Lý thuyết tự cảm, lý 11

I. TỪ THÔNG RIÊNG CỦA MỘT MẠCH KÍN

Giả sử có một mạch kín C, trong đó có dòng điện cượng đọ i. Dòng điện i gây ra một từ trường, từ trường này gây ra  một từ thông Φ qua C được gọi là từ thông riêng của mạch. Rõ ràng, từ thông này tỉ lệ với cảm ứng từ do i gây ra , nghĩa là tir lệ với i. Ta có thể viết: Φ = 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), Φ tính ra veebe (Wb), khi đó độ tự cảm L tính ra henry (H).

Ví dụ có một ống dây điện chiều dài l, tiết diện S, gồm tất cả N vòng dây, trong đó có dòng điện cường độ i chạy gây ra từ trường đều trong lòng ống dây đó. Cảm ứng từ B trong lòng ống dây cho bởi: 

B = 4π10^-7 i

Dễ dàng tính được từ thông riêng của ống dây đó và suy ra độ tự cảm ( viết trong hệ đơn vị SI) : L =  4π10^-7 iS.    (25.2)

Công thức này áp dụng đối với một ống dây điện hình trụ có chiều dài l khá lớn so với đường kính tiết diện S. Ống dây có độ tự cảm L đáng kể, được gọi là ống dây tự cảm hay cuộn cảm.

II. HIỆN TƯỢNG TỰ CẢM

1. Định nghĩa.

Trong mạch kín C có dòng điện cường độ i: Nếu do một nguyên nhân nào đó cường độ i biến thiên thì từ thông riêng của C biến thiên; khi đó trong X xảy ra hiện tượng cảm ứng điện từ; hiện tượng này gọi là hiện tượng tự cảm

Hiện tượng tự cảm 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 ta 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.

III. SUẤT ĐIỆN ĐỘNG TỰ CẢM

1. Khi có hiện tượng tự cảm xảy ta 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:

e_tc =  - 

Trong  đó Φ là từ thông riêng được cho bởi : Φ = Li

Vì L không đổi, nên  ∆Φ = L ∆i

Vậy suất điện động tự cảm có công thức:

e_tc =  - L   (25.3)

Dấu trừ trong (25.3) phù hợp với định luật Len - xơ

2. Năng lượng từ trường của ống dây tự cảm

Trong thí nghiệm 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 lũy trong ống dây tự cảm khi có dòng điện chạy qua. Người ta chứng minh được rằng, khi có dòng điện cường độ i chạy qua ống dây tự cảm thì ống dây tích lũy được một năng lượng cho bởi:

W =   Li^{2   (25.4)}

VI. ỨNG DỤNG

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..

Đọc tiếp

Lý thuyết phản xạ toàn phần, lý 11

I. SỰ TRUYỀN ÁNH SÁNG VÀO MÔI TRƯỜNG CHIẾT QUANG KÉM HƠN (n₁ > n₂).

        1. Thí nghiệm 

Ta cho một chùm tia sáng hẹp truyền từ khối nhựa trong suốt hình bán trụ vào trong không khí.

Thay đổi độ nghiêng của chùm tia tới (thay đổi góc tới i) và quan sát chùm tia khúc xạ ra không khí. Khi góc tới i  ≥ i_gh tia khúc xạ không còn, toàn bộ tia sáng bị phản xạ.

       2. Góc giới hạn phản xạ toàn phần

-  Khi chùm tia sáng khúc xạ ở mặt phân cách hai môi trường, ta có:

         n₁sini = n₂sinr

Suy ra : sinr = sini

Vì  n₁ > n₂  nên: sin r > sin i. Do đó r > i.

Chùm tia khúc xạ lệch xa pháp tuyến hơn so với chùm tia tới.

-  Khi góc I tăng thì góc r cũng tăng (với r > i ). Do đó, khi r đạt giá trị cực đại 90^o thì i đạt giá trị i_gh gọi là góc giới hạn phản xạ toàn phần, còn gọi là góc tới hạn. Khi đó ta có: n₁sini_gh = n₂sin 90^o.

Suy ra: sin i_gh =                        (27.1)

-  Với i > i_gh, nếu áp dụng định luật khúc xạ ánh sáng, ta có:

sinr = sin i > 1 (vô lý )

Điều này phản ánh thực tế là không có tia khúc xạ, toàn bộ tia sáng bị phản xạ ở mặt phân cách. Đó là hiện tượng phản xạ toàn phần.

II. HIỆN TƯỢNG PHẢN XẠ TOÀN PHẦN.

1. Định nghĩa

Phản xạ toàn phần là hiện tượng phản xạ toàn bộ _{tia sáng tới, xảy ra ở mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt.}

Khi có phản xạ toàn phần thì không có tia khúc xạ.

Ta gọi là toàn phần để phân biệt với phản xạ một phần luôn xảy ra đi kèm với sự khúc xạ.

      2. Điều kiện để có phản xạ toàn phần_.

a)      Ánh sáng truyền từ một môi trường tới môi trường chiết quang kém hơn: n₂ < n₁

b)      Góc tới lớn hơn hoặc bằng góc giới hạn: i ≥ i_gh

III. ỨNG DỤNG CỦA HIỆN TƯỢNG PHẢN XẠ TOÀN PHẦN: CÁP QUANG.

1. Cấu tạo

Cáp quang là bó sợi quang. Mỗi sợi quang là một dây trong suốt có tính dẫn sáng nhờ  phản xạ toàn phần. Sợi quang gồm hai phần chính:

-          Phần lõi trong suốt bằng thủy tinh siêu sạch có chiết suất lớn(n₁).

-          Phần vỏ bọc cũng trong suốt, bẳng thủy tinh có chiết suất n₂ nhỏ hơn phần lõi.

Phản xạ toàn phần xảy ở mặt phân cách giữa lõi và vỏ làm cho ánh sáng truyền đi được theo sợi quang.

Ngoài cùng là một số lớp vỏ bọc bằng nhựa dẻo để tạo cho cáp độ bền và độ dai cơ học.

       2. Công dụng

Từ những năm 80 của thế kỉ XX, cáp quang đã được ứng dụng vào việc truyền thông tin. Cáp quang có nhiều ưu điểm so với cáp bằng đồng:

-          Dung lượng tín hiệu lớn.

-          Nhỏ và nhẹ, dễ vận chuyển, dễ uốn.

-          Không bị nhiễu bởi các bức xạ điện từ bên ngoài, bảo mật tốt.

-          Không có rủi ro cháy (vì không có dòng điện).

Ứng dụng của cáp quang:

Trong công nghệ thông tin, cáp quang được dùng để truyền thông tin, dữ liệu dưới dạng tín hiệu ánh sáng.

Đọc tiếp

Lý thuyết từ trường. Vật lý 11

I. Từ trường của dòng điện xoay chạy trong dây dẫn thẳng dài

Tại một điểm khảo sát cách dòng điện thẳng dài một khoảng r, vectơ cảm ứng từ có phương vuông góc với bán kính nối điểm khảo sát với tâm O (giao của dòng điện với mặt phẳng chứa vuông góc với dòng điện chứa điểm khảo sát)

+ Độ lớn cảm ứng từ tại một điểm cách dây dẫn thẳng dài mang dòng điện I một khoảng r trong chân không được tính bằng công  thức: B = 

Trong hệ số SI, hệ số có tỉ lệ k có giá trị bằng 2.10^-7.

Vậy: B = 2.10^-7.                                          (21.1)                      

trong đó, I tính ra ampe (A), r tính ra mét (m), B tính ta tesla (T).

• Dựa vào đặc điểm của vec tơ cảm ứng từ ta phương, chiều của vectơ cảm ứng từ tuân theo quy tắc nắm tay phải.

II. Từ trường của dòng điện chạy trong dây dẫn uốn thành vòng tròn

+ Độ lớn cảm ứng từ B ở tâm dây dẫn tròn bán kính R có  dòng điện I chạy qua, được tính bằng công thức:

Vectơ cảm ứng từ có hướng trùng với hướng của đường sức trong lòng vòng dây

                           B = 2π10^-7.                                    (21.1a)

Với R là bán kính của khung dây tròn. Nếu khung dây tròn tạo bởi N vòng dây sít nhau thì: 

                           B = 2π10^-7.N.                                  (21.1b) 

trong đó, I đo bằng ampe (A), R đo bằng mét (m).

Tại một điểm trong lòng ống dây có dòng điện qua, vectơ cảm ứng từ có phương trùng với trục ống dây, có chiều tuân theo quy tắc nắm tay phải.

III. Từ trường của dòng điện chạy trong ống dây dẫn hình trụ.

Ống dây có dòng chạy qua:

-Bên trong ống dây, các đường sức từ song song với trục ống dây và cách đều nhau. Nếu ống dây đủ dài (chiều dài rất lớn so với đường kính của ống dây và cách ống) thì đường bên trong ống dây là từ trường đều. Bên ngoài ống, đường sức từ có dạng giống đường sức từ của nam châm thẳng. Cảm ứng từ trong long ống dây được cho bởi công thức:B =  4π.10^-7                           (21.3a)

trong đó N là tổng số vòng dây, l là độ dài hình trụ. Chú ý rằng  = n = số vòng dây quấn trên một đơn vị dài của lõi, vậy cũng có thể viết:

                     B = 4π.10^-7nI                               (21.3b)  

-Chiều các đường sức từ trong long ống dây được xác định theo quy tắc nắm tay phải: Khum bàn tay phải sao cho chiều từ cổ tay đến ngón tay chỉ chiều dòng điện chạy qua ống dây, thì ngón choãi ra chỉ chiều của đường sức từ trong lòng ống dây.

IV. Từ trường của nhiều dòng điện

Phương pháp tính toán tương tự như đối với cường độ điện trường gây bởi nhiều điện tích điểm. Nghĩa là từ trường do nhiều dòng điện gây ra tuân theo nguyên lý chồng chất: Vectơ cảm ứng từ tại một điểm, do nhiều dòng điện gây ra bằng tổng các vectơ cảm ứng từ do từng dòng điện gây ra tại điểm ấy.

Đọc tiếp

Lực Lo-ren-xơ, lý 11

I. Lực Lo-Ren-Xơ

1. Định nghĩa lực Lo-Ren-Xơ

Ta biết rằng dòng điện trong kim loại là dòng chuyển dời có hướng của các êlectron. Khi dây dẫn có dòng điện được đặt trong một từ trường, người ta giải thích lực từ tác dụng lên đẩy dây dẫn chính là tổng hợp các lực do từ trường tác dụng lên các êlectron chuyển động tạo thành dòng điện.

Một cách tổng quát: Mọi hạt điện tích chuyển động trong một từ trường, đều chịu tác dụng của lực từ. Lực từ này được gọi là lực Lo-ren-xơ (Lorentz). Có thể làm những thí nghiệm chứng minh hiện tượng này.

2. Xác định lực Lo-ren-xơ

Ta biết lực từ  tác dụng lên phần tử dòng điện I = I  có phương vuông góc với  và , có chều tuân theo quy tắc bàn tay tái và có độ lớn được xác định bởi công thức.

                      F = IlBsinα

Ở đây, ta giả thiết từ trường  là đều. Lực từ  là tổng hợp các lực Lo-ren-xơ tác dụng lên các hạt điện tích q₀ chuyển động cùng cới vận tốc  tạo thành dòng điện theo chiều . Như vậy, lực tổng hợp phân chia đều cho các hạt điện tích. Nếu N là tổng số hạt điện tích trong phần tử dòng điện thì lực Lo-ren-xơ tác dụng lên mỗi hạt điện tích cho bởi:

                                            (22.1)

α là góc tạo bởi  và  = .

Giả sử n_o là mật độ hạt điện tích trong dây dẫn, S là tiết diện dây dẫn thì:

                        N = n_o x thể tích dây dẫn = n_o x Sl

                        I =  q_o(Svn_o)

                   Và 

Vậy (22.1) cho ta công thức xác định lực Lo-ren-xơ:

                        F = q_ovBsinα)                                          (22.2)

So sánh về hướng, ta nhận thấy  và  cùng hướng khi q_o > 0 và ngược hướng khi q_o < 0. Vậy có thể kết luận:

Lực Lo-ren-xơ do từ trường có cảm ứng từ  tác dụng lên một hạt điện tích q_o chuyển động với vận tốc :

a) Có phương góc với  và ;

b) Có chiều tuân theo quy tắc bàn tay trái: Để bàn tay mở rộng sao cho từ trường hướng vào lòng bàn tay, chiều từ cổ ty đến ngón giữa là chiều của  khi q_o > 0 và ngược chiều  khi q_o < 0. Lúc đó, chiều của lực Lo-ren-xơ là chiều ngón cái choiax ra

c) Có độ lớn f = |q_o|vBsinα

trong đó α là góc tạo bởi   và . 

II. Chuyển động của hạt điện tích trong từ trường đều

1. Chú ý quan trọng

Giả sử một hạt điện tích q_o khối lượng m chuyển động dưới tác dụng duy nhất của lực Lo-ren-xơ. Khi đó, lực tác dụng  luôn luôn vuông góc với vận tốc , do đó công suất tức thời của lực tác dụng: P =  luôn bằng 0. Vậy động năng của hạt (theo định lý biến thiên động năng) được bảo toàn, nghĩa là độ lớn vận tốc của hạt không đổi, chuyển động của hạt là chuyển động đều.

2. Chuyển động của hạt điện tích trong từ trường đều

Bây giờ ta hãy khảo sát chuyển động của một hạt điện tích q_o khối lượng m trong một từ trường đều với giả thiết là vận tốc của hạt vuông góc với từ trường. Giả thiết hạt chịu tác dụng duy nhất của từ trường, phương trình chuyển động của hạt được viết:                                     (22.4)

Với  được xác định theo hình 22.3.

Kết quả cho thấy tọa độ của vận tốc theo phương z không thay đổi. Vì lúc đầu (t = 0): v_z = 0 (vận tốc đầu vuông góc với ) nên ta luôn có v_z = 0, nghĩa là vec tơ vận tốc  luôn nằm trong mặt phẳng Oxy: Chuyển động của hạt điện tích là chuyển động phẳng trong mặt phẳng vuông góc với từ trường.

Trong mặt phẳng đó, lực Lo-ren-xơ luôn vuông góc với vận tốc , nghĩa là đóng vai trò lực hướng tâm:

                   = |q_o|vB                                      (22.5)

với R là bán kính cong của quỹ đạo.

Vì độ lớn của vận tốc không đổi nên bán kính cong R của quỹ đạo không đổi, nói các khác quỹ đạo là một đường tròn.

Kết luân: Quỹ đạo của một hạt điện tích trong từ trường đều, với điều kiện vận tốc ban đầu vuông góc với từ trường, là một đường tròn nằm trong mặt phẳng vuông góc với từ trường, có bán kính (cho bởi công thức (22.5)):

                                                                 (22.6)                     

trong đó, m là khối lượng của điện tích chuyển động.

Đọc tiếp

Công thức dùng cho các bài tập môn Vật Lý cần thiết không thể thiếu.Vật lý 9

Đọc tiếp