Định luật Faraday — Cảm ứng điện từ & Định luật Lenz

Định luật Faraday phát biểu rằng khi từ thông qua một vòng dây thay đổi thì sẽ xuất hiện suất điện động cảm ứng. Chỉ riêng từ trường thôi là chưa đủ. Nếu từ thông qua vòng dây giữ nguyên, thì suất điện động cảm ứng bằng không.

Với một cuộn dây có $N$ vòng,

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

Ở đây $\mathcal{E}$ là suất điện động cảm ứng và $\Phi_B$ là từ thông qua một vòng dây. Dấu trừ xuất phát từ định luật Lenz: dòng điện cảm ứng có tác dụng chống lại sự biến thiên của từ thông.

Từ Thông Là Lượng Từ Trường Đi Qua Vòng Dây

Từ thông đo mức độ từ trường đi qua một vòng dây. Với một vòng dây phẳng đặt trong từ trường đều,

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

Ở đây $\theta$ là góc giữa từ trường và vectơ pháp tuyến diện tích của vòng dây, tức là vectơ vuông góc với bề mặt vòng dây. Công thức này giả sử từ trường là đều trên toàn bộ vòng dây và vòng dây có thể xem là phẳng.

Trong tình huống đó, từ thông có thể thay đổi theo ba cách quen thuộc:

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 đó thay đổi, thì từ thông không đổi và không có suất điện động cảm ứng.

Từ Thông Biến Thiên Càng Lớn Thì Suất Điện Động Càng Lớn

Định luật Faraday là một ý tưởng về tốc độ biến thiên. Nếu từ thông thay đổi nhiều hơn trong cùng một khoảng thời gian, thì suất điện động sẽ lớn hơn. Cùng một độ biến thiên đó nhưng diễn ra trong thời gian dài hơn thì suất điện động sẽ nhỏ hơn.

Đó là lý do vì sao khi đưa nam châm vào cuộn dây nhanh hơn thì thường tạo ra suất điện động cảm ứng lớn hơn so với khi đưa vào chậm. Cách bố trí có thể khác nhau, nhưng quy luật vẫn giống nhau: từ thông biến thiên càng nhanh, suất điện động càng lớn.

Định Luật Lenz Xác Định Chiều

Định luật Lenz cho biết chiều của hiệu ứng cảm ứng. Nó nói rằng dòng điện cảm ứng tạo ra tác dụng từ riêng của nó theo chiều chống lại sự biến thiên của từ thông.

Cách diễn đạt này rất quan trọng. Dòng điện không phải lúc nào cũng chống lại từ trường ban đầu. Nó chống lại sự biến thiên của từ thông. Nếu từ thông qua vòng dây đang tăng, thì dòng điện cảm ứng sẽ có xu hướng làm giảm sự tăng đó. Nếu từ thông đang giảm, thì dòng điện cảm ứng sẽ có xu hướng chống lại sự giảm đó.

Ví Dụ Giải Sẵn: Từ Trường Tăng Qua Một Cuộn Dây

Giả sử một cuộn dây có $N = 50$ vòng và diện tích $A = 0.020\ \mathrm{m^2}$. Một từ trường đều hướng vuông góc với bề mặt vòng dây, nên $\cos \theta = 1$. Từ trường tăng từ $0.10\ \mathrm{T}$ lên $0.40\ \mathrm{T}$ trong $0.20\ \mathrm{s}$.

Vì từ trường vuông góc với vòng dây, nên từ thông qua một vòng là $\Phi_B = BA$. Độ biến thiên từ thông trên mỗi vòng là

$$\Delta \Phi_B = A \Delta B = (0.020)(0.40 - 0.10) = 0.006\ \mathrm{Wb}$$

Độ lớn trung bình của suất điện động cảm ứng là

$$|\mathcal\{E\}| = N \frac\{|\Delta \Phi_B|\}\{\Delta t\}$$

Vậy

$$|\mathcal\{E\}| = 50 \cdot \frac\{0.006\}\{0.20\} = 1.5\ \mathrm\{V\}$$

Do đó suất điện động cảm ứng có độ lớn $1.5\ \mathrm{V}$.

Về chiều, hãy dùng định luật Lenz riêng. Vì từ thông đang tăng, nên dòng điện cảm ứng phải tạo ra một tác dụng từ chống lại sự tăng đó.

Những Lỗi Thường Gặp

Có Từ Trường Thì Chắc Chắn Phải Có Suất Điện Động

Một từ trường không đổi đi qua một vòng dây đứng yên không tạo ra suất điện động cảm ứng. Từ thông phải thay đổi.

Dùng $\Phi_B = BA$ Mà Không Kiểm Tra Góc

$\Phi_B = BA$ chỉ là trường hợp đặc biệt khi từ trường vuông góc với vòng dây, nên $\cos \theta = 1$. Nói chung, hãy dùng $\Phi_B = BA \cos \theta$ khi các điều kiện của công thức này được thỏa mãn.

Xem Dấu Trừ Chỉ Là Một Số Âm

Dấu trừ trong định luật Faraday chủ yếu liên quan đến chiều. Nếu bài toán chỉ hỏi độ lớn của suất điện động, hãy dùng giá trị tuyệt đối và xử lý chiều bằng định luật Lenz.

Quên Số Vòng Dây

Với một cuộn dây, suất điện động cảm ứng tỉ lệ với $N$. Bỏ sót hệ số này có thể làm kết quả nhỏ hơn rất nhiều.

Định Luật Faraday Được Ứng Dụng Ở Đâu

Định luật Faraday là nền tảng của máy phát điện, máy biến áp, bếp từ, pickup đàn guitar và nhiều loại cảm biến. Chi tiết có thể khác nhau, nhưng ý tưởng cốt lõi luôn giống nhau: từ thông biến thiên tạo ra suất điện động cảm ứng.

Nó cũng là một mối liên hệ rõ ràng giữa điện trường và mạch điện. Một tình huống từ trường biến đổi tạo ra suất điện động, và trong một mạch kín thì suất điện động đó có thể tạo ra dòng điện.

Thử Một Bài Tương Tự

Giữ nguyên cuộn dây như cũ, nhưng để từ trường thay đổi trong $0.40\ \mathrm{s}$ thay vì $0.20\ \mathrm{s}$. Độ biến thiên từ thông vẫn như cũ, nên suất điện động cảm ứng giảm còn một nửa.

Nếu muốn thử thêm một trường hợp nữa, hãy quay chính cuộn dây đó thay vì thay đổi $B$. Cách này kiểm tra cùng một định luật nhưng từ một góc nhìn khác.