Mô phỏng Từ trường

Năm màn hình thí nghiệm về cảm ứng điện từ: nam châm thẳng với la bàn và đầu đo từ trường; đưa nam châm qua cuộn dây thu để làm bóng đèn sáng (thấy cả electron chạy trong mạch); nam châm điện đổi cực bằng nguồn một chiều hoặc xoay chiều; máy biến áp cho thấy tỉ số điện áp bằng tỉ số vòng dây khi hai cuộn ghép sát lõi; máy phát điện quay bằng dòng nước. Phỏng theo mô phỏng "Faraday's Electromagnetic Lab" và "Generator" của PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder (CC BY 4.0); đã viết lại.

Chế độ Dây dẫn: đoạn dây dài l mang dòng điện I đặt trong từ trường đều B hợp góc α, lực từ F = BIl·sinα xác định bằng quy tắc bàn tay trái; kéo để xoay dây và thấy F thay đổi. Chế độ Hạt: hạt tích điện (proton hoặc electron) bay vào từ trường vuông góc, lực Lorentz f = |q|vB làm hạt chuyển động tròn bán kính r = mv/(|q|B), chu kì T = 2πm/(|q|B).

Mô hình 3D xoay được về đường sức từ quanh dây dẫn thẳng dài (các đường tròn đồng tâm, quy tắc nắm tay phải), vòng dây tròn và ống dây. Học sinh chỉnh cường độ I, đổi chiều dòng điện, kéo đầu dò để đổi khoảng cách r; các kim nam châm nhỏ trên mặt phẳng tự quay theo chiều B, độ lớn B = 2·10⁻⁷ I/r (dây thẳng), 2π·10⁻⁷ I/R (tâm vòng dây), 4π·10⁻⁷ nI (trong lòng ống dây) cập nhật liên tục.

Kéo thanh nam châm vào hoặc ra khỏi ống dây N vòng nối với điện kế (hoặc để nam châm tự chuyển động). Kim điện kế lệch tỉ lệ với tốc độ biến thiên từ thông, đổi chiều khi đổi chiều chuyển động hoặc đổi cực; nam châm đứng yên thì kim về 0. Đồ thị từ thông Φ(t) và suất điện động e = −N·ΔΦ/Δt chạy liên tục, chiều dòng cảm ứng theo định luật Lenz hiện ngay trên ống dây.

Mô hình 3D xoay được: điện tích dao động trong anten lưỡng cực nửa bước sóng phát ra sóng điện từ, điện trường E và từ trường B vuông góc với nhau và với phương truyền, dao động cùng pha, truyền với tốc độ c = 1/√(μ₀ε₀). Đổi tần số để thấy bước sóng λ = c/f thay đổi và vị trí trên thang sóng điện từ, xoay anten thu để thấy tín hiệu tỉ lệ cos θ, đặt khối vật liệu chiết suất n để sóng chậm lại còn v = c/n.

Khung dây N vòng quay giữa hai cực nam châm, nối với nguồn qua cổ góp hai nửa vành khuyên và chổi quét. Thay đổi cường độ dòng điện, cảm ứng từ, số vòng dây, diện tích khung và tải để xem lực từ lên từng cạnh, momen M = NBIS·cosθ, tốc độ quay và vì sao cổ góp phải đổi chiều dòng điện mỗi nửa vòng. Có góc nhìn dọc trục, quy tắc bàn tay trái, đồ thị momen theo góc, tốc độ và dòng điện theo thời gian, chế độ nguồn hiệu điện thế với suất phản điện, so sánh với hai vành khuyên liền của máy phát điện xoay chiều, và bảng ghi số đo.

Dựng ống dây (số vòng, chiều dài, bán kính, lõi sắt) để có L = μ₀μN²S/l, rồi đóng ngắt mạch RL: dòng điện tăng giảm theo hàm mũ với τ = L/R, suất điện động tự cảm e = −L·di/dt, năng lượng ½Li²; đèn sáng chậm khi đóng và loé sáng khi ngắt. Thêm màn dòng tam giác (đo L từ u_L = L·di/dt), màn hỗ cảm có và không có lõi sắt, và màn so sánh điện trở một chiều với tổng trở xoay chiều của cuộn dây.