Năng Lượng Từ Trường | Vật Lý Đại Cương

Xét một mạch điện như hình 5.16. Lúc đầu khóa K chưa tiếp xúc với tiếp điểm nào. Trong mạch không có dòng điện.

Cho khoa K tiếp xúc với tiếp điểm (1), có dòng điện chạy qua cuộn dây và số chỉ của ampe kế cho biết dòng điện trong mạch tăng dần từ giá trị không đến giá trị ổn định I. Nguyên nhân của hiện tượng đó là do trong mạch có suất điện động tự cảm chống lại sự tăng của dòng điện, làm cho nó không tăng đột ngột.

Bây giờ ta hãy tính năng lượng mà nguồn điện đã cung cấp cho mạch kể từ lúc đóng khóa K đến khi dòng điện trong mạch đạt giá trị ổn định I.

Gọi R là điện trở của cuộn dây, r là điện trở nội của nguồn điện,  \( \xi  \) là suất điện động của nguồn điện và  \( {{\xi }_{tc}} \) là suất điện động tự cảm sinh ra trong mạch khi dòng điện trong mạch biến thiên. Bỏ qua điện trở các dây nối và điện trở của ampe kế. Tại thời điểm t bất kì, cường độ dòng điện trong mạch là i. Theo định luật Ohm mạch kín, ta có:

\(\xi +{{\xi }_{tc}}=i\left( R+r \right)\)      (5.19)

Nhân hai vế (5.19) với idt và thay  \( {{\xi }_{tc}}=-L\frac{di}{dt} \), chuyển vế, ta có:

\(\xi idt={{i}^{2}}\left( R+r \right)dt+Lidi\)      (5.20)

Vế trái của (5.20) chính là năng lượng (công) mà nguồn điện đã cung cấp cho mạch trong thời gian dt, ta kí hiệu đại lượng này là dA. Số hạng thứ nhất ở vế phải của (5.20) là năng lượng nhiệt tỏa ra trong thời gian dt, ta kí hiệu số hạng này là dQ.

Ta có:  \( dA=dQ=Lidi  \)      (5.21)

Lấy tích phân trong khoảng thời gian từ lúc ban đầu đến khi dòng điện trong mạch đạt giá trị ổn định I, ta được:

 \( A=Q+\frac{1}{2}L{{I}^{2}} \)       (5.22)

(5.22) cho biết, năng lượng mà nguồn điện cung cấp một phần chuyển hóa thành nhiệt và một phần chuyển hóa thành dạng năng lượng khác xác định bởi biểu thức  \( \frac{1}{2}L{{I}^{2}} \). Năng lượng đó chắc chắn không phải là các dạng năng lượng quen thuộc như cơ năng, hóa năng, … Vậy nó là năng lượng gì? Phân tích các đại lượng liên quan đến mạch điện taa thấy, khi có dòng điện xuất hiện trong mạch thì có từ trường do dòng điện trong mạch tạo ra. Vì thế buộc ta phải thừa nhận rằng biểu thức  \( \frac{1}{2}L{{I}^{2}} \) chính là năng lượng của từ trường. Với các ống dây điện, từ trường định xứ trong lòng ống dây là chủ yếu.

Vậy biểu thức tính năng lượng từ trường của ống dây là:  \( {{W}_{m}}=\frac{1}{2}L{{I}^{2}} \)      (5.23)

Cần nói thêm rằng, năng lượng từ trường trong ống dây chỉ được tạo ra trong khoảng thời gian dòng điện trong mạch tăng từ không đến giá trị ổn định I. Vì kể từ sau thời điểm đó, dòng điện trong mạch không còn biến thiên nữa, từ trường cũng đạt trạng thái ổn định và di = 0 nên (5.21) trở thành:  \( dA=dQ  \), nghĩa là năng lượng nguồn điện cung cấp chuyển hóa hoàn toàn thành nhiệt.

Để chứng tỏ sự tồn tại của năng lượng từ trường trong ống dây, ta chuyển khóa K từ tiếp điểm (1) sang tiếp điểm (2) thì thấy đèn lóe sáng một lúc rồi tắt. Khi khóa K chuyển sang tiếp điểm (2) thì mạch điện đã cô lập với nguồn điện. Vậy năng lượng ở đâu cung cấp làm đèn lóe sáng? Chỉ có thể giải thích được đó là do năng lượng từ trường trong ống dây đã chuyển hóa thành điện năng làm lóe sáng đèn.