Cảm ứng điện từ

Cảm ứng điện từ có nghĩa là khi từ thông qua một vòng dây hoặc dây dẫn thay đổi thì sẽ tạo ra suất điện động cảm ứng. Nếu mạch kín, suất điện động đó có thể tạo ra dòng điện. Đây là ý tưởng cơ bản đằng sau máy phát điện, máy biến áp và nhiều thiết bị quen thuộc biến chuyển động hoặc từ trường biến thiên thành hiệu ứng điện.

Phát biểu định lượng quan trọng nhất là định luật Faraday:

$$\mathcal{E} = -N \frac{d\Phi_B}{dt}$$

Ở đây $\mathcal{E}$ là suất điện động cảm ứng, $N$ là số vòng dây, và $\Phi_B$ là từ thông qua một vòng. Dấu trừ xuất phát từ định luật Lenz: tác dụng cảm ứng luôn chống lại sự biến đổi đã tạo ra nó.

Cảm Ứng Điện Từ Chỉ Xảy Ra Khi Từ Thông Thay Đổi

Điều quan trọng không chỉ là có từ trường. Điều quan trọng là từ thông qua vòng dây có thay đổi hay không.

Với một vòng dây phẳng trong từ trường đều,

$$\Phi_B = BA \cos\theta$$

Vì vậy, từ thông có thể thay đổi theo ba cách thường gặp:

1. Độ lớn từ trường $B$ thay đổi.
2. Diện tích vòng dây $A$ thay đổi.
3. Góc $\theta$ thay đổi do vòng dây quay.

Nếu không có yếu tố nào trong số này thay đổi thì từ thông giữ nguyên và không có suất điện động cảm ứng.

Vì Sao Từ Thông Biến Thiên Tạo Ra Suất Điện Động Cảm Ứng

Một môi trường từ đang thay đổi sẽ tác dụng lên các điện tích trong dây dẫn và tạo ra suất điện động. Từ thông thay đổi càng nhanh thì suất điện động càng lớn. Từ thông thay đổi càng chậm thì suất điện động càng nhỏ.

Vì thế, khi đưa một nam châm đi nhanh qua cuộn dây thì hiệu ứng tạo ra mạnh hơn so với khi đưa chậm, nếu các yếu tố khác như nhau. Quy luật tương tự cũng xuất hiện khi bạn quay vòng dây nhanh hơn hoặc làm từ trường biến đổi nhanh hơn.

Ví Dụ Giải Sẵn: Một Cuộn Dây Trong Từ Trường Biến Thiên

Giả sử một cuộn dây có $N = 50$ vòng và diện tích $A = 0.020 \, \mathrm{m}^2$. Một từ trường đều luôn vuông góc với cuộn dây, nên $\cos\theta = 1$. Từ trường tăng từ $0.30 \, \mathrm{T}$ lên $0.80 \, \mathrm{T}$ trong $0.10 \, \mathrm{s}$.

Vì từ trường vuông góc, độ biến thiên từ thông trên mỗi vòng là

$$\Delta \Phi_B = A \Delta B = (0.020)(0.80 - 0.30) = 0.010 \, \mathrm{Wb}$$

Bây giờ dùng dạng độ lớn trung bình của định luật Faraday trong khoảng thời gian đó:

$$|\mathcal\{E\}| = N \frac\{|\Delta \Phi_B|\}\{\Delta t\}$$ $$|\mathcal\{E\}| = 50 \cdot \frac\{0.010\}\{0.10\} = 5.0 \, \mathrm\{V\}$$

Vậy độ lớn trung bình của suất điện động cảm ứng là $5.0 \, \mathrm{V}$. Nếu từ trường tăng đều trong khoảng thời gian này thì đây cũng là độ lớn suất điện động tức thời trong suốt quá trình biến đổi.

Nếu cuộn dây là một phần của mạch kín thì suất điện động đó có thể tạo ra dòng điện. Nếu mạch hở thì vẫn có suất điện động cảm ứng, nhưng sẽ không có dòng điện duy trì chạy quanh một vòng kín hoàn chỉnh.

Những Sai Lầm Thường Gặp Trong Cảm Ứng Điện Từ

• Nghĩ rằng cứ có từ trường là có cảm ứng. Từ trường không đổi qua một vòng dây đứng yên thì không gây ra cảm ứng.
• Quên rằng từ thông phụ thuộc vào góc cũng như độ lớn từ trường và diện tích.
• Xem dấu trừ trong định luật Faraday chỉ là một kết quả số âm. Nó cho biết tác dụng cảm ứng chống lại sự biến đổi.
• Cho rằng suất điện động và dòng điện là cùng một thứ. Dòng điện cảm ứng chỉ xuất hiện khi có đường dẫn điện kín.

Cảm Ứng Điện Từ Được Ứng Dụng Ở Đâu

Cảm ứng điện từ được dùng bất cứ khi nào từ thông biến thiên được biến thành hiệu điện thế hoặc dòng điện. Những ví dụ phổ biến gồm máy phát điện, máy biến áp, bếp từ và hệ thống sạc không dây.

Nó cũng cho bạn một cách thực tế để liên hệ chuyển động, từ trường và mạch điện. Khi cảm ứng tạo ra suất điện động, bạn có thể phân tích phần còn lại của mạch bằng các khái niệm như điện trở, dòng điện và công suất.

Thử Một Bài Tương Tự

Giữ nguyên cuộn dây đó, nhưng để từ trường thay đổi trong $0.20 \, \mathrm{s}$ thay vì $0.10 \, \mathrm{s}$. Độ biến thiên từ thông vẫn như cũ, nên độ lớn trung bình của suất điện động cảm ứng giảm còn một nửa. Hãy tự thử một phiên bản khác với vòng dây quay hoặc số vòng khác, và kiểm tra xem phần nào của từ thông đang thay đổi trước khi dùng công thức.