Giáo án giảng dạy bộ môn Vật lý 11 - Trường THPT Mạc Đĩnh Chi - Bài 62: Hiện tượng tự cảm năng lượng của từ trường

Tiết : 	 
Bài 62 : 
HIỆN TƯỢNG TỰ CẢM
NĂNG LƯỢNG CỦA TỪ TRƯỜNG
MỤC TIÊU : 
Hiểu được bản chất của hiện tượng tự cảm khi đóng mạch, khi ngắt mạch.
Nắm và vận dụng được các công thức xác định hệ số tự cảm của ống dây, công thưc xác định suất điện động tự cảm của ống dây, xông thức xác định suất điện động tự cảm.
Hiểu được rằng từ trường có năng lượng. Vận dụng được công thức xác định năng lượng từ trường trong ống dây và công thức xác định mật độ năng lượng từ trường.
II. PHƯƠNG PHÁP GIẢNG DẠY : Phương pháp thực nghiệm và nêu vấn đề ..
III. THIẾT BỊ , ĐỒ DÙNG DẠY HỌC : 
IV. TIẾN TRÌNH GIẢNG DẠY 
PHÂN PHỐI THỜI GIAN
PHẦN LÀM VIỆC CỦA GIÁO VIÊN
HOẠT ĐÔNG CỦA HỌC SINH
GHI CHÚ
NỘI DUNG GHI BẢNG
TỔ CHỨC ,ĐIỀU KHIỂN
Kiểm tra bài cũ và kiến thức cũ liên quan với bài mới 
(3’)
Trả lời câu hỏi SGk
Làm bài tập 1,2,3, SGK
Kiểm tra và đánh giá 
Nghiên cứu bài mới
Hiện tượng tự cảm
Thí nghiệm 1.
Bố trí thí nghiệm như sơ đồ ở hình 62.1.
Nhận xét : Khi đóng công tắc K ta nhận thấy bóng đèn Đ1 sáng lên, còn bóng đèn Đ2 sáng lên từ từ mặc dù điện trở thuần của hai nhánh giống nhau.
Giải thích . Khi đóng công tắc, dòng điện trong cả hai nhánh đều tăng (lúc đầu I = 0, sau đó I ¹ 0). Trong nhánh hai dòng điện tăng làm cho từ thông qua ống dây biến đổi.Þ xuất hiện dòng điện cảm ứng trong ống dây. 
Aùp dụng qui tắc Lenxơ Þ dòng điện trong nhánh hai không tăng lên nhanh chóng Þ bóng đèn Đ2 sáng lên từ từ.
Thí nghiệm 2.
Sơ đồ thí nghiệm như trên hình 62.2.
Nhận xét : Ngắt công tắt K , ta nhận thấy bóng đèn không ngắt ngay mà loé sáng lên rồi sau đó mới tắt.
Giải thích : Khi ngắt công tắc, dòng điện trong mạch giảm làm cho từ thông trong ống dây biến đổiÞ trong ống dây cũng xuất hiện dòng điện cảm ứng. 
Theo quy tắc Len-xơ thì dòng điện cảm ứng cùng chiều với dòng điện trong mạch do nguồn gây ra, dòng điện này đi qua bóng đèn. Þ bóng đèn loé sáng lên rồi sau đó mới tắt.
 c) Định nghĩa : Hiện tượng cảm ứng điện từ trong một mạch điện do chính sự biến đổi của dòng điện trong mạch đó gây ra gọi là hiện tượng tự cảm.
Suất điện động tự cảm
Hệ số tự cảm
Ta có f = BS cos a
 khi a = 0 thì f = BSÞ f ~ B
Mà B ~ I Þ f ~ I
 Nghia là f = LI (62.1)
Hệ số tỉ lệ L trong công thức (62.1) gọi là hệ số tư cảm ( hay độ tự cảm) của mạch điện.
Trong hệ SI, đơn vị của hệ số tự cảm là henri, kí hiệu là H.
Biểu thức tíng hệ số biểu cảm của một ống dây dài đặt trong không khí là :
L = 4p.10-7n2v (62.2)
Trong đó n là số vòng dây trên một đơn vị chiều dài của ống, V là thể tích của ống.
Suất điện động tự cảm
Suất điện động được sinh ra do hiện tượng tự cảm gọi là suất điện động tự cảm.
Hệ số tự cảm của một mạch điện là đại lượng không đổi. Do đó, có thể viết :
Df = LDI
Thay biểu thức vừa viết vào (59.1) ta suy ra công thức xác định suất điện động tự cảm sau :
 (62.3)
Năng lượng tư trường 
Nhận xét 
Thí nghiệm 2 nói trên cho ta thấy sau khi ngắt công tắc, bóng đèn vẫn còn sáng trong một khoảng thời gian. Năng lượng làm cho bóng đèn sáng không phải là nguồn mà là do ống dây cung cấp. Năng lượng này được tích trữ trong ống dây từ trước khi ngắt công tắc.
Năng lượng của ống dây có dòng điện 
Người ta chứng minh rằng, khi có dòng điện cường độ I chạy qua ống dây có hệ số tự cảm L thì năng lượng trong ống dây là :
 (62.4)
Năng lượng từ trường 
Khi cho dòng điện chạy qua ống dây thì trong ống dây có từ trường. Vì vậy người ta quan niệm rằng năng lượng của ống dây chính là năng lượng của từ trường trong ống dây đó.
Ta sử dụng công thức (50.3) để rút ra biểu thức của I. Sau đó thay biểu thức I vừa thế ra vào biểu thức (62.2) vào (62.4) ta được :
 (62.5)
Từ trường trong ống dây lă từ trường đều nên nếu gọi w là mật độ năng lượng tư trường thì có thể viết W = wV. Do đó ta tìm được :
 (62.6)
Công thức (62.6) đúng cho trường hợp từ trường không đều và từ trường phụ thuộc thời gian.
Hiện tượng tự cảm
Trong mục này SGK đưa ra hai thí nghiệm về hiện tượng tự cảm. Đây lă hai thí nghiệm có tính kinh điển, trong SGK cũ vẫn dùng hai thí nghiệm này. Sơ đồ trong hình 62.1 SGK là sơ đồ thí nghiệm hiện tượng tự cảm khi đóng mạch ; sơ đồ trong hình 62.2 SGK là thí nghiệm về hiện tượng tự cảm khi ngắt mạch.
Đối với thí nghiệm như hình 62.1 SGK, Gv cần nhấn mạnh để học sinh chú ý rằng bóng đèn ở hai nhánh giống nhau và điện trở thuần hai nhánh đều như nhau. Mặc dù vậy, khi đóng mạch, bóng đèn ơ hai nhánh có cuộn dây vẫn sáng lên chậm hơn.
Trong thiết bị thí nghiệm, để có hai bóng đèn ở hai nhánh giống nhau ta có thể chọn trước, nhưng muốn điện trở thuần của hai nhánh bằng nhau thì GV phải điều chỉnh. Muốn vậy ta đóng mạch điện cho hai bóng đều sáng nhưng độ sáng thường lă không như nhau. Di chuyển con chạy của biến trở thì độ sáng của bóng đèn trong nhánh có biến trở thay đổi. Đến khi nhận thấy độ sáng của hai bóng đèn ở hai nhánh là như nhau thì điện trở thuần ở hai nhánh lúc đó được coi là bằng nhau.
Sau khi đã làm thí nghiệm theo sơ đồ trên hình 62.1 SGK, để thí nghiệm có tính thuyết phục hơn, GV có thể đổi vị trí hai bóng đèn cho nhau rồi lại đóng mạch điện như trên. Khi đó ta thấy bóng đèn ơ nhánh có ống dây sáng lên chậm hơn bóng đèn ở nhánh kia. Điều đó khẳng định rõ ràng rằng ống dây chính là nguyên nhân ngăn cản không cho dòng điện trong nhánh đó tăng lên nhanh chóng.
Trên đây ta nói bóng đèn ở nhánh có ống dây sáng lên chậm hơn bóng đèn ở nhánh kia, nhưng cũng cần nói thêm rằng khoảng thời gian diễn ra sự chậm hơn đó rất ngắn. Tuy nhiên, nếu có sự chú ý trước thì có thể phân biệt được. 
Đến đây GV có thể gợi ý H1.
Trả lời H1 : Sau khi đóng mạch ít lâu độ sáng của hai bóng đèn ở hai nhánh lại như nhau. (Như trên đây nói lên sư sáng lên chậm hơn của bóng đèn ơ nhánh có ống dây diễn ra rất nhanh). Hai bóng đèn sáng như nhau chứng tỏ suất điện động cảm ứng trong ống dây khi đó bằng không. Điều đó có thể giải thích là khi dòng điện trong các nhánh đã ổn định, không biến đổi. Vì vậy suất điện động cảm ứng trong ống dây bằng không.
Việc tiến hành thí nghiệm theo sơ đồ hình 62.2 SGK đơn giản hơn thí nghiệm trước. Sau khi ngắt mạch ta thấy bóng đèn lóe sáng lên rồi mới tắt. Thí nghiệm đó chứng tỏ khi ngắt mạch ống dây cũng sinh ra dòng cảm ứng. Để tăng tính thuyết phục của thí nghiệm, GV có thể tiến hành một thí nghiệm phụ như sau. Sau khi đã làm thí nghiệm theo sơ đồ như trên hình 62.2 SGK, GV thay ống dây bằng một điện trở thuần R1, nghĩa là bằng điện trở thuần của ống dây, rồi lại ngắt mạch như trên. Khi đó ta sẽ thấy bóng đèn không lóe sáng như khi trong mạch có ống dây.
Cũng có thể nói thêm rằng, tuy các động tác trong việc tiến hành thí nghiệm thì đơn giản nhưng việc nhận ra rằng, sau khi ngắt mạch bóng đèn lóe lên một chút thì lại không đơn giản, bởi vì ống dây trong bộ thí nghiệm vẫn dùng ở nhà trường có độ tự cảm rất bé nên sự lóe sáng của bóng đèn thường không rõ ràng lắm. Vì vậy ở thí nghiệm này, GV phải nhắc trước để học sinh chú ý hết sức thì mới nhận ra được sự loé sáng của bóng đèn.
Đến đây, dựa vào 2 thí nghiệm trên GV có thể đưa ra định nghĩa về hiện tượng tự cảm. Cần nói rõ rằng, bản chất của hiện tượng tự cảm cũng là hiện tượng cảm ứng điện từ. Chỉ có điều khác là hiện tượng nằm ngay trong mạch điện đang khảo sát.
Suất điện động tự cảm
Vì bản chất của hiện tượng tự cảm là hiện tượng cảm ứng điện từ nên để thành lập công thức tính suất điện động tự cảm có thể xuât phảt từ công thưc xác định suất điện động cảm ứng. Tuy nhiên, nguyên nhân trưc tiếp gây ra hiện tượng tự cảm là do sự biến thiên của dòng điện trong mạch. Vì thế, hợp lí hơn cả là biễu diễn suất điện động tự cảm qua sự biến đổi của dòng điện trong mạch. Muốn vậy, rõ ràng là cần phải thiết lập mối liên hệ giữa từ thông f và cương độ dòng điên I trong mạch để có thể suy ra mối liên hệ giữa Df & DI. Đó là lí do vì sao trước khi nói về biểu thức của suất điện động tự cảm ta cần nói về hệ số tự cảm như SGK đã trình bày.
Vậy là để mở đầu mục này GV cần nói về hệ số tự cảm, một đại lượng bây giờ mới gặp lần đầu tiên.
Để đưa ra định nghĩa về hệ số tự cảm, GV cần nói về hệ số tự cảm, GV yêu cầu học sinh nhắc lại các công thức xác định cảm ứng từ của dòng điện tròn, dòng điện trong ống dây và gợi cho học sinh nhận xét về mối liên hệ giữa B và I. Các công thức vừa nhắc đến chứng tỏ rằng B tỉ lệ với I. Điều đó cho thấy rút ra nhận xét là từ thông f qua diện tích giới hạn bởi mạch điện cũng tỉ lệ với I ; f = LI,L là một hệ số tỉ lệ.
Đến đây, GV thông báo là hệ thức f = LI không chỉ đúng đối với hai trường hợp nói trên mà nó đúng với dòng điện trong các mạch có mạch khác nhau. Hệ số L trong hệ thức đó gọi là hệ số tự cảm của mạch điện đang xét.
Hệ số tự cảm của một mạch điện phụ thuộc vào dạng của mạch điện đó. GV thông báo về công thức xác định hệ số tự cảm của mạch điện có dạng một ống dây, đó là công thức (62.2).
Sau khi đã thiết lập được mối liên hệ giữa f và I thì việc tìm ra công thức xác định suất điện động tự cảm không còn gặp khó khăn đáng kể.
Gợi ý H2 nêu lên vấn đề tương đối khó đối với những học sinh dưới trung bình.
Vì vậy GV có thể gióe thiệu H3 đối với những học sinh khá.
Trả lời H3 : Từ công thức (62.1) ta rút ra (*).
Nếu ống dây có N vòng dây và diện tích mỗi vòng dây bằng S thì f = NBS. Gọi l lă chiều dài ống dây thì f = nlBS = nBV. Theo (50.3) ta có B = 4p.10-7nI. Thay các biểu thưc của f và B vừa viết vào (*) ta thu được công thức (62.2).
Để lưu ý học sinh sử dụng công thức (62.2) GV có thể dùng câu gợi ý H3.
Trả lời H3 : (62.2) chỉ áp dụng cho trường hơp ống dây không có lõi sắt, nghĩa là chỉ áp dụng cho ống dây trên hình 62.3a.
Năng lượng từ trường
GV đưa ra một hiện tượng để chứng tỏ rằng trong ống dây có năng lượng. SGK chọn hiện tượng để làm dẫn chứng lă hiện tượng trong thí nghiệm 2 ở hình 62.2 SGK. 
Sau đó GV dùng phương pháp suy luận để rút ra kết luận rằng năng lượng trong ống dây chính lă năng lượng từ trường. Từ đó, GV thông báo về công thức xác định năng lượng từ trường trong ống dây.
Vấn đề nêu trong 
Củng cố bài giảng Dặn dò của học sinh
(5’)
Yêu cầu nhắc lại :
Nhấn mạnh các nội dung quan trọng .
Trả lời câu hỏi và làm bài tập SGK
Chuẩn bị bài mới” “
HS tư lưc
]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]