Thế nào là hiện tượng cảm ứng điện từ? | Vattuaz – Vật tư công nghiệp

Hiện tượng cảm ứng điện từ là một trong những nội dung quan trọng của chương trình Vật lý lớp 11. Vậy hiện tưởng cảm ứng điện từ là gì? Trong đời sống hiện tượng cảm ứng điện từ có những ứng dụng gì? Bài viết dưới đây sẽ giúp các em củng cố, nắm vững kiến thức trước khi bước vào kỳ thi sắp tới.

1. Hiện tượng cảm ứng điện từ là gì?

Khi có sự biến đổi từ thông qua một mặt giới hạn bởi một mạch kín thì trong mạch kín xuất hiện một dòng điện cảm ứng. Ví dụ mạch kín có thể là một khung dây kín có diện tích S.

Hiện tượng xuất hiện dòng điện cảm ứng trong một mạch kín khi có sự biến thiên từ thông qua mạch kín này được gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ.

Đây là một trong những hiện tượng vật lý quan trọng được phát hiện góp phần đưa nền văn minh nhân loại sang một giai đoạn mới. Đó là giai đoạn sử dụng năng lượng điện.

2. Các định luật liên quan đến cảm ứng điện từ

2.1 Thí nghiệm Faraday

Tóm tắt thí nghiệm: Ông lấy một cuộn dây và mắc nối tiếp nó với một điện kế G thành một mạch kín (như hình vẽ dưới đây). Sau đó phía trên ống dây ông đặt một thanh nam châm có 2 cực Bắc-Nam. Cuối cùng thu được kết quả như sau:

• Nếu rút thanh nam châm ra, dòng điện cảm ứng có chiều ngược lại (hình b)

• Khi 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 thí nghiệm trên rút ra được những kết luận sau đây:

• Từ thông khi đi qua mạch kín biến thiên theo thời gian là nguyên nhân chính 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.

• Sự tăng hoặc giảm của từ thông sẽ ảnh hưởng đến chiều của dòng điện cảm ứng . Từ thông ở hai đầu nam châm bao giờ cũng lớn hơn vị trí giữa của nam châm.

2.2 Định luật Lenz

Đồng thời với Michael Faraday, Heinrich Lenz cũng nghiên cứu hiện tượng cảm ứng điện từ. Và ông đã tìm ra định luật tổng quát giúp ta xác định chiều của dòng điện cảm ứng, gọi là định luật Lenz.

Định luật Lenz được phát biểu như sau: “Chiều của dòng điện cảm ứng trong dây dẫn sinh ra bởi sự biến thiên của từ trường tuân theo định luật cảm ứng Faraday sẽ tạo ra một từ trường chống lại sự biến thiên từ thông đã sinh ra nó.”

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.

Định luật Lenz được biểu diễn bởi dấu âm trong định luật cảm ứng Faraday. Ta có công thức:

                                                        e = – ΔΦ/ Δt

Trong đó:

• e: là cảm ứng điện từ

• ΔΦ: là biến thiên của từ thông

• Δt: khoảng thời gian từ trường giảm đều đến 0.

Mở rộng: Định luật Lenz phù hợp với định luật bảo toàn năng lượng. Định luật này được thể hiện qua dấu “-” trong các phương trình Maxwell.

2.3 Định luật cơ bản của hiện tượng cảm ứng điện từ

Ngoài hai thí nghiệm của Faraday và định luật của Lenz thì còn định luật cơ bản khác liên quan đến hiện tượng cảm ứng điện từ. Cụ thể định luật đó được phát biểu như sau:

“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 phải 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.

3. Ứng dụng của hiện tượng cảm ứng điện từ

Trong thực tế hiện tượng cảm ứng điện từ được ứng dụng rất nhiều trong đời sống hàng ngày lẫn trong công nghiệp hay cả y học cứu người.

3.1 Trong gia dụng

a) Quạt điện

Tất cả hệ thống làm mát nói chung, đặc biệt là quạt đều sử dụng động cơ điện. Về cơ bản, các động cơ này hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ. Động cơ điện cũng giống như các thiết bị điện khác, hoạt động nhờ từ trường do dòng điện sinh ra theo nguyên lý lực Lorentz.

b) Bếp từ

Khác với trước đây thay vì lấy nhiệt từ ngọn lửa như các loại bếp gas hay sử dụng bộ phận sinh nhiệt bằng điện. Các sản phẩm bếp từ sử dụng cảm ứng để làm nóng nồi. Quá trình gia nhiệt cảm ứng dòng điện sẽ trực tiếp làm nóng nồi bằng cảm ứng từ. Tại thời điểm này, nhiệt độ có thể tăng lên rất nhanh. Trong bếp từ sẽ cấu tạo từ một cuộn dây đồng được đặt dưới một vật liệu cách điện và có một dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn dây đồng.

Từ trường dao động tạo ra từ thông liên tục từ hóa nồi. Lúc này nồi sẽ đóng vai trò như một lõi từ của máy biến áp. Điều này tạo ra dòng điện xoáy lớn (còn gọi là dòng điện fuco) ở trong nồi. Dòng Fuco hoạt động khiến hãm điện từ của bếp từ sinh ra hiệu ứng nhiệt Jun-Lenxơ làm nóng đáy nồi và nguyên liệu trong nồi.

c) Đèn huỳnh quang

Các hệ thống chiếu sáng sử dụng rộng rãi ngày nay là hệ thống chiếu sáng bằng đèn huỳnh quang. Trong đèn huỳnh quang, chấn lưu được sử dụng dựa trên nguyên lý điện từ. Tại thời điểm bật đèn, nó đã tạo ra một điện áp cao trên 2 đầu đèn làm phóng điện qua đèn. Khi có dòng điện chạy qua đèn sẽ tạo thành ion giúp tác động lên bột huỳnh quang và làm đèn phát sáng. 

3.2 Trong công nghiệp

Một trong những ví dụ về hiện tượng cảm ứng từ không thể không kể đến trong công nghiệp là máy phát điện, tàu điện từ và van điện từ.

a) Máy phát điện

Máy phát điện là một thiết bị không thể thiếu trong khu công nghiệp. Nó có vai trò vô cùng quan trọng nhằm đảm bảo dây chuyền máy móc được hoạt động liên tục khi có sự cố mất điện. Máy sử dụng năng lượng cơ học để tạo ra điện. Nhưng bản chất thực sự của nó là một cuộn dây trong từ trường.

Khi dây điện được quay trong từ trường với tốc độ không đổi sẽ tạo ra dòng điện xoay chiều. Bên cạnh đó người ta còn sử dụng cảm ứng điện từ để giữ cho cuộn dây đứng yên. Hoặc làm nam châm vĩnh cửu quay xung quanh cuộn dây.

b) Tàu điện từ

Hiện tượng cảm ứng điện từ cũng đã được ứng dụng vào hệ thống giao thông. Về cơ bản, bản chất hoạt động của tàu điện từ là việc sử dụng nam châm điện mạnh để tăng tốc độ của tàu lên một mức đáng kinh ngạc. 

Ở Nhật Bản, nhiều đoàn tàu ứng dụng hiện tượng từ đã và đang được xây dựng cũng như sử dụng. Một số đoàn tàu thậm chí có tốc độ lên đến hơn 500km/h.

c) Van điện từ

Van điện từ là một thiết bị cơ điện. Nó dùng để kiểm soát dòng chảy chất khí hoặc lỏng dựa vào nguyên lý chặn đóng mở do lực tác động của cuộn dây điện từ. Van điện từ sẽ được sử dụng nhiều ở những nơi có lưu lượng chất lỏng phải được điều khiển tự động. Khi được cấp điện hoặc khử năng lượng van điện từ sẽ cho phép hoặc ngăn dòng chất lỏng. 

Van điện từ được dùng phổ biến trong các đơn vị làm lạnh và điều hoà không khí, xe cộ, các hệ thống thuỷ lực và khí nén. Đôi khi chúng ta cũng có thể dễ dang bắt gặp nó được sử dụng trong bơm nước sinh hoạt, máy giặt, hệ thống tưới cây, cấp thoát nước trong những nhà máy,…

3.3 Trong y học

Các thiết bị y tế hiện đại được nghiên cứu, phát triển và vận hành với sự có mặt vô cùng quan trọng của trường điện tử. Đặc biệt là trong điều trị tăng thân nhiệt trong ung thư, cấy ghép hoặc chụp cộng hưởng từ (MRI).

Trên đây là giải đáp của Vật Tư AZ về vấn đề: “Hiện tượng cảm ứng điện từ ”. Mong rằng bài viết này hữu ích với bạn! Nếu bạn còn khó khăn hay thắc mắc gì liên hệ ngay với chúng tôi qua Fanpage hoặc Website – Vật Tư AZ để được giải đáp, hỗ trợ MIỄN PHÍ, NHANH CHÓNG.