Tự cảm

Hiện tượng tự cảm xuất hiện trong một mạch kín có dòng điện xoay chiều chạy qua, hoặc trong một mạch điện một chiều khi ta đóng mạch hoặc ngắt mạch.

Thí nghiệm

Trong thí nghiệm Faraday, dòng điện cảm ứng xuất hiện là do sự biến đổi từ thông gửi qua diện tích của mạch gây ra. Từ thông đó do từ trường bên ngoài tạo nên.

Bây giờ, nếu ta làm thay đổi cường độ dòng điện sẵn có trong mạch để từ thông do chính dòng điện đó sinh ra và gửi qua diện tích của mạch thay đổi, thì trong mạch cũng xuất hiện một dòng điện cảm ứng, phụ thêm vào dòng điện chính sẵn có của mạch. Dòng điện cảm ứng này gọi là dòng điện tự cảm. Hiện tượng đó được gọi là hiện tượng tự cảm.

Suất điện động tự cảm và hệ số tự cảm

Suất điện động tạo ra dòng điện tự cảm được gọi là suất điện động tự cảm. Theo định luật cơ bản của hiện tượng cảm ứng điện từ, biểu thức của suất điện động tự cảm là:

Trong đó suất điện động tự cảm {\displaystyle \phi _{m}\,} theo công thức:

Bình thường, mạch điện đứng yên và không thay đổi hình dạng, do đó:

Trong mạch điện đứng yên và không thay đổi hình dạng, suất điện động tự cảm luôn luôn tỉ lệ thuận, nhưng trái dấu với tốc độ biến thiên cường độ dòng điện trong mạch. Vì nó luôn có tác dụng chống lại sự biến đổi của cường độ dòng điện trong mạch là nguyên nhân đã sinh ra nó.

Hiệu ứng bề mặt

Hiện tượng tự cảm không chỉ xảy ra trong mạch điện mà còn diễn ra ngay trong một dây dẫn có dòng điện thay đổi chạy qua. Thực nghiệm cho thấy: khi dòng điện cao tần (dòng điện biến đổi với tần số cao) chạy qua dây dẫn, hiện tượng tự cảm làm cho dòng điện chủ yếu chỉ chạy ở lớp ngoài của dây. Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng ngoài da. Dưới đây là giải thích về hiện tượng này.

Giả sử dòng điện cao tần đi từ dưới lên trên (như hình minh họa). Dòng điện này tạo ra một từ trường trong dây dẫn, với các đường sức cảm ứng từ có hướng như trong hình (theo quy tắc vặn nút chai). Vì dòng điện biến đổi, từ trường cũng thay đổi theo. Nếu xét một tiết diện bất kỳ chứa trục đối xứng của dây, từ thông qua tiết diện đó cũng thay đổi. Do đó, trong các tiết diện này xuất hiện các dòng điện tự cảm khép kín như dòng điện ic trong hình.

Khi dòng điện cao tần tăng, các dòng điện tự cảm xuất hiện trong dây dẫn sẽ chống lại sự tăng của phần dòng điện cao tần chạy trong ruột dây, đồng thời tạo điều kiện cho sự tăng của phần dòng điện cao tần chạy ở bề mặt dây. Nói cách khác, dòng điện cao tần chủ yếu chỉ chạy ở lớp bề mặt của dây dẫn. Khi dòng điện cao tần giảm (như trong hình b), kết quả tương tự cũng được chứng minh.

Lý thuyết và thực nghiệm cho thấy: khi dòng điện cao tần có tần số từ 105 Hz trở lên, nó chỉ chạy ở lớp bề mặt ngoài dày 0,20mm của dây dẫn. Vì lý do này, người ta sử dụng dây dẫn rỗng để truyền dòng điện cao tần, giúp tiết kiệm kim loại.

Một ứng dụng quan trọng của hiệu ứng ngoài da là trong việc tôi kim loại ở lớp ngoài. Nhiều chi tiết máy như biên trục máy, bánh răng khía... cần lớp ngoài rất cứng, trong khi bên trong vẫn phải giữ được độ dẻo. Một phương pháp đơn giản và hiệu quả là sử dụng hiệu ứng ngoài da: cho dòng điện cao tần chạy qua chi tiết máy để nung nóng lớp ngoài đến nhiệt độ cần thiết, sau đó nhúng chi tiết vào chất lỏng để tôi. Kết quả là lớp ngoài rất cứng, trong khi bên trong vẫn dẻo.

Dòng điện tự cảm khi ngắt mạch

Khi mở cầu dao của một mạch điện có động cơ, thường thấy hồ quang điện xuất hiện giữa hai cực của cầu dao.

Nguyên nhân là do khi ngắt mạch, dòng điện giảm đột ngột về giá trị không, khiến các cuộn dây của máy điện tạo ra một dòng điện tự cảm lớn. Dòng điện này phóng qua không khí giữa hai cực cầu dao và có thể gây nguy hiểm cho hệ thống điện.

Để dập tắt hồ quang điện khi ngắt mạch, người ta thường đặt cầu dao trong dầu, hoặc sử dụng khí phụt mạnh, v.v., để khống chế hồ quang.

Liên kết ngoài