Hiện tượng cảm ứng điện từ
Tìm hiểu về hiện tượng cảm ứng điện từ
Hiện tượng cảm ứng điện từ (electromagnetic induction) là một hiện tượng vật lý, nói về việc dòng điện được tạo ra trong một vật có khả năng dẫn điện, khi có sự thay đổi về từ trường truyền qua vật dẫn đó, theo thời gian.
Vào thời điểm đầu, người ta đã thực hiện nhiều thí nghiệm liên quan, nhằm hiểu rõ hơn về hiện tượng trên, nổi bật là thí nghiệm cho một thanh nam châm chuyển lại gần và ra xa một cuộn dây dẫn điện, bao gồm nhiều vòng, với một thiết bị đo điện áp được đặt vào hai đầu của cuộn dây, ta đo được có sự chênh lệch về điện áp, mỗi khi di chuyển thanh nam châm, trong khi vôn kế không đo được sự chênh lệch về điện áp nào, khi mà nam châm không chuyển động.
Hiện tượng này sau đó được làm rõ bởi nhà khoa học bởi nhà vật lý người Anh Michael Faraday vào năm 1831. Khi cho từ thông đi qua một mạch kín thay đổi, trong mạch sẽ xuất hiện một dòng điện.
Trong cuộc sống, hiện tượng cảm ứng điện từ được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện như máy phát điện, máy biến áp, máy phát sóng radio, và các thiết bị điện khác.
Một số đại lượng liên quan đến hiện tượng cảm ứng điện từ
Hiện tượng cảm ứng điện ứng từ, thể hiện sự phát sinh dòng điện, bên trong vật liệu có khả năng dẫn điện khi có sự thay đổi về từ trường, theo thời gian. Một số đại lượng liên quan đến hiện tượng này bao gồm.
Từ thông (Magnetic Flux)
Từ thông là một đại lượng vật lý thể hiện mức độ từ trường, xuyên qua một diện tích bề mặt nào đó là nhiều hay ít.
Từ thông được ký hiệu bằng chữ cái Φ (phi) và có đơn vị là weber (Wb).
1 Wb = 1 T.m²
Từ thông được xác định bởi công thức:
Φ=N.B.S.cosα
Trong đó:
- Φ là từ thông.
- N là số vòng dây.
- B là cảm ứng từ.
- S là diện tích của một vòng dây (đơn vị là m²).
- α là góc được tạo bởi vectơ pháp tuyến n và B.
Sức điện động cảm ứng (Electromotive Force)
Sức điện động cảm ứng là sức điện động đo được giữa hai đầu cuộn dây, khi có từ thông biến thiên theo thời gian.
Sức điện động được ký hiệu là EMF và có đơn vị là V.
Công thức tính EMF (Lực điện động tự động) cảm ứng điện từ trong một cuộn dây dẫn khi có sự thay đổi của dòng từ trường (magnetic flux) qua cuộn dây theo thời gian được mô tả bởi Định luật của Faraday. Công thức này được biểu thị như sau:
ε= − dΦ/dt
Trong đó:
- ε là EMF (Lực điện động) tính bằng đơn vị volt (V).
- dΦ/dt là mức độ biến thiên của từ thông qua cuộn dây theo thời gian, được đo bằng weber mỗi giây (Wb/s).
- Φ là dòng từ trường (magnetic flux) qua cuộn dây, được đo bằng weber (Wb).
Dòng điện cảm ứng
Dòng điện cảm ứng là dòng điện được sinh ra bên trong cuộn dây, do hiện tượng cảm ứng điện từ.
Dòng điện cảm ứng xuất hiện trên cuộn dây điện từ, được xác định dựa trên công thức sau:
I = ε/R
Trong đó:
- I là dòng điện cảm ứng điện từ, được đo bằng đơn vị ampe (A).
- ε là EMF (Lực điện động tự động) cảm ứng điện từ, được đo bằng volt (V).
- R là trở kháng của dây dẫn, được đo bằng ohm (Ω).
Các định luật liên quan đến hiện tượng cảm ứng điện từ
Định luật cảm ứng điện từ của Faraday
Định luật Faraday liên quan đến hiện tượng cảm ứng điện từ, mô tả mối quan hệ giữa sự thay đổi của từ thông qua một mạch kín và suất điện động cảm ứng được tạo ra trong mạch đó.
Nội dung của định luật được phát biểu như sau: Suất điện động cảm ứng tỉ lệ thuận với độ biến thiên của từ thông xuyên qua mạch kín, tỉ lệ nghịch với khoảng thời gian diễn ra sự biến thiên ấy.
Công thức của định luật cảm ứng Faraday có thể được viết như sau:
ε=−N.(dΦ/dt)
Trong đó:
- ε là lực điện động (EMF) đơn vị (V).
- N là số vòng trong cuộn dây.
- Φ là từ thông xuyên qua cuộn dây (Wb).
- t là thời gian (s).
Định luật lenz xác định chiều của dòng điện cảm ứng điện từ
Định luật Lenz về hiện tượng cảm ứng điện từ, được nghiên cứu bởi nhà vật ly người Đức Heinrich Lenz, người đã phát hiện ra định luật này vào năm 1834. Theo định luật Lenz,
Dòng điện cảm ứng tạo ra các trường từ, có xu hướng chống lại sự thay đổi từ trường là nguyên nhân sinh ra nó.
Công thức của định luật Lenz được biểu diễn bởi dấu âm trong định luật cảm ứng Faraday:
ϵ = – ΔΦ/Δt
Trong đó:
- ϵ là cảm ứng điện từ.
- ΔΦ là biến thiên từ thông (có dấu âm đằng trước để xác định chiều của dòng điện cảm ứng).
- Δt là khoảng thời gian,
- Dấu trừ (-) biểu thị cho chiều ngược lại với chiều từ trường thay đổi, là phát sinh dòng điện cảm ứng điện từ.
Dựa trên định luật Lenz, chúng ta có quy tắc nắm tay phải để xác định chiều của đường đường sức từ tạo ra xung quanh một đây dẫn điện. Dòng điện di chuyển theo hướng chỉ của ngón tay cái, sẽ sinh ra vùng từ trường có chiều theo các đầu ngón tay, được nắm thành vòng tròn.
Ứng dụng của hiện tượng cảm ứng điện từ
Việc phát hiện và nghiên cứu ra những định luật liên quan đến hiện tượng cảm ứng điện từ, là tiền đề quan trọng cho sự phát triển của khoa học kỹ thuật, ở thời điểm hiện tại.
Một số thiết bị hoạt động nhờ vào hiện tượng cảm ứng điện từ có thể kể đến như:
- Máy phát điện: Máy phát điện là thiết bị áp dụng một cách chính xác, hiện tượng cảm ứng điện từ. Bằng cách cho các cuộn dây chuyển động bên trong một vùng từ trường, được tạo ra bởi nam châm. Chuyển động của các cuộn dây dẫn đến, sự biến thiên của từ thông xuyên qua cuộn dây theo thời gian, từ đó để tạo ra dòng điện cảm ứng.
- Máy biến áp: Máy biến áp là thiết bị hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, với hai cuộn dây đặt cạnh nhau, một cuộn sơ cấp (là cuộn dây cấp điện) và cuộn dây thứ cấp (cuộn dây này sẽ tạo ra dòng điện, thông qua sự biến thiên từ trường tạo ra bởi cuộn sơ cấp).
- Thiết bị đo lường: Đồng hồ đo lưu lượng dạng điện từ, thiết bị đo lưu lượng hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Thiết bị này được sử dụng để đo lưu lượng dòng chảy, của những loại chất lưu có khả năng dẫn điện. Trên thân của đồng hồ đo lưu lượng điện từ, được bố trí hai cuộn dây, chúng sẽ tạo ra từ trường bên trong thân của đồng hồ, khí chất lỏng cần đo chảy qua thân đồng hồ, dẫn đến sự biến đổi về từ thông. Sự biến thiên từ thông theo thời gian, làm xuất hiện một sức điện động bên trong dòng chảy, giá trị sức điện động tỉ lệ thuận với tốc độ dòng chảy.
