Từ tính và điện từ

Một nam châm chuyển động có thể tạo ra dòng điện; một dòng điện có thể tạo ra chuyển động. Mọi động cơ, máy phát điện, nhà máy điện và loa đều nằm trong chủ đề này. Tài liệu tham khảo này bao gồm AQA GCSE Physics 8463, chủ đề 4.7 Từ tính và điện từ.

Cách kỳ thi xử lý chủ đề này:

• Giấy thi 2 chứa chủ đề này. $F = BIl$ và hai phương trình máy biến áp nằm trên tờ đính kèm.
• Quy tắc bàn tay trái của Fleming, động cơ, loa, hiệu ứng máy phát, máy phát điện xoay chiều/điện dynamo, micro và máy biến áp là chỉ dành cho HT; tất cả nội dung từ 4.7.3 trở đi cũng chỉ dành cho vật lý.
• Bạn phải vẽ sơ đồ đường sức từ: nam châm thanh, dây dẫn thẳng, cuộn dâyargsoid.

• Cực từ: nơi lực từ mạnh nhất.

Cực同名 đẩy nhau; cực khác tên hút nhau — đây là lực không tiếp xúc.

• Một nam châm vĩnh cửu tự tạo ra từ trường của mình. Một nam châm cảm ứng chỉ trở thành nam châm khi ở trong từ trường — và từ tính cảm ứng luôn luôn gây attraction (nó mất từ tính khi bị tách ra).
• Từ trường là vùng mà tại đó lực tác dụng lên một nam châm hoặc vật liệu từ tính khác (sắt, thép, coban, niken). Một nam châm luôn hút vật liệu từ tính.
• Từ trường mạnh nhất tại các cực; hướng = lực tác dụng lên cực Bắc tại điểm đó. Các đường sức từ chạy từ Bắc → Nam.
• La bàn là một nam châm thanh nhỏ; nó chỉ theo hướng từ trường Trái Đất — bằng chứng cho thấy Trái Đất có từ trường (lõi của nó hoạt động như một nam châm khổng lồ).

Vẽ từ trường: đặt la bàn vẽ gần nam châm, đánh dấu hai đầu kim, di chuyển la bàn sao cho đuôi kim trùng với dấu cuối cùng, lặp lại và nối các điểm lại. Sắt vụn hiển thị toàn bộ mô hình ngay lập tức.

Một dây dẫn mang dòng điện có từ trường xung quanh nó (các vòng tròn đồng tâm; quy tắc nắm tay phải — ngón cái chỉ chiều dòng điện, các ngón tay cong theo chiều từ trường). Từ trường mạnh hơn khi dòng điện lớn hơn và yếu hơn khi xa dây dẫn hơn.

Uốn dây thành cuộn dâyargsoid:

• Từ trường của các vòng quay cộng gộp — từ trường bên trong mạnh và đồng đều;
• Bên ngoài, hình dạng giống với từ trường của nam châm thanh;
• Thêm lõi sắt sẽ tăng cường độ từ trường hơn nữa — đây là nam châm điện.

Một nam châm điện có thể bật và tắt, đồng thời độ mạnh của nó có thể thay đổi theo dòng điện — đó là lý do tại sao nó vượt trội hơn nam châm vĩnh cửu trong các bãi phế liệu và rơ-le.

Một dây dẫn mang dòng điện trong từ trường sẽ chịu một lực (hiệu ứng động cơ — từ trường, nam châm và dây dẫn đẩy lẫn nhau).

Quy tắc bàn tay trái Fleming: ngón cái = lực, ngón trỏ = từ trường (N→S), ngón giữa = dòng điện — cả ba đều vuông góc với nhau.

• $F$ lực tính bằng N; $B$ cảm ứng từ tính bằng tesla, T; $I$ dòng điện tính bằng A; $l$ chiều dài phần dây dẫn nằm trong từ trường, tính bằng m.
• Lực lớn hơn khi: từ trường mạnh hơn ($B$ lớn), dòng điện lớn, phần dây dẫn trong từ trường dài hơn. Lực đạt cực đại khi dây dẫn ở vuông góc với từ trường.

Động cơ điện: một cuộn dây mang dòng điện trong từ trường quay vì hai cạnh của cuộn dây chịu lực theo hướng ngược nhau.

Chổi than phân đoạn đảo chiều dòng điện mỗi nửa vòng quay để duy trì chuyển động quay.

Loa (chỉ vật lý): dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn dây trong từ trường khiến cuộn dây dao động vào ra; màng loa đẩy không khí tạo thành biến thiên áp suất — sóng âm có tần số khớp với tín hiệu.

Nếu một dây dẫn di chuyển tương đối so với từ trường, hoặc từ trường xung quanh nó thay đổi, một hiệu điện thế được cảm ứng; nếu mạch kín, dòng điện sẽ chảy — đây là hiệu ứng máy phát.

• Từ trường của dòng điện cảm ứng chính nó sẽ cản lại sự thay đổi đã sinh ra nó.
• Hiệu điện thế cảm ứng lớn hơn khi: chuyển động nhanh hơn, từ trường mạnh hơn, nhiều匝 dây hơn. Chiều đảo ngược khi: chuyển động đảo chiều hoặc cực từ trường đảo chiều.

Máy phát điện xoay chiều (alternator): một cuộn dây quay trong từ trường — hiệu điện thế cảm ứng đảo chiều mỗi nửa vòng quay, nên đồ thị hiệu điện thế–thời gian là sóng lặp lại cắt trục hoành.

Máy phát điện một chiều (dynamo): chổi than phân đoạn đảo nối tiếp mỗi nửa vòng quay, nên đầu ra luôn nằm về một phía của trục hoành (đồ thị dạng gợn sóng, luôn dương).

Microphone: ngược lại với loa — biến thiên áp suất âm thanh làm cuộn dây di chuyển trong từ trường, sinh ra dòng điện biến thiên phản ánh âm thanh.

Máy biến áp: cuộn dây sơ cấp và thứ cấp quấn trên lõi sắt (dễ từ hóa; không cần ghép lá).

Dòng điện xoay chiều trong cuộn sơ cấp tạo ra từ trường biến thiên trong lõi; từ trường biến thiên này cảm ứng một hiệu điện thế xoay chiều ở cuộn thứ cấp.

• Tăng áp: $V_s > V_p$ (nhiều vòng dây thứ cấp hơn). Giảm áp: $V_s < V_p$.
• Phương trình thứ hai là công suất vào = công suất ra; sử dụng nó để tìm dòng điện tiêu thụ từ nguồn đầu vào.

Ví dụ minh họa. Một máy biến áp có 345 vòng dây sơ cấp và 6000 vòng dây thứ cấp; điện áp đầu vào là 230 V.

Ví dụ minh họa (công suất). Máy biến áp đó cung cấp 50 mA tại 4000 V.

• Công suất ra: $P = V_sI_s = 4000 \times 0.050 = 200$ W.
• Dòng điện đầu vào: $I_p = P/V_p = 200/230 = 0.87$ A.

Câu chuyện về lưới điện quốc gia hoàn tất vòng lặp: tăng áp trước khi truyền tải (dòng điện nhỏ hơn → $P = I^2R$ tổn hao giảm mạnh), giảm áp cho các hộ dân (xem chủ đề 2.7).

• Phát biểu các quy tắc cực nam/bắc; phân biệt nam châm vĩnh cửu và nam châm cảm ứng.
• Vẽ sơ đồ đường sức từ của nam châm thanh, dây dẫn thẳng và ống dây có hướng; giải thích mối liên hệ giữa la bàn và Trái Đất.
• (HT) Sử dụng quy tắc tay trái Fleming và $F = BIl$; giải thích động cơ và bộ đổi chiều.
• (chỉ vật lý, HT) Phát biểu các điều kiện phát sinh điện từ và từ trường cảm ứng oppose; phân biệt đồ thị máy phát điện xoay chiều và máy phát điện một chiều; giải thích micro.
• (chỉ vật lý, HT) Sử dụng cả hai phương trình máy biến áp; giải thích hiện tượng cảm ứng giữa các cuộn dây và lợi ích của lưới điện quốc gia.