Từ thông cảm ứng điện từ | Ứng dụng của từ thông cảm ứng điện từ

Từ thông cảm ứng điện từ là một hiện tượng vật lý được Michael Faraday tìm ra. Từ đó đưa thế giới bước sang một nền văn minh mới, nền văn minh sử dụng điện. Là một cuộc cách mạng trong nền công nghiệp sản xuất và dân dụng.

Từ thông là gì

Từ thông được định nghĩa là số lượng đường sức từ đi qua một bề mặt kín nhất định. Là phép đo tổng từ trường đi qua một diện tích bề mặt. Ở đây, khu vực đang xem xét có thể có kích thước bất kỳ và theo bất kỳ hướng nào liên quan đến hướng của từ trường.

Ký hiệu từ thông

Ký hiệu của từ thông được bắt nguồn từ ký tự của tiếng Hy Lạp. Chúng có ký hiệu là: ϕ hoặc ϕB.

Công thức tính từ thông

Từ thông được xác định qua công thức:

ϕ=B.S.cos(α)

Trong đó:

• ϕ: Từ thông (Wb)
• B: Từ trường (T)
• S: Diện tích mặt (m2)
• α: Góc giữa vectơ B và vectơ n (vectơ n là vectơ pháp tuyến của mặt phẳng S)

Trong tiếng Anh, từ thông được gọi là: Magnetic Flux

Đây là một thuật ngữ chuyên ngành kỹ thuật điện. Nếu có dịp tìm hiểu các tài liệu tiếng Anh về chủ đề từ trường, từ thông, hiện tượng cảm ứng điện từ, hay các định luật Faraday, thì các bạn sẽ bắt gặp từ này trong nội dung của các chủ đề đó.

Từ thông thường được đo bằng đơn vị riêng của chúng. Đơn vị theo SI và CGS của từ thông được đưa ra dưới đây:

• Đơn vị theo tiêu chuẩn SI của từ thông là Weber (Wb).
• Đơn vị cơ bản là Vôn-giây.
• Đơn vị theo CGS là Maxwell.

Ý nghĩa của từ thông

Từ định nghĩa ở trên, chúng ta cũng biết được ý nghĩa của từ thông rằng: Từ thông qua diện tích S bằng số đường sức từ qua diện tích S được đặt vuông góc với đường sức.

Từ thông qua một mạch điện phụ thuộc vào?

Để hiểu được từ thông qua một mạch điện phụ thuộc vào điều gì? Chúng ta hãy xét trường hợp từ thông trong một tiết diện S giới hạn trong một vòng dây C.

• Từ thông được biết là đại lượng đặc trưng cho lượng từ trường qua diện tích S. Vậy diện tích S càng lớn thì từ trường đi qua nó sẽ càng nhiều. Điều này chứng tỏ rằng từ thông tỉ lệ thuận với diện tích S.
• Cảm ứng từ là đại lượng đặc trưng cho độ mạnh hay yếu của từ trường. Mà từ thông lại là đại lượng đặc trưng cho lượng từ trường. Chứng tỏ rằng từ thông tỉ lệ thuận với cảm ứng từ.
• Trong thí nghiệm, người ta nhận thấy rằng, khi vectơ B song song với mặt phẳng S thì không có đường cảm ứng từ nào đi qua. Nhưng khi vectơ B vuông góc với S thì các đường cảm ứng từ lại đi qua S nhiều nhất. Điều này nói lên rằng từ thông sinh ra còn phụ thuộc vào góc giữa vectơ B và vectơ n (vectơ pháp tuyến của mặt phẳng S). Vậy từ thông cũng tỉ lệ với góc α.

Từ thông thay đổi khi nào?

Để biết được từ thông thay đổi khi nào, chúng ta cùng xem xét một vài ví dụ như: từ thông trong ống dây, từ thông qua khung dây…

Chúng ta xét một diện tích S được giới hạn trong một đường cong kín C. Theo như định nghĩa từ thông ở trên thì chúng ta sẽ có những trường hợp sau đây:

• Khi mà chúng ta di chuyển cuộn dây, khung dây đi về phía nam châm thì lượng từ trường đi qua vòng dây sẽ tăng lên. Điều này chứng tỏ từ thông trong mạch đang thay đổi theo xu hướng tăng. Và hiện tượng này cũng sinh dòng điện trong mạch.
• Khi chúng ta di chuyển cuộn dây, khung dây ra xa nam châm, thì chúng ta nhận thấy lượng điện trường yếu đi, có nghĩa lượng điện trường đang giảm dần. Từ thông trong mạch cũng thay đổi giảm dần. Nhưng dòng điện vẫn tồn tại trong mạch.

Vậy dễ thấy rằng, từ thông trong mạch thay đổi hay biến thiên khi mà lượng từ trường thay đổi. Đây cũng là nguyên lý của hiện tượng cảm ứng điện từ.

Thế nào là hiện tượng từ thông cảm ứng điện từ?

Hiện tượng cảm ứng điện từ là hiện tượng từ thông qua mạch kín biến thiên (tăng hay giảm). Khi đó trong mạch điện sẽ xuất hiện dòng điện. Dòng điện này được gọi là dòng điện cảm ứng. Hiện tượng cảm ứng điện từ chỉ xuất hiện trong khoảng thời gian từ thông qua mạch kín có biến thiên.

Từ những thành tựu của nhà vật lý Michael Faraday khi phát hiện ra hiện tượng cảm ứng điện từ. Góp phần đưa nhân loại sang một giai đoạn phát triển mới, giai đoạn sử dụng điện trong sinh hoạt và sản xuất.

Để hiểu rõ hơn những gì chúng ta vừa thảo luận, tìm hiểu ở trên. Tiếp theo chúng ta sẽ phân tích một vài thí nghiệm của nhà Vật lý Faraday nhé!

Thí nghiệm Faraday về từ thông cảm ứng điện từ

Thí nghiệm mô tả rằng: Lấy một cuộn dây và mắc nối tiếp nó với một điện kế G thành một mạch kín (hình a). Phía trên ống dây đặt một thanh nam châm 2 cực Bắc-Nam. Thí nghiệm cho thấy:

• Khi chúng ta di chuyển thanh nam châm chầm chậm ra xa cuộn dây, thì dòng điện cảm ứng sinh ra  sẽ có chiều ngược lại (hình b)
• Nếu chúng ta di chuyển thanh nam châm càng nhanh, thì cường độ dòng điện cảm ứng Ic sinh ra càng lớn.
• Nhưng khi thanh nam châm được giữ đứng yên so với ống dây, thì  trong cuộn dây không thấy dòng điện cảm ứng, dòng điện cảm ứng lúc này bằng không.
• Nếu thay thanh nam châm vĩnh cửu trên bằng một ống dây có dòng điện chạy qua (tức nam châm điện), rồi tiến hành các bước thí nghiệm như trên, chúng ta cũng thu được kết quả tương tự.

Thông qua các thí nghiệm liên quan, Faraday đã đưa ra những kết luận của ông như sau:

• 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 có biến đổi.
• Cường độ của dòng điện cảm ứng tỉ lệ thuận với tốc độ biến đổi của từ thông qua cuộn dây.
• Chiều của dòng điện cảm ứng phụ thuộc vào sự tăng hay giảm của từ thông gửi qua mạch.

Vậy chiều của dòng điện do từ thông cảm ứng điện từ sinh ra được xác định bằng cách nào?

Ðịnh luật Lenz

Hai nhà vật lý Michael Faraday, Heinrich Lenz cũng nghiên cứu hiện tượng cảm ứng điện từ và đã tìm ra một cách xác định chiều của dòng điện cảm ứng, được gọi là định luật Lenz.

Nội dung định luật được phát biểu 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 ϕ  là dòng điện cảm ứng, có thể biểu diễn toán học như sau

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.
• Khi từ thông qua mạch giảm, từ trường cảm ứng sinh ra có tác dụng chống lại sự giảm của từ thông, lúc đó từ trường cảm ứng sẽ cùng chiều với từ trường ngoài.

Vận dụng vào thí nghiệm từ thông cảm ứng điện từ

Để kiểm chứng, chúng ta hãy vận dụng định luật này để xác định chiều của dòng điện cảm ứng trong thí nghiệm ở trên nhé. Với hình a, khi cực bắc của thanh nam châm di chuyển vào trong lòng cuộn dây sẽ làm cho từ thông gửi qua cuộn 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 từ thông là nguyên nhân sinh ra nó. Muốn vậy dòng điện cảm ứng phải có chiều như trên hình vẽ.

Ngược lại nếu dịch chuyển cực bắc của thanh nam châm ra xa ống dây như hình b, 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.

Ứng dụng của hiện tượng từ thông cảm ứng điện từ

Tạo ra dòng điện xoay chiều

Một ứng dụng quan trọng của hiện tượng cảm ứng điện từ là tạo ra dòng điện xoay chiều. Thực chất của quá trình này là biến đổi cơ năng thành điện năng.

Xét một khung dây dẫn gồm nhiều vòng quay trong một từ trường đều với vận tốc góc không đổi. Ta sẽ phải tốn một công để làm quay khung và nhận được điện năng của dòng điện cảm ứng chạy trong khung đó. Để dẫn được dòng điện ra ngoài, ta nối 2 đầu dây của khung với 2 hình trụ dẫn cách điện với nhau và cùng gắn với trục quay khung, sau đó dùng 2 chổi than tì vào 2 hình trụ đó để nối khung dây với mạch tiêu thụ ngoài.

Biến đổi dòng điện xoay chiều

Một ứng dụng quan trọng khác của cảm ứng điện từ là máy biến điện. Máy biến áp là một thiết bị thay đổi năng lượng điện xoay chiều ở một cấp điện áp sang cấp khác thông qua hoạt động của từ trường. Một máy biến áp giảm áp là trong đó điện áp trong sơ cấp cao hơn điện áp thứ cấp. Ngược lại là máy tăng áp. Các công ty điện lực sử dụng một máy tăng áp để tăng điện áp lên 100 kV, giúp giảm dòng điện và giảm thiểu tổn thất điện năng trong các đường dây truyền tải. Mặt khác, các mạch điện gia dụng sử dụng các máy giảm áp để giảm điện áp xuống hoặc 220V để sử dụng các thiết bị điện trong nhà.

Bếp điện từ

Bếp điện từ là cách nấu nhanh nhất. Nó cũng hoạt động trên nguyên tắc cảm ứng lẫn nhau. Khi dòng điện chạy qua cuộn dây đồng được đặt bên trong mặt bếp, nó sẽ tạo ra một từ trường thay đổi. Từ trường xen kẽ hoặc thay đổi này tạo ra một emf và do đó dòng điện trong vật chứa dẫn điện, và chúng ta biết rằng dòng điện luôn tạo ra nhiệt trong nó.

Các loại cảm biến đo lưu lượng

Máy đo lưu lượng điện từ hay cảm biến đo lưu lượng được sử dụng để đo vận tốc của một số chất lỏng. Khi một từ trường được đặt vào một đường ống cách điện, trong đó chất lỏng đang chảy, thì theo định luật Faraday, một lực điện động được tạo ra trong nó. Suất điện động cảm ứng này tỷ lệ thuận với tốc độ của chất lỏng chảy.

Bài viết tuy không trình bày hết những kiến thức chuyên sâu về các định luật của Faraday. Vẫn còn thiếu rất nhiều kiến thức liên quan. Nhưng chúng ta cũng đã hiểu được cơ bản về từ thông cảm ứng điện từ là gì? Và các cách sinh ra chúng, ứng dụng của chúng trong sản xuất công nghiệp cũng như các thiết bị xung quanh chúng ta.

Rất mong nhận được những đóng góp, và những chia sẻ bài viết của các bạn!