Mến chào tất cả các bạn nhé, trong bài viết này thì mình và các bạn sẽ cùng nhau tìm hiểu về một chủ đề liên quan đến vật lý. Đó chính là hiện tượng “cảm ứng điện từ”, có lẽ các bạn thuộc chuyên ngành kỹ thuật đã quá quen thuộc với chủ đề này rồi đúng không nào ? Chúng ta đã được làm quen với chúng từ cấp 3 lận đấy ! Và nếu các bạn đang có nhu cầu tìm hiểu thêm về hiện tượng này thì bài viết này sẽ dành cho các bạn. Nội dung bài viết bao gồm Cảm ứng điện từ là gì ? Từ thông là gì ? Các công thức liên quan ? Các định luật cơ bản của cảm ứng điện từ ? Các ứng dụng thực tế của hiện tượng này cũng như các thông tin có liên quan khác. Thông qua bài viết thì các bạn sẽ có thêm kiến thức về chủ đề này nhằm phục vụ cho công việc và học tập nhé. Còn bây giờ thì chúng ta bắt đầu nào !
Từ thông:
Từ thông là gì ?
Từ thông được định nghĩa là số đường sức từ đi qua một bề mặt kín, chúng là một phép đo tổng từ trường đi qua một diện tích bề mặt. Với các khu vực đang xem xét có thể có kích thước bất kì và theo một hướng bất kì nào đó liên quan đến hướng của từ trường.
Kí hiệu của từ thông:
Từ thông có kí hiệu là Φ, đây là chữ cái được bắt nguồn từ các kí tự của tiếng Hy Lạp. Thông thường sẽ là Φ hay ΦB.
Đơn vị của từ thông:
Từ thông cũng là một đại lượng vật lý và chúng sẽ có một hay một vài đơn vị đo lường cho riêng mình. Xét theo SI hay CGS thì từ thông sẽ có các đơn vị như sau:
- Đơn vị chuẩn quốc tế (SI): Weber (Wb)
- Đơn vị nền tảng: Votl – giây
- Đơn vị theo CGS: Maxwell
Công thức tính từ thông:
Từ thông được xác định thông qua công thức như sau:
Φ = B.S.Cos(α)
Trong đó:
- Φ là từ thông (Wb)
- B là từ trường (T)
- S là điện tích bề mặt (mét vuông)
- α là góc giữa 2 véc tơ B và n ( véc tơ n là véc tơ pháp tuyến của mặt phẳng S)
Ý nghĩa của từ thông:
Từ thông sẽ có ý nghĩa như sau: “Từ thông đi qua một S bằng số đường sức từ đi qua diện tích S được đặt vuông góc với đường sức từ”
Cảm ứng điện từ là gì ?
Hiện tượng cảm ứng điện từ là hiện tượng hình thành một suất điện động (điện áp) trên một vật dẫn khi vật dẫn đó được đặt trong một từ trường biến thiên. Năm 1831, Michael Faraday đã chứng tỏ bằng thực nghiệm rằng từ trường có thể sinh ra dòng điện. Thực vậy, khi cho từ thông gửi qua một mạch kín thay đổi thì trong mạch xuất hiện một dòng điện. Dòng điện đó được gọi là dòng điện cảm ứng. Hiện tượng đó được gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ.
Các định luật liên quan đến cảm ứng điện từ:
Chúng ta sẽ có các định luật liên quan đến hiện tượng này bao gồm:
- Định luật cơ bản về cảm ứng điện từ: Khi có sự biến đổi từ thông qua mặt giới hạn bởi một mạch điện kín thì trong mạch xuất hiệu suất điện động cảm ứng.
- Định luật Lenz (Len-xơ): Dòng điện cảm ứng có chiều cao sao cho từ trường có tác dụng chống lại nguyên nhân đã sinh ra nó.
- Định luật Faraday: Suất điện động cảm ứng là suất điện động sinh ra dòng điện cảm ứng trong mạch kín,nó tỉ lệ với độ biến thiên từ thông qua mạch và tỉ lệ nghịch với khoảng thời gian của sự biến thiên ấy (tức là tỉ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông)
Thí nghiệm Faraday:
Thí nghiệm của Faraday được miêu tả như sau: ta lấy một cuộn dây và mắc nối tiếp nó với một điện kế G thành một mạch kín. Phía trên ống dây đặt một thanh nam châm 2 cực Bắc – Nam. Thí nghiệm cho thấy:
- Nếu rút thanh nam châm ra, dòng điện cảm ứng có chiều ngược lại
- Di chuyển thanh nam châm càng nhanh, cường độ dòng điện cảm ứng Ic càng lớn.
- Giữ thanh nam châm đứng yên so với ống dây, dòng điện cảm ứng sẽ bằng không.
- Nếu thay nam châm bằng một ống dây có dòng điện chạy qua, rồi tiến hành các thí nghiệm như trên, ta cũng có những kết quả tương tự.
Từ các thí nghiệm đó, Faraday đã rút ra những kết luận sau đây:
- Từ thông gửi qua mạch kín biến đổi theo thời gian là nguyên nhân sinh ra dòng điện cảm ứng trong mạch đó.
- Dòng điện cảm ứng chỉ tồn tại trong thời gian từ thông gửi qua mạch kín biến đổi.
- Cường độ dòng điện cảm ứng tỉ lệ thuận với tốc độ biến đổi của từ thông.
- Chiều của dòng điện cảm ứng phụ thuộc vào sự tăng hay giảm của từ thông gửi qua mạch (vì trên hình ta thấy từ thông ở hai đầu nam châm bao giờ cũng lớn hơn ở vị trí giữa của nam châm).
Ðịnh luật Lenz:
Ðồng thời với Michael Faraday, Heinrich Lenz cũng nghiên cứu hiện tượng cảm ứng điện từ và đã tìm ra định luật tổng quát giúp ta xác định chiều của dòng điện cảm ứng, gọi là định luật Lenz. Nội dung định luật như sau: “dòng điện cảm ứng phải có chiều sao cho từ trường do nó sinh ra có tác dụng chống lại nguyên nhân sinh ra nó“
Nếu là dòng điện cảm ứng, có thể biểu diễn toán học như sau:
Φ = – B = – L.I
Ðiều này có nghĩa là khi từ thông qua mạch tăng lên, từ trường cảm ứng sinh ra có tác dụng chống lại sự tăng của từ thông: từ trường cảm ứng sẽ ngược chiều với từ trường ngoài. Nếu từ thông qua mạch giảm, từ trường cảm ứng (do dòng điện cảm ứng sinh ra nó) có tác dụng chống lại sự giảm của từ thông, lúc đó từ trường cảm ứng sẽ cùng chiều với từ trường ngoài.
Dưới đây, ta hãy vận dụng định luật đó để xác định chiều của dòng điện cảm ứng trong trường hợp ở trên, Cực Bắc của thanh nam châm di chuyển vào trong lòng ống dây làm cho từ thông (gửi qua ống dây tăng lên. Theo định luật Lenz, dòng điện cảm ứng phải sinh ra từ trường ngược chiều với từ trường của thanh nam châm để từ thông Fc sinh ra có tác dụng làm giảm sự tăng của là nguyên nhân sinh ra nó. Muốn vậy dòng điện cảm ứng phải có chiều như trên hình vẽ.
Bằng lý luận ta nhận thấy nếu dịch chuyển cực Bắc của thanh nam châm ra xa ống dây, dòng điện cảm ứng xuất hiện trong mạch sẽ có chiều ngược với chiều của dòng điện cảm ứng trong trường hợp trên. Như vậy, theo định luật Lenz, dòng điện cảm ứng bao giờ cũng có tác dụng chống lại sự dịch chuyển của thanh nam châm. Do đó, để dịch chuyển thanh nam châm, ta phải tốn công. Chính công mà ta tốn được biến thành điện năng của dòng điện cảm ứng.
Ðịnh luật cơ bản của hiện tượng cảm ứng điện từ:
“Suất điện động cảm ứng luôn luôn bằng về trị số, nhưng trái dấu với tốc độ biến thiên của từ thông gửi qua diện tích của mạch điện.” Suất điện động cảm ứng là suất điện động sinh ra do hiện tượng cảm ứng điện từ.
Để tìm biểu thức của Suất điện động cảm ứng, ta dịch chuyển một vòng dây dẫn kín (C) trong từ trường để từ thông gửi qua vòng dây thay đổi . Khi đó công của lực từ tác dụng lên dòng điện cảm ứng có giá trị:
Theo định luật Lenx, công của từ lực tác dụng lên dòng điện cảm ứng là công cản có giá trị:
Công này được chuyển thành năng lượng của dòng cảm ứng có giá trị:
Từ đó ta suy ra:
Đó là biểu thức của suất điện động mà ta phải tìm.
Cách nhận biết sự xuất hiện dòng điện cảm ứng:
Chúng ta đã phần nào nắm được như thế nào gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ, vậy bạn có biết cách nhận biết sự xuất hiện dòng điện cảm ứng hay chưa ? Để biết dòng điện cảm ứng xuất hiện hay không, ta có thể dùng những cách sau:
- Ta sử dụng Ampe kế để nhận biết.
- Sử dụng nam châm thử để nhận biết.
- Hoặc có thể sử dụng bóng đèn để nhận biết.
Ứng dụng của hiện tượng cảm ứng điện từ:
Từ việc nắm được bản chất hiện tượng cảm ứng điện từ là gì ? Chúng ta cũng cần biết rõ một số ứng dụng của hiện tượng này. Đây được xem là hiện tượng quan trọng trong vật lý và trở nên rất hữu ích với nhiều ứng dụng trong cuộc sống. Hiện tượng này đã giúp tạo ra một cuộc cách mạng lớn trong lĩnh vực ứng dụng kỹ thuật. Bên cạnh đó, hiện tượng cảm ứng điện từ còn được ứng dụng trong các lĩnh vực khác như y tế, công nghiệp, không gian… nhằm phục vụ hữu ích vào cuộc sống của con người.
Hiện tượng cảm ứng điện tử thường được ứng dụng làm thiết bị gia dụng cũng như các ứng dụng trong công nghiệp. Điển hình như bếp từ, quạt điện, đèn huỳnh quang, lò vi sóng, máy xay, lò nướng, chuông cửa, loa,… Dưới đây là một số ứng dụng của hiện tượng cảm ứng điện từ vào cuộc sống.
Trong thiết bị gia dụng:
Điện từ có vai trò là nguyên tắc cơ bản đối với các thiết bị gia dụng như đèn, thiết bị nhà bếp, hệ thống điều hòa không khí,…
Quạt điện:
Các hệ thống làm mát nói chung hay quạt điện nói riêng đều sử dụng động cơ điện. Những động cơ này về bản chất hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ. Với bất kỳ thiết bị điện nào, động cơ điện đều hoạt động bởi từ trường được tạo ra bởi dòng điện theo nguyên lý lực Lorentz.
Bếp từ:
Thay vì dẫn nhiệt từ lửa như bếp ga hay sử dụng bộ phận làm nóng bằng điện, sản phẩm về bếp từ đã làm nóng nồi nấu bằng cảm ứng từ. Lúc này, dòng điện cảm ứng trực tiếp đã làm nóng dụng cụ nấu bếp. Khi đó, nhiệt độ có thể tăng lên rất nhanh. Với bếp từ, một cuộn dây đồng được đặt dưới một vật liệu cách nhiệt (thường là mặt bếp bằng gốm thủy tinh), và một dòng điện xoay chiều được truyền qua cuộn dây đồng này.
Từ trường dao động đã được tạo ra một từ thông liên tục từ hóa nồi. Khi đó, nồi đóng vai trò như lõi từ của máy biến áp. Chính điều này đã tạo ra dòng điện xoáy (còn gọi là dòng điện Fuco) lớn ở trong nồi. Sự hoạt động của dòng Fuco đã làm nồi nấu chịu tác dụng của lực hãm điện từ, và qua đó đã gây ra hiệu ứng tỏa nhiệt Jun – Lenxơ và làm nóng đáy nồi cũng như thức ăn bên trong nồi.
Đèn huỳnh quang:
Các hệ thống chiếu sáng sử dụng phổ biến là hệ thống chiếu sáng bằng đèn huỳnh quang. Trong đèn huỳnh quang, chấn lưu được sử dụng dựa trên nguyên lý điện từ. Và tại thời điểm bật đèn, nó đã tạo ra một điện áp cao trên 2 đầu đèn là phóng điện qua đèn. Dòng điện khi qua đèn sẽ tạo thành ion giúp tác động lên bột huỳnh quang làm đèn phát sáng.
Trong công nghiệp:
Không chỉ được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị điện dân dụng. Hiện tượng cảm ứng điện từ còn được con người sử dụng vào hoạt động sản xuất công nghiệp, thậm chí còn được sử dụng vào lĩnh vực y học để chữa bệnh cho con người. Dưới đây là một số ứng dụng cụ thể của hiện tượng này trong lĩnh vực công nghiệp
Máy phát điện:
Máy phát điện sử dụng năng lượng cơ học để tạo ra điện. “Trái tim” của máy phát điện bản chất chính là một cuộn dây trong từ trường. Nguyên lý hoạt động của máy phát điện đó chính là cuộn dây điện khi được quay trong từ trường với tốc độ không đổi sẽ tạo ra điện xoay chiều. Thay vì việc cần sử dụng một cuộn dây quay trong từ trường không đổi, có một cách khác để sử dụng cảm ứng điện từ đó chính là giữ cho cuộn dây đứng yên và quay nam châm vĩnh cữu (cung cấp từ trường và từ thông) xung quanh cuộn dây.
Tàu đệm từ:
Hệ thống giao thông sử dụng hiện tượng cảm ứng điện từ được xem là một trong những công nghệ hiện đại. Tàu đệm từ về bản chất là việc sử dụng nam châm điện mạnh để tăng tốc độ của tàu lên một mức đáng kinh ngạc. Hiện nay, ở Nhật Bản, nhiều đoàn tàu ứng dụng hiện tượng cảm ứng điện từ được xây dựng, tốc độ của những đoàn tàu này vô cùng lớn, một số đoàn tàu thậm chí có tốc độ hơn 500 km/h.
Tàu đệm từ sử dụng nguyên tắc cơ bản của nam châm, điển hình là hệ thống treo điện từ (EMS) và hệ thống treo động lực học (EDS). Trong EMS, nam châm điện được sử dụng trên thân tàu sẽ hút vào đường ray sắt. Những nam châm này sẽ bao quanh các đường ray dẫn hướng và lực hấp dẫn giữa các hướng dẫn và nam châm nâng tàu lên. Trong EDS, khi tàu được đẩy bởi lực đẩy trong các hướng dẫn dẫn điện bằng dòng điện cảm ứng.
Trong y học:
Có thể thấy, trường điện từ đóng một vai trò quan trọng trong các thiết bị y tế tiên tiến. Điển hình như phương pháp điều trị tăng thân nhiệt cho bệnh ung thư, cấy ghép hay chụp cộng hưởng từ (MRI).
