Hiện tượng tự cảm là gì? Năng lượng từ trường của ống dây tự cảm, Ứng dụng và bài tập - Vật lý 11 bài 25

Vậy hiện tượng tự cảm là gì? có ứng dụng gì? Suất điện động tự cảm được tính theo công thức nào? Năng lượng từ trường của ống dây tự cảm có công thức ra sao? Tất cả sẽ được trình bài trong bài viết dưới đây.

I. Từ thông riêng của một mạch kín

• Từ thông riêng của một mạch kín là từ thông xuất hiện khi trong mạch kín có dòng điện cường độ i.

- Trong đó: i là cường độ dòng điện tính ra ampe (A)

 Φ là từ thông tính ra vêbe (Wb)

 L là độ tự cảm tính ra henry (H)

• Độ tự cảm của ống dây hình trụ có chiều dài khá lớn so với đường kính tiết diện:

- Trong đó: L: Độ tự cảm của ống dây (H)

 N: Số vòng dây (vòng).

 l: Chiều dài ống dây (m).

 S: Tiết diện ống dây (m²)

* Lưu ý: Ống dây có độ tự cảm L trên còn được gọi là ống dây tự cảm hay cuộn cảm.

• Độ tự cảm của ống dây có lõi sắt có có công thức:

 Với μ là độ từ thẩm đặc trưng cho từ tính của lõi sắt.

II. Hiện tượng tự cảm

1. Hiện tượng tự cảm là gì?

- Định nghĩa: 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.

2. Một số ví dụ về hiện tượng tự cảm

- Đối với mạch điện một chiều: Hiện tượng tự cảm xảy ra khi đóng và ngắt mạch.

- Đối với mạch xoay chiều: Hiện tượng tự cảm luôn xảy ra.

- Hiện tượng tự cảm cũng tuân theo các định luật của hiện tượng cảm ứng điện từ.

III. Suất điện động tự cảm

1. Suất điện động tự cảm và công thức tính

• Suất điện động cảm ứng xuất hiện trong mạch khi xảy ra hiện tượng tự cảm được gọi là suất điện động tự cảm.

• Công thức tính suất điện động tự cảm:

- Suất điện động tự cảm có độ lớn tỉ lệ với tốc độ biến thiên của cường độ dòng điện trong mạch.

2. Năng lượng từ trường của ống dây tự cảm

- Năng lượng từ trường cảu cuộn cảm là năng lượng tích lũy trong ống dây tự cảm khi có dòng điện chạy qua và được tính theo công thức:

IV. Ứng dụng của hiện tượng tự cảm

- 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.

V. Bài tập về hiện tượng tự cảm

* Bài 1 trang 157 SGK Vật Lý 11: Trong những trường hợp nào có hiện tượng tự cảm?

° Lời giải bài 1 trang 157 SGK Vật Lý 11:

• Khi trong mạch điện có cường độ dòng điện biến thiên thì trong mạch sẽ có hiện tượng tự cảm:

- Trong mạch điện một chiều, hiện tượng tự cảm xảy ra khi đóng mạch hay mở mạch.

- Trong mạch điện xoay chiều, luôn xảy ra hiện tượng tự cảm.

* Bài 2 trang 157 SGK Vật Lý 11: Phát biểu định nghĩa từ thông riêng, độ tự cảm của một mạch kín.

° Lời giải bài 2 trang 157 SGK Vật Lý 11:

- Một mạch kín (C) có dòng điện i. Dòng điện i gây ra một từ trường, từ trương này gây ra một từ thông Φ qua (C) gọi là từ thông riêng của mạch. Φ = Li.

- Độ tự cảm L của một mạch kín là một đại lượng chỉ phụ thuộc vào cấu tạo và kích thước của mạch kín.

- Một ống dây điện chiều dài l, tiết diện S, gồm N vòng dây, có cường độ i chạy qua, độ tự cảm của ống dây được tính theo công thức:

- Độ tự cảm của ống dây có lõi sắt:

 với μ là độ từ thẩm, đặc trưng cho từ tính của lõi sắt.

* Bài 3 trang 157 SGK Vật Lý 11: Độ lớn của suất điện động tự cảm phụ thuộc vào những đại lượng nào?

° Lời giải bài 3 trang 157 SGK Vật Lý 11:

- Công thức tính suất điện động tự cảm:

⇒ Độ lớn của suất điện động tự cảm phụ thuộc vào độ tự cảm của ống dây (L) và tốc độ biến thiên cường độ dòng điện qua ống dây Δi/Δt.

* Bài 4 trang 157 SGK Vật Lý 11: 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. L/2.     D. 4L.

° Lời giải bài 4 trang 157 SGK Vật Lý 11:

• Chọn đáp án đúng: B. 2L.

- Ta có độ tự cảm trong ống dây thứ nhất :

- Độ tự cảm của ống dây thứ hai:

* Bài 5 trang 157 SGK Vật Lý 11: Phát biều nào dưới đây là sai? Suất điện động tự cảm có giá trị lớn khi.

A. dòng điện tăng nhanh.

B. dòng điện giảm nhanh.

C. dòng điện có giá trị lớn.

D. dòng điện biến thiên nhanh.

° Lời giải bài 5 trang 157 SGK Vật Lý 11:

• Chọn đáp án: C. dòng điện có giá trị lớn.

- Vì suất điện động tự cảm phụ thuộc vào tốc độ biến thiên cường độ dòng điện, mà không phụ thuộc vào giá trị độ lớn của cường độ dòng điện.

* Bài 6 trang 157 SGK Vật Lý 11: Tính độ tự cảm của một ống dây hình trụ có chiều dài 0,5m gồm 1000 vòng dây, mỗi vòng dây có đường kính 20 cm.

° Lời giải bài 6 trang 157 SGK Vật Lý 11:

- Độ tự cảm của ống dây: 

• Theo đề bài, ta có:

- Số vòng dây: N = 1000 vòng dây

- Chiều dài ống: l =0,5m

- Mỗi vòng dây có đường kính d = 20cm = 0,2m

- Ta có, diện tích mỗi vòng dây là:

- Như vậy độ tự cảm của ống dây là:

- Vậy L = 0,79H.

* Bài 7 trang 157 SGK Vật Lý 11: Suất điện động tự cảm 0,75V xuất hiện trong một cuộn cảm có L=25mH; tại đó cường độ dòng điện giảm từ giá trị i_a xuống 0 trong 0,01s. Tính i_a.

° Lời giải bài 7 trang 157 SGK Vật Lý 11:

- Ta có độ lớn suất điện động tự cảm trong cuộn dây:

- Vậy i_a = 0,3A.

* Bài 8 trang 157 SGK Vật Lý 11: Trong mạch điện hình 25.5, cuộn cảm L có điện trở bằng không. Dòng điện qua L bằng 1,2A; độ tự cảm L = 0,2H. Chuyển K sang vị trí b, tính nhiệt lượng tỏa ra trong R.

° Lời giải bài 8 trang 157 SGK Vật Lý 11:

- Tóm tắt đề bài:

 I = 1,2A; L = 0,2H

 K chuyển sang b, tìm Q_R = ?

- Khi dòng điện qua cuộn cảm, trong cuộn cảm tích lũy năng lượng:

- Khi chuyển khóa K từ vị trí a sang vị trí b thì cường độ dòng điện trong cuộn cảm giảm, xảy ra hiện tượng tự cảm. Năng lượng từ trường trong ống dây chuyển sang cho điện trở R dưới dạng nhiệt năng, làm điện trở nóng lên.

- Nhiệt lượng tỏa ra trên R: Q_R = W = 0,144J