi có dòng điện chạy qua.
- ỨNG DỤNG
e. = - L - tc At
Hiện tượng tự cảm có nhiều ứng dụng trong các mạch điện xoay chiều. Cuộn cảm là một phần tử quan trọng trong các mạch điện xoay chiều có mạch dao động và các máy biến áp...
CÂU HÒI VÀ BÀI TẬP
gtl
Trong những trường hợp nào có hiện tượng tự cảm ?
Phát biểu định nghĩa từ thông riêng, độ tự cảm của một mạch kín.
Độ lớn của suất điện động tự cảm phụ thuộc vào những đại lượng nào ?
Chọn câu đúng.
Một ống dây có độ tự cảm L; ống dây thứ hai có số vòng dây tăng gấp đôi và diện tích mỗi vòng dây giảm một nửa so với ống dây thứ nhất. Nếu hai ống dây có chiều dài như nhau thì độ tự cảm của ống dây thứ hai là A.L B.2L c. |. D.4L
Phát biểu nào dưới đây là sai ?
Suất điện động tự cảm có giá trị lớn khi
dòng điện tăng nhanh.
dòng điện giảm nhanh.
c. dòng điện có giá trị lớn,
D. dòng điện biến thiên nhanh.
Tính độ tự cảm của một ống dây hình trụ có chiểu dài 0,5 m gồm 1 000 vòng dây, mỗi vòng dây có đường kính 20 cm.
Suất điện động tự cảm 0,75 V xuất hiện trong một cuộn cảm có L - 25 mH ; tại đó cường độ dòng điện giảm từ giá trị /g xuống 0 trong 0,01 s. Tính /a.
Trong mạch điện Hình 25.5, cuộn cảm L có điện trở bằng 0. Dòng điện qua L bằng 1,2 A ; độ tự cảm L = 0,2 H. Chuyển K sang vị trí b, tính nhiệt lượng toả ra trong R.
.+ IB -
L
K)
	r 00000?—
R
	1— —1	
■M
Hình 25.5