Sự xuất hiện của hiện tượng cảm ứng điện từ

Hiện tượng cảm ứng điện từ là sự hình thành một điện động (điện áp) trên một vật dẫn khi vật đó được đặt trong một trường từ biến thiên. Năm 1831, Michael Faraday đã chứng minh bằng thực nghiệm rằng trường từ có thể tạo ra dòng điện. Theo đó, khi một dây dẫn điện được di chuyển qua một mạch điện đóng, một dòng điện sẽ xuất hiện trong mạch. Dòng điện này được gọi là dòng điện cảm ứng.

Các quy luật về hiện tượng cảm ứng điện từ

Thí nghiệm của Faraday

Lấy một cuộn dây và kết nối nó với một điện kế G để tạo thành một mạch điện đóng (hình a). Đặt một thanh nam châm hai cực Bắc-Nam phía trên ống dây. Thí nghiệm cho thấy:

• Nếu rút thanh nam châm ra, dòng điện cảm ứng sẽ có chiều ngược lại (hình b)
• Di chuyển thanh nam châm càng nhanh, cường độ dòng điện cảm ứng Ic càng lớn.
• Nếu 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, và tiến hành các thí nghiệm như trên, ta sẽ thu được những kết quả tương tự.

Từ những thí nghiệm này, Faraday đã rút ra những kết luận sau đây:

• Dòng điện cảm ứng trong mạch được sinh ra do sự biến thiên thời gian của từ trường đi qua mạch đó.
• Dòng điện cảm ứng chỉ tồn tại trong khi có từ trường đi qua mạch biến đổi.
• Cường độ dòng điện cảm ứng tỉ lệ với tốc độ biến đổi của từ trường.
• Chiều của dòng điện cảm ứng phụ thuộc vào sự biến đổi tăng hay giảm của từ trường đi qua mạch (như ta thấy trên hình 15a và 15b, từ trường ở hai đầu nam châm luôn lớn hơn so với vị trí giữa).

Định luật Lenz

Cùng với Michael Faraday, Heinrich Lenz cũng nghiên cứu hiện tượng cảm ứng điện từ và đã phát hiện ra định luật tổng quát giúp xác định chiều của dòng điện cảm ứng, được gọi là định luật Lenz. Nội dung của định luật như sau

Dòng điện cảm ứng phải có chiều sao cho từ trường mà nó sinh ra có tác dụng ngăn chặn nguyên nhân tạo ra nó

Nếu $\mathrm{\Phi <!--\; \Phi \; -->}$ là dòng điện cảm ứng, có thể được biểu diễn toán học như sau:

$\mathrm{\Phi <!--\; \Phi \; -->}=-<!--\; -\; -->B=-<!--\; -\; -->LI$

Điều này có nghĩa là khi từ trường đi qua mạch tăng, từ trường cảm ứng sinh ra sẽ ngăn chặn sự tăng này: từ trường cảm ứng sẽ đối lập với từ trường bên ngoài. Nếu từ trường đi qua mạch giảm, từ trường cảm ứng (do dòng điện cảm ứng sinh ra) sẽ ngăn chặn sự giảm này, khi đó từ trường cảm ứng sẽ cùng chiều với từ trường bên ngoài.

Dưới đây, chúng ta sử dụng định luật đó để xác định chiều của dòng điện cảm ứng trong trường hợp đã nói (hình a), khi Cực Bắc của thanh nam châm di chuyển vào ống dây làm tăng từ trường (đi qua ống dây). Theo định luật Lenz, dòng điện cảm ứng phải sinh ra từ trường ngược chiều với từ trường của thanh nam châm để từ trường Fc sinh ra có tác dụng làm giảm sự tăng đó. Do đó, dòng điện cảm ứng phải có chiều như trong hình vẽ.

Với 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 dòng điện cảm ứng trong trường hợp đã nói (Hình 15.1b).

Theo định luật Lenz, dòng điện cảm ứng luôn chống lại sự dịch chuyển của thanh nam châm. Do đó, để dịch chuyển thanh nam châm, ta phải làm việc. Công việc này được chuyển thành điện năng của dòng điện cảm ứng.

Định luật cơ bản của hiện tượng cảm ứng điện từ

'Suất điện động cảm ứng luôn có giá trị, nhưng đối ngược với tốc độ biến thiên của từ thông đi qua diện tích mạch điện.'

Suất điện động cảm ứng là hiện tượng tạo ra suất điện động do hiện tượng cảm ứng điện từ.

Để tìm biểu thức của suất điện động cảm ứng, ta di chuyển một vòng dây dẫn kín (C) trong từ trường để dòng điện đi qua vòng dây thay đổi (hình). Khi đó công của lực từ tác dụng lên dòng điện cảm ứng có giá trị:

Theo định luật Lenz, công của lực từ tác dụng lên dòng điện cảm ứng là công cản có giá trị:

Công dA'\, này biến thành năng lượng của dòng cảm ứng có giá trị:

Do đó ta suy ra:

Đây là biểu thức cho điện động mà chúng ta cần tìm.

Ứng dụng của hiện tượng cảm ứng điện từ

Một ứng dụng quan trọng của hiện tượng cảm ứng điện từ là tạo ra dòng điện xoay chiều. Quá trình chuyển đổi từ năng lượng cơ thành điện năng là cơ bản của điều này.

Giả sử có một khung dây dẫn quay trong một trường từ đồng đều ($\stackrel{\to <!--\; \to \; -->}{B}=\stackrel{\to <!--\; \to \; -->}{const}$) với vận tốc góc không đổi ($\mathrm{\omega <!--\; \omega \; -->}=const$). Chúng ta cần tiêu tốn một lượng công để quay khung và thu nhận điện năng từ dòng điện cảm ứng chạy trong khung đó. Để dẫn dòng điện ra ngoài, chúng ta kết nối 2 đầu dây của khung với 2 hình trụ dẫn cách điện và gắn chúng với trục quay khung, sau đó sử dụng 2 chổi than để kết nối khung dây với mạch tiêu thụ bên ngoài.

Giả sử ban đầu ($t=0$) pháp tuyến $\stackrel{\to <!--\; \to \; -->}{n}$ của mặt khung tạo với $\stackrel{\to <!--\; \to \; -->}{B}$ một góc $a$. Sau thời gian $t$, góc này thay đổi thành $\mathrm{\phi <!--\; \phi \; -->}=\mathrm{\omega <!--\; \omega \; -->}t+a$. Khi đó, từ truyền qua khung là:

Ở đây $n$ là tổng số vòng dây của khung, $S$ là diện tích khung

Suất điện động cảm ứng xuất hiện trong khung theo định luật cơ bản của hiện tượng cảm ứng điện từ là:

Vậy khi đặt khung quay đều trong từ trường đều, ta thu được một suất điện động xoay chiều hình sin, có chu kì là chu kì quay của khung:

• Định luật cảm ứng Faraday