Mục lục bài họcĐang ở d04-b3
Magnetism, the motor effect and induction
Magnetic fields
Field lines run from north to south outside a magnet, never cross, and are closer together where the field is stronger. A current in a wire produces a circular field around it; wrapping the wire into a solenoid produces a field like that of a bar magnet, stronger with more turns, more current, or an iron core.
The motor effect
A current-carrying conductor in a magnetic field experiences a force, provided the current is not parallel to the field. The force increases with current and with field strength, and reverses if either the current or the field is reversed — reversing both leaves it unchanged.
Fleming's left-hand rule gives the direction: First finger = Field, seCond finger = Current, thuMb = Motion. Left hand for motors.
Electromagnetic induction
Moving a conductor across a magnetic field, or changing the field through a coil, induces an e.m.f. The induced e.m.f. is larger when the movement is faster, the field is stronger, or the coil has more turns.
Moving the conductor parallel to the field lines cuts no lines and induces nothing — a favourite exam trap.
Fleming's right-hand rule gives the direction of the induced current. Right hand for generators. The two rules are mirror images and the exam relies on students confusing them.
Transformers
$$\frac{V_{s}}{V_{p}}=\frac{N_{s}}{N_{p}},\qquad \text{and for an ideal transformer}\quad V_{p}I_{p}=V_{s}I_{s}$$Transformers work on alternating current only, because a steady current gives a steady field and a steady field induces nothing. Stepping the voltage up steps the current down — power is conserved — and that is why the grid transmits at high voltage: lower current means far less energy wasted as heat in the cables, since that loss is $I^{2}R$.
Từ trường. Đường sức đi từ cực bắc sang cực nam ở bên ngoài nam châm, không bao giờ cắt nhau, và càng sát nhau ở nơi từ trường càng mạnh. Dòng điện trong dây dẫn tạo ra từ trường hình tròn quanh dây; cuốn dây thành ống dây cho từ trường giống nam châm thẳng, mạnh hơn khi tăng số vòng, tăng dòng điện, hoặc thêm lõi sắt.
Lực từ tác dụng lên dòng điện. Dây dẫn có dòng điện đặt trong từ trường chịu một lực, miễn là dòng điện không song song với từ trường. Lực tăng theo dòng điện và theo độ mạnh từ trường, và đổi chiều nếu đảo một trong hai — đảo cả hai thì lực giữ nguyên chiều.
Quy tắc bàn tay trái Fleming cho biết chiều: ngón trỏ = Field (từ trường), ngón giữa = Current (dòng điện), ngón cái = Motion (chuyển động). Bàn tay trái dùng cho động cơ.
Cảm ứng điện từ. Di chuyển dây dẫn cắt ngang từ trường, hoặc làm thay đổi từ trường qua một cuộn dây, sẽ sinh ra suất điện động. Suất điện động lớn hơn khi chuyển động nhanh hơn, từ trường mạnh hơn, hoặc cuộn có nhiều vòng hơn.
Di chuyển dây song song với đường sức thì không cắt đường sức nào và không sinh ra gì cả — một bẫy quen thuộc của đề.
Quy tắc bàn tay phải Fleming cho biết chiều dòng điện cảm ứng. Bàn tay phải dùng cho máy phát. Hai quy tắc là ảnh gương của nhau, và đề thi trông cậy vào việc thí sinh lẫn chúng.
Máy biến áp.
$$\frac{V_{s}}{V_{p}}=\frac{N_{s}}{N_{p}},\qquad \text{và với máy lý tưởng}\quad V_{p}I_{p}=V_{s}I_{s}$$Máy biến áp chỉ hoạt động với dòng xoay chiều, vì dòng không đổi cho từ trường không đổi, mà từ trường không đổi thì không cảm ứng ra gì. Tăng điện áp thì giảm dòng điện — công suất được bảo toàn — và đó chính là lý do lưới điện truyền tải ở điện áp rất cao: dòng nhỏ hơn nghĩa là hao phí nhiệt trên đường dây nhỏ hơn nhiều, vì hao phí đó bằng $I^{2}R$.
Một máy biến áp lý tưởng có cuộn sơ cấp $100$ vòng và cuộn thứ cấp $500$ vòng, nối với nguồn xoay chiều $12$ V. (a) Tính điện áp thứ cấp. (b) Nếu dòng sơ cấp là $2.0$ A, tính dòng thứ cấp. (c) Giải thích vì sao lưới điện truyền tải ở điện áp rất cao.
(a)
$$\frac{V_{s}}{V_{p}}=\frac{N_{s}}{N_{p}}\;\Longrightarrow\;V_{s}=12\times\frac{500}{100}=60\ \text{V}$$Nhiều vòng hơn ở thứ cấp nên điện áp tăng — đây là máy tăng áp.
(b) Máy lý tưởng thì công suất vào bằng công suất ra.
$$V_{p}I_{p}=V_{s}I_{s}\;\Longrightarrow\;12\times 2.0=60\times I_{s}\;\Longrightarrow\;I_{s}=0.40\ \text{A}$$Điện áp tăng $5$ lần thì dòng điện giảm đúng $5$ lần. Máy biến áp không tạo ra năng lượng; nó chỉ đổi tỉ lệ giữa điện áp và dòng điện.
(c) Lý do nằm ở công thức hao phí. Điện năng mất trên đường dây do toả nhiệt là
$$P_{\text{hao}}=I^{2}R$$Hao phí tỉ lệ với bình phương dòng điện. Truyền cùng một công suất ở điện áp cao gấp $100$ lần thì dòng điện nhỏ đi $100$ lần, và hao phí giảm $100^{2}=10\,000$ lần.
Đó là lý do đường dây cao thế chạy ở hàng trăm nghìn vôn, rồi máy biến áp hạ áp mới đưa xuống $220$ V ở gần nơi tiêu thụ. Chú ý điện trở $R$ của dây gần như không đổi được — kéo dây dày hơn thì tốn kim loại và nặng — nên giảm $I$ là cách duy nhất còn lại.
Một đoạn dây dẫn thẳng nằm trong từ trường đều. Với mỗi trường hợp, cho biết có sinh ra suất điện động không: (a) dây đứng yên; (b) dây chuyển động vuông góc với đường sức; (c) dây chuyển động song song với đường sức; (d) dây đứng yên nhưng nam châm bị kéo ra xa.
(a) Không. Không có gì thay đổi, nên không có đường sức nào bị cắt.
(b) Có. Dây cắt ngang các đường sức, và đây là trường hợp cho suất điện động lớn nhất với cùng tốc độ.
(c) Không. Dây chuyển động dọc theo các đường sức nên không cắt đường nào — nó chỉ trượt song song với chúng. Đây là bẫy hay gặp nhất: có chuyển động, có từ trường, mà vẫn không sinh ra gì.
(d) Có. Điều quan trọng không phải là cái gì chuyển động, mà là từ trường qua mạch có thay đổi hay không. Kéo nam châm ra xa làm từ trường tại chỗ dây giảm dần, và sự thay đổi đó cảm ứng ra suất điện động.
Nguyên tắc gói cả bốn trường hợp. Suất điện động sinh ra khi và chỉ khi từ thông qua mạch thay đổi. Chuyển động chỉ là một cách để làm nó thay đổi — không phải điều kiện bắt buộc, cũng không phải điều kiện đủ.
Chính vì thế máy biến áp hoạt động được dù không có bộ phận nào chuyển động: dòng xoay chiều ở cuộn sơ cấp làm từ trường trong lõi sắt biến thiên liên tục, và sự biến thiên đó cảm ứng ra điện áp ở cuộn thứ cấp.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Electricity and Magnetism gồm 14 câu trắc nghiệm và 5 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.