Kiến thức về hiện tượng tự cảm và suất điện động tự cảm khá quan trọng trong chương trình Vật lý phổ thông. Bài viết dưới đây sẽ tổng hợp đầy đủ lý thuyết liên quan đến chủ đề này. Đồng thời, chúng tôi sẽ đưa ra những ví dụ và cách giải các dạng bài tập một cách chi tiết và dễ hiểu.
Từ thông riêng của một mạch kín được hiểu như thế nào?
Từ thông riêng của một mạch kín là từ thông xuất hiện khi mạch kín có cường độ dòng điện i. Cụ thể, trong một mạch kín C có cường độ dòng điện i. Dòng điện gây ra một từ trường, mà từ trường lại gây ra một từ thông Φ qua C. Đó được gọi là từ thông riêng của mạch. Ta có:
Φ = L.i
Trong đó:
- Φ là từ thông, đơn vị Vêbe (Wb)
- i là ký hiệu của cường độ dòng điện, đơn vị Ampe (A)
- L là ký hiệu của độ tự cảm, đơn vị Henry (H)
Ta có một ống dây có chiều dài là l (m), gồm N vòng dây, tiết diện S (m^2). Cường độ dòng điện i chạy qua gây ra từ trường trong lòng ống dây. Khi đó, ta có cảm ứng từ B trong lòng ống dây là . Từ đó, ta suy ra được độ tự cảm (trong hệ đơn vị SI) là:
Công thức trên được áp đụng dể tính toán trong tường hợp ống dây hình trụ có chiều có tiết diện S nhỏ so với chiều dài l. Ống dây điện có độ tự cảm L đáng kể gọi là cuộn cảm hoặc ống dây tự cảm.
Định nghĩa hiện tượng tự cảm là gì?
Hiện tượng tự cảm là hiện tượng cảm ứng điện từ xuất hiện trong một mạch có dòng điện. Tại đó, sự biến thiên của cường độ dòng điện trong mạch gây ra sự biến thiên từ thông trong qua mạch.
Đối với mạch điện 1 chiều thì hiện tượng tự cảm sẽ xảy ra khi chúng ta đóng hoặc ngắt mạch. Khi đóng mạch thì dòng điện sẽ tăng lên một cách đột ngột. Còn khi ngắt mạch thì sẽ là dòng điện giảm xuống bằng 0.
Đối với mạch điện xoay chiều thì luôn xảy ra hiện tượng tự cảm. Bởi cường độ dòng điện xoay chiều liên tục biến thiên theo thời gian.
Hiện tượng tự cảm được ứng dụng trong các mạch điện xoay chiều. Cuộn cảm là một thành phần quan trọng trong những mạch điện xoay chiều có mạch dao động và máy biến áp.
Suất điện động tự cảm là gì?
Định nghĩa: Suất điện động cảm ứng xuất hiện trong mạch khi có hiện tượng tự cảm xảy ra được gọi là suất điện động tự cảm.
Công thức tính:
Trong đó:
- etc là suất điện động tự cảm ( đơn vị là V)
- L là hệ số tự cảm cuộn dây (H)
- Δi là độ biến thiên cường độ dòng điện (A)
- Δt là thời gian cường độ dòng điện biến thiên (s)
- Δi/Δt là tốc độ biến thiên của cường độ dòng điện (A/s)
Suất điện động này có độ lớn tỷ lệ thuận với tốc độ biến thiên của cường độ dòng điện i trong mạch.
Năng lượng từ trường của ống dây tự cảm
Năng lượng từ trường của cuộn cảm là năng lượng đã được tích lũy trong ống dây tự cảm khi có dòng điện chạy qua. Công thức tính năng lượng mà ống dây tích lũy được là:
Trong đó:
- W là năng lượng từ trường của cuộn dây (J)
- L là ký hiệu hệ số tự cảm của cuộn dây (H)
- i là cường độ dòng điện tự cảm (A)
Các dạng bài tập suất điện động tự cảm và lời giải chi tiết
Phương pháp giải bài tập về suất điện động tự cảm, hiện tượng tự cảm cũng giống như các bài tập vật lý về những chủ đề khác. Đó là viết ra các biểu thức liên quan đến đại lượng đã biết, từ đó suy ra đại lượng cần tìm.
Ví dụ 1:
Một ống dây dài 1,5m, gồm có 2000 vòng dây với đường kính của ống là 40cm.
a, Tính độ tự cảm của ống dây là bao nhiêu?
b, Cho dòng điện đi qua ống dây, trong thời gian 1s dòng điện tăng từ 0 đến 5A. Tính giá trị suất điện động tự cảm của ống dây.
c, Dòng điện trong ống dây là 5A, hãy xác định cảm ứng từ do dòng điện sinh ra trong ống dây?
d, Dòng điện trong ống dây là 5A thì năng lượng từ trường trong ống là bao nhiêu?
Lời giải:
a, Độ tự cảm bên trong ống dây là:
Áp dụng công thức:
b, Ta tính được suất điện động tự cảm trong ống dây là:
Áp dụng công thức:
c, Khi i = 5 (A) thì cảm ứng từ do dòng điện sinh ra trong ống dây là:
Áp dụng công thức:
d, Khi i = 5 (A) thì năng lượng từ trường sinh ra trong ống dây là:
Áp dụng công thức:
Ví dụ 2:
Một ống dây dài có mật độ quấn là 2000 vòng/mét với thể tích là 500 cm^3. Ống dây này được gắn vào một mạch điện. Sau khi đóng công tắc thì dòng diện trong ống biến đổi theo thời gian như trong đồ thị. Thời điểm đóng công tắc ứng với t = 0. Tính giá trị của suất điện động tự cảm sinh ra trong ống dây:
a, Sau khi đóng công tắc đến thời điểm t = 0,05s.
b, Tính từ thời điểm t = 0,05s về sau.
Lời giải:
Ta có độ tự cảm của ống dây là:
L = 4Π.10^(-7).n^2.V
= 4Π.10^(-7).2000^2.500.10^(-6)
= 2,51.10^(-3) (H)
a, Trong khoảng thời gian t từ 0 đến 0,05s, thì dòng điện tăng từ i1 = 0 tới i2 = 5A. Khi đó, suất điện động tự cảm trong khoảng thời gian này là:
b, Từ thời điểm t = 0,05s trở đi thì dòng điện không đổi => Δi = 0. Suất điện động tự cảm là:
Từ công thức trên
Bài viết trên đã tổng hợp khá đầy đủ những kiến thức về hiện tượng tự cảm và suất điện động tự cảm. Thêm vào đó, chúng tôi cũng tổng hợp các dạng bài tập liên quan đến chủ đề này và đưa ra lời giải chi tiết nhất. Hy vọng, những thông tin mà kienthucmaymoc.com chia sẻ sẽ giúp ích cho quá trình học tập và làm việc của các bạn.
