Hiện tượng cảm ứng điện từ là một khía cạnh của vật lý thường xuất hiện trong chương trình học phổ thông. Nó nảy sinh khi có sự biến đổi của từ thông đi qua một mặt giới hạn của một mạch kín. Bài viết dưới đây sẽ chi tiết phân tích về cảm ứng điện từ và các khía cạnh của hiện tượng này.
Hiện tượng cảm ứng điện từ là gì?
Hiện tượng cảm ứng điện từ là sự xuất hiện của một sức điện động, hay điện áp, trên một vật dẫn khi vật này được đặt trong một trường từ biến thiên. Năm 1831, Michael Faraday đã chứng minh thông qua thực nghiệm rằng trường từ có khả năng tạo ra dòng điện.
Điều này được minh họa rõ khi một dây dẫn được đặt trong trường từ thay đổi, tạo ra một dòng điện trong mạch. Hiện tượng này được biết đến với tên gọi là dòng điện cảm ứng. Hiện nay, định luật cảm ứng điện từ này đã được ứng dụng phổ biến trong đời sống con người như: các động cơ điện, máy biến áp, máy phát điện và nhiều thiết bị khác.
Cảm ứng điện từ là gì?
Nguyên lý cảm ứng điện từ
Nguyên tắc hoạt động của hiện tượng cảm ứng điện từ là sự xuất hiện của các suất điện động biến thiên. Chúng được tạo ra thông qua hiện tượng cảm ứng điện qua sợi dây quấn khi tiếp xúc với bề mặt lõi thép được kết hợp với nam châm. Trong quá trình này, hướng của suất điện động luôn ngược chiều với tốc độ biến thiên của các dòng từ thông.
Công thức cảm ứng điện từ
Định luật cảm ứng Faraday mô tả quan hệ giữa biến thiên của từ thông ΦB trong diện tích mặt cắt của một vòng kín và điện trường cảm ứng theo chiều dọc vòng đó. Biểu thức được tính bằng công thức:
ΦB = ∬Σ(t)B(r,t)⋅dA
Trong đó:
- dA: một phần diện tích của bề mặt di chuyển của cuộn dây Σ(t)
- B: từ trường (hay “mật độ từ thông”)
- B⋅dA: tích vô hướng
Theo cách trực quan hơn, lượng từ thông qua vòng dây tỷ lệ thuận với số lượng đường sức từ đi qua.
Dạng tích phân của định luật cảm ứng Faraday là:
∮sE⋅dl= – dΦB /dt
Trong đó:
- E: điện trường cảm ứng
- Ds: 1 phần tử vô cùng bé của vòng kín
- dΦB: biến thiên của từ thông.
Phương trình Maxwell–Faraday
Dạng vi phân tính theo từ trường B, được biểu diễn bằng:
∇ x E = – ∂B/∂t
Trong trường hợp cuộn cảm có N: vòng cuốn, công thức trở thành:
V = – N (ΔΦ/Δt)
Trong đó:
- V: lực điện động cảm ứng và
- ΔΦ/Δt: biến thiên của từ thông Φ trong khoảng thời gian Δt
Chiều của lực điện động (dấu trừ trong các biểu thức trên) đồng hóa với định luật Lenz.
>>> Xem thêm: Hiện nay, dòng đồng hồ đo nước điện từ Woteck, Hansung cũng đang ứng dụng cảm ứng điện từ để tiến hành đo lưu lượng đi qua chính xác,
Một số định luật về cảm ứng điện từ
Thí nghiệm Faraday
Dựa vào định luật faraday về cảm ứng điện từ, chúng ta có kết quả của thí nghiệm được mô tả như sau: Bắt đầu bằng việc kết nối một cuộn dây vào một điện kế G để tạo thành một mạch kín (hình a). Trên ống dây, đặt một thanh nam châm với hai cực Bắc-Nam. Đã cho thấy:
- Khi rút thanh nam châm ra, dòng điện cảm ứng xuất hiện với chiều ngược lại (hình b).
- Khi di chuyển thanh nam châm càng nhanh, cường độ của dòng điện cảm ứng (Lc) càng gia tăng.
- Nếu giữ thanh nam châm ổn định so với ống dây, dòng điện cảm ứng = 0.
- Nếu thay thế thanh nam châm bằng một ống dây có dòng điện chạy qua và thực hiện các thí nghiệm tương tự, ta sẽ thu được các kết quả tương tự.
Từ thí nghiệm trên, Faraday đã rút ra kết luận như sau:
- Dòng điện cảm ứng trong mạch biến đổi theo thời gian là kết quả của sự thay đổi của từ thông khi được truyền qua mạch kín.
- Dòng điện cảm ứng chỉ xuất hiện trong khoảng thời gian khi từ thông chuyển động qua mạch kín biến đổi.
- Độ lớn của dòng điện cảm ứng tăng và giảm tỷ lệ thuận với tốc độ biến đổi của từ thông.
- Hướng dòng điện cảm ứng phụ thuộc vào sự thay đổi (tăng hoặc giảm) của từ thông khi đi qua mạch (ta sẽ nhận thấy rằng, từ thông ở hai đầu nam châm luôn lớn hơn so với vị trí giữa của nam châm).
Thí nghiệm Faraday
Định luật Lenz
Ngoài Michael Faraday, Heinrich Lenz cũng đã nghiên cứu về hiện tượng cảm ứng điện từ. Qua đó, tìm ra định luật tổng quát để xác định chiều của dòng điện cảm ứng. Sau này chúng được gọi là định luật Lenz. Cụ thể về định luật như sau:
Dòng điện cảm ứng có chiều sinh ra mà từ trường do nó tạo nên sẽ chống lại nguyên nhân sinh ra nó.
Nếu Φ là Dòng điện cảm ứng, ta có thể mô tả nó theo công thức toán học sau:
Φ = −B = −LI
Điều này có ý nghĩa rằng khi từ thông đi qua mạch và tăng lên, từ trường cảm ứng phát sinh sẽ tạo ra một lực chống lại sự tăng của từ thông (tức là từ trường cảm ứng sẽ ngược chiều với từ trường bên ngoài). Khi từ thông giảm, từ trường cảm ứng (do dòng điện cảm ứng tạo ra) có tác dụng chống lại sự giảm của từ thông. Qua đó, khiến từ trường cảm ứng và từ trường bên ngoài cùng chiều.
Áp dụng định luật Lenz vào trường hợp cụ thể trên hình a, khi Cực Bắc của thanh nam châm di chuyển vào trong ống dây, từ thông (gửi qua ống dây) tăng lên. Định luật Lenz cho biết rằng dòng điện cảm ứng phải tạo ra từ trường ngược chiều với từ trường của thanh nam châm để giảm sự tăng của từ thông (Fc). Vì vậy, chiều của dòng điện cảm ứng phải như hình vẽ.
Dựa trên lý luận, nếu di chuyển cực Bắc của thanh nam châm ra xa ống dây, dòng điện cảm ứng trong mạch sẽ có chiều ngược với trường hợp trên (Hình 15.1b).
Do đó, theo định luật Lenz, dòng điện cảm ứng luôn tạo ra một lực chống lại sự di chuyển của thanh nam châm. Điều này đồng nghĩa với việc để di chuyển thanh nam châm, công sức phải nhiều, và công suất này chuyển đổi thành điện năng của dòng điện cảm ứng.
Định luật cơ bản của hiện tượng cảm ứng điện từ
“Suất điện động cảm ứng luôn có giá trị tuyệt đối nhưng trái dấu với tốc độ biến thiên của từ thông khi được truyền qua diện tích của mạch điện.”
Từ thông đi qua vòng dây đỏ thay đổi khi di chuyển chúng trong từ trường
Suất điện động cảm ứng xuất phát từ hiện tượng cảm ứng điện từ. Để tìm biểu thức cho suất điện động cảm ứng, chúng ta hãy di chuyển một vòng dây dẫn đóng (C) qua một từ trường để làm thay đổi từ thông (như được minh họa trong hình). Trong trường hợp này, công của lực từ tác động lên dòng điện cảm ứng có giá trị như sau:
dA = Ic⋅dΦm
Theo định luật Lenz, công của từ lực tác động lên dòng điện cảm ứng là công ngược chiều có giá trị:
dA’ = −Ic⋅dΦm
Công dA’ này đã được chuyển đổi thành năng lượng của dòng cảm ứng có giá trị:
દc⋅Ic⋅dt = −Ic⋅dΦm
Từ đó, chúng ta suy ra biểu thức cho suất điện động:
દc = − dΦm/dt
Đây chính là biểu thức cho suất điện động cảm ứng mà chúng ta đang cố gắng tìm.
Ứng dụng của hiện tượng cảm ứng điện từ
Hiện tượng cảm ứng điện từ được ứng dụng rất nhiều trong các ngành công nghiệp lẫn đời sống hiện nay. Cụ thể là:
Trong dân dụng
Quạt điện sử dụng cảm ứng điện từ để điều khiển tốc độ quay của động cơ. Khi người dùng điều chỉnh tốc độ quạt, cảm ứng điện từ sẽ điều chỉnh điện áp đưa vào động cơ để thay đổi tốc độ quay theo yêu cầu.
Trong bếp từ, cảm ứng điện từ được tích hợp để tạo ra nhiệt từ các cuộn dây dẫn điện. Khi đặt nồi hoặc chảo lên bếp từ, cuộn dây tạo ra một trường từ điện để sản xuất nhiệt. Hiện tượng này giúp chỉ tạo nhiệt ở vị trí có nồi hoặc chảo, giảm lãng phí năng lượng.
Trong đèn huỳnh quang, cảm ứng điện từ được sử dụng để tạo ra trường từ điện kích hoạt khí hiếm trong ống đèn. Khi đưa điện áp vào cảm ứng điện từ, trường từ điện tạo ra điện áp cao trong ống đèn, kích hoạt khí hiếm và tạo ra ánh sáng. Cảm ứng điện từ giúp đèn huỳnh quang hoạt động hiệu quả và tiết kiệm năng lượng so với các loại đèn khác.
Trong công nghiệp
Trong lĩnh vực công nghiệp, hiện tượng cảm ứng điện từ thường được áp dụng để sản xuất các thiết bị đa dạng:
Đồng hồ nước điện từ
Đây cũng là một trong những thiết bị được ứng dụng hiện tượng cảm ứng điện từ để đo lưu lượng nước đi qua đồng hồ chính xác. Đồng hồ đo nước điện tử sử dụng các cảm biến điện từ được lắp trong thân đồng hồ.
Đồng hồ đo nước điện từ Hansung – Woteck chính hãng
Việc sử dụng thiết bị đo lưu lượng này vừa gia tăng độ chính xác, vừa hạn chế tối đa thất thoát môi chất ra ngoài. Đồng thời, chúng cũng không bị hạn chế bởi rác thải, cặn bẩn như dòng đồng hồ nước truyền thống. Sản phẩm này cũng được lắp đa dạng trong nhiều hệ thống đường ống khác nhau.
Máy phát điện
Máy phát điện sử dụng nguyên tắc của cảm ứng điện từ để chuyển đổi năng lượng cơ thành năng lượng điện. Cụ thể, máy phát điện tích hợp một cảm biến để đo lượng khí thải từ động cơ và sử dụng nó để kiểm soát cặp cảm ứng điện từ.
Cảm ứng điện từ trong máy phát điện
Khi động cơ quay, cảm ứng điện từ tạo ra một dòng điện xoay chiều trong dây dẫn. Từ đó tạo ra điện năng. Máy phát điện được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống điện lưới, cung cấp nguồn điện cho nhà máy, tòa nhà, hộ gia đình, và thiết bị di động như máy phát điện dự phòng.
Tàu đệm từ
Tàu đệm từ cũng sử dụng cảm ứng điện từ để hoạt động. Trong tàu đệm từ, một đĩa kim loại xoay quanh một cặp nam châm vĩnh cửu. Khi đĩa quay, nó tạo ra một trường từ động cơ điện, tạo ra lực đẩy và nâng tàu lên khỏi mặt đất.
Cảm ứng điện từ sử dụng trong tàu đệm từ
Tàu đệm từ được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống vận chuyển công nghiệp và nghiên cứu. Vì nó có thể di chuyển nhanh chóng và tiết kiệm năng lượng so với các phương tiện vận chuyển truyền thống.
Y học
Hiện tượng cảm ứng điện từ được áp dụng rộng rãi trong y học, đặc biệt là trong các phương pháp hình ảnh học như MRI (Magnetic Resonance Imaging) và ECG (Electrocardiography).
Cảm ứng điện từ trong y học
- MRI: Sử dụng một từ trường mạnh để tạo ra hình ảnh cắt lớp của cơ quan bên trong cơ thể. Khi bệnh nhân được đặt trong máy MRI, một dòng điện chạy qua các cuộn dây để tạo ra từ trường. Thay đổi của từ trường này kích hoạt các proton trong phân tử nước, tạo ra tín hiệu điện từ được sử dụng để tạo hình ảnh.
- ECG: Là phương pháp đo điện tim, ECG sử dụng thiết bị đo điện trên ngực bệnh nhân để đo các tín hiệu điện từ tim khi nó hạch nhịp. Tín hiệu này sau đó được chuyển đổi thành đồ thị ECG, mô tả hoạt động điện của tim.
Câu hỏi thường gặp về cảm ứng điện từ
Cách nhận biết dòng điện cảm ứng xuất hiện
Để nhận biết dòng điện cảm ứng có xuất hiện hay không, các bạn có thể sử dụng những cách sau để thử:
- Dùng ampe kế
- Dùng nam châm
- Dùng bóng đèn
Cách tính từ thông
Công thức tính từ thông: Φ = B.S.Cos(α)
Trong đó:
- Φ : Từ thông
- B: Từ trường
- S: Diện tích bề mặt
- Α: góc giữa vector B và n
Tóm lại, cảm ứng điện từ đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực, từ công nghiệp đến y học. Hiểu rõ về nguyên lý hoạt động và ứng dụng của hiện tượng này giúp chúng ta tận dụng năng lượng và thiết bị điện tử một cách hiệu quả.
