Cảm ứng điện từ là gì? Hiện tượng cảm ứng điện từ là gì?

1. Cảm ứng điện từ, hiện tượng cảm ứng điện từ là gì?

Hiện tượng cảm ứng điện từ là hiện tượng từ thông qua mạch kín biến thiên (tăng hoặc giảm) làm xuất hiện trong mạch dòng điện, dòng điện này gọi tên là dòng điện cảm ứng. Hiện tượng cảm ứng điện từ chỉ xảy ra trong khoảng thời gian từ thông qua mạch kín biến thiên. Cường độ dòng điện cảm ứng tỉ lệ thuận với tốc độ biến đổi của từ thông. Chiều của dòng điện cảm ứng sẽ phụ thuộc vào sự tăng hoặc giảm của từ thông gửi qua mạch kín.

Như vậy:

- Dòng điện cảm ứng là dòng điện xuất hiện khi có sự biến thiên của từ thông qua một mạch kín

- Hiện tượng cảm ứng điện từ là hiện tượng hình thành một suất điện động (hay còn gọi là điện áp) trên một vật dẫn khi vật dẫn đó được đặt trong từ trường biến thiên. 

Điều này đã được thực nghiệm của nhà hóa học và vật lý học người Anh chứng minh: Từ trường có thể sinh ra dòng điện, dòng điện này được sinh ra khi cho từ thông đi qua một mạch kín thay đổi thì trong mạch và dòng điện này được gọi là dòng điện cảm ứng, hiện tượng xuất hiện dòng điện đó gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ.

Vậy hiểu thế nào là từ trường; từ thông; đường sức từ

Từ trường là môi trường vật chất đặc biệt. Nó được sinh ra xung quanh các điện tích đang chuyển động hoặc nó có thể sinh ra do sự biến thiên liên tục của điện trường. Để nhận biết được từ trường có tồn tại hay không thì dùng kim nam châm để xác định, kim nam châm ở trạng thái cân bằng theo hướng N-B.

Từ thông là tổng số đường sức từ đi quanh một bề mặt kín. Từ thông đặc trưng cho lượng từ trường đi qua một diện tích, diện tích càng lớn thì từ trường qua đó càng nhiều.

Từ thông có kí hiệu là Φ, đây là chữ cái được bắt nguồn từ các kí tự của tiếng Hy Lạp. Thông thường sẽ là Φ hay ΦB.

Công thức tính từ thông: Φ = B.S.Cos(α)

Đường sức từ là các đường cong kín hoặc thẳng dài vô tận không cắt nhau trong không gian xung quanh nam châm và dòng điện. Đường sức từ là đường biểu diễn mật độ của từ trường, đường sức từ càng dày độ lớn của từ trường càng lớn và ngược lại.

Hiện tượng cảm ứng điện từ 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, giải đoạn sử dụng năng lượng điện.

2. Ứng dụng hiện tượng cảm ứng điện từ.

Các thiết bị gia dụng hay các thiết bị trong công nghiệp chính là minh chứng về cảm ứng điện từ hay hiện tượng cảm ứng điện từ. Ví dụ:

Bếp từ: Khác với loại bếp củi hay bếp ga, bếp từ làm chín đồ ăn bằng cảm ứng từ, chỉ cần đặt xoong, chảo lên bề mặt bếp từ thì nó sẽ tự nóng. Để xuất hiện được hiện tượng đó thì trong mỗi bếp từ sẽ thiết kế cuộn dây đồng đặt trong vật liệu cách nhiệt tiếp đó khi chúng ta cắm một dòng điện xoay chiều sẽ được truyền qua cuộn dây đồng này và sinh ra từ trường biến thiên. Từ trường này khi dao động tạo ra một từ thông liên tục từ hóa làm cho nóng xoong, chảo...đặt lên đó.

Đèn huỳnh quang: Đèn huỳnh quang là hệ thống chiếu sáng phổ biến. Cơ chế hoạt động của đèn huỳnh quang là chấn lưu được sử dụng dựa trên nguyên lý điện từ. Trong đèn huỳnh quang, chấn lưu được sử dụng dựa trên nguyên lý diedjnd từ. Tại thời điểm bạn bật đèn, nó đã tạo ra một điện áp cao trên 2 đầu đèn. Khi đó dòng điện đi qua đèn sẽ tạo thành ion giúp tác động lên bột huỳnh quang làm đèn tỏa sáng.

Quạt điện và các hệ thống làm mát khác sử dụng động cơ điện. Quạt điện là một trong những hệ thống làm mát dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ. Những động cơ này hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ. Trong bất kỳ thiết bị điện làm mát hay làm nóng nào, động cơ điện hoạt động bởi từ trường được tạo ra bởi dòng điện theo nguyên lý lực Lo-ren-xơ (Lorentz). Những động cơ này chỉ khác nhau về kích thước và chi phí dựa trên ứng dụng.

Ngoài ra, còn rất nhiều ứng dụng của hiện tượng cảm ứng điện từ trong thiết bị gia dụng như: lò nướng; máy xay;........

Hay một ví dụ nữa về cảm ứng điện từ trong nghành công nghiệp như: Máy phát điện sử dụng năng lượng điện cơ học. Trong máy phát điện sẽ bố trị cuộn dây, cuộn dây đặt và quay trong từ trường với tốc độ không đổi và tạo ra dòng điện xoay chiều.

 Máy phát điện

Ngoài ra còn một số thiết bị trị ung thư, cấy ghép, chụp cộng hưởng được sử dụng trong y học, tàu điện từ;...

3. Một số định luật về cảm ứng điện từ.

Định luật cơ bản về cảm ứng điện từ: Khi có sự biến đổi từ thông qua mặt giới hạn bởi mạch điện kín thì trong mạch điện kín sẽ xuất hiện Suất điện động, như vậy suất điện động cảm ứng sinh ra do 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 quan điện tích của mạch điện"

Công thức tính suất điện động cảm ứng: 

Trong đó, để hiểu được công thức tính Suất điện động cảm ứng, chúng ta sẽ  dịch chuyển một vòng dây dẫn kín (C) trong từ trường để từ thông gửi qua vòng dây thay đổi. 

Định luật Lenz: Định luật này được đặt theo tên của nhà vật lý học Heinrich Lenz, người phát minh ra định luật này năm 1834. Định luật Lenz được định nghĩa 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 có chiều sao cho từ trường do nó sinh ra có tác dụng chống lại nguyên nhân sinh ra nó."

Từ thông cảm ứng sẽ ngược chiều với từ trường ngoài. Nếu từ thông qua mạch giảm, từ trường cảm ứng do dòng điện cảm ứng sinh ra nó sẽ có tác dụng chống lại sự giảm của từ thông, lúc đó từ trường cảm ứng sẽ cùng chiều với từ trường ngoài. 

Điều 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. Nếu từ thông qua mạch giảm, từ trường cảm ứng (do dòng điện cảm ứng sinh ra nó) có tác dụng chống lại sự giảm của từ thông, lúc đó từ trường cảm ứng sẽ cùng chiều với từ trường ngoài.

Để xác định được chiều của  dòng điện cảm ứng ta sẽ đưa Cực Bắc của thanh nam châm di chuyển vào trong lòng ống dây làm cho từ thông gửi qua ống dây tăng lên như hình bên dưới. 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  sinh ra có tác dụng làm giảm sự tăng của là nguyên nhân sinh ra nó. 

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. Bởi vậy, để dịch chuyển thanh nam châm, ta phải tốn công sưc và chính công thức đó sẽ  được chuyển hóa thành điện năng của dòng điện cảm ứng.

Định luật cảm ứng Faraday: đây là định luật cơ bản trong điện từ cho biết từ trường tương tác với một mạch điện để tạo ra  suất điện động.

"Suất điện động cảm ứng là suất điện động sinh ra dòng điện cảm ứng trong mạch kín, nó tỉ lệ với độ biến thiên từ thông qua mạch và tỉ lệ nghịch với khoảng thời gian của sự biến thiên ấy"

Hình ảnh nhà vật lý học Heinrich Lenz

Định luật cảm ứng Faraday cho biết mối quan hệ giữa biến thiên từ thông trong diện tích mặt cắt của một vòng kín và điện trường cảm ứng dọc theo vòng đó.

Công thức tính: 

Với dA là một phần của diện tích bề mặt di chuyển của cuộn dây  , B là từ trường, B.dA là tích vô hướng.

Dạng tích phân:  

Trong đó E là điện trường cảm ứng, ds là một phần tư vô cùng bé của vòng kín và dΦB/dt là biến thiên từ thông.

Định luật cảm ứng Faraday dựa trên các thí nghiệm của Michael Farádaday vào năm 1831.

Định luật ban đầu được phát biểu là:" Một lực điện động được sinh ra bởi cảm ứng khi từ trường quanh vật dẫn điện thay đổi suất điện động cảm ứng tỷ lệ thuận với độ thay đổi của từ thông qua vòng mạch điện"

Hình ảnh miêu tả của thí nghiệm Faraday

Đến Faraday, định luật này được thể hiện qua một thực nghiệm của ông như sau: Ông lấy một cuộn dây và mắc nối tiếp với một điện kế để tạo thành một mạch kín. Phía trên ống dây, ông đặt một nam châm 2 cực Nam – Bắc. Sau đó ông đã làm thí nghiệm và nhận thấy sự thay đổi như bên dưới.

- Nếu rút thanh nam châm ra, dòng điện cảm ứng sẽ đổi chiều

- Nếu di chuyển thanh nam châm càng nhanh, cường độ dòng điện cảm ứng càng lớn

- Nếu giữ thanh nam châm đứng yên, dòng điện cảm ứng bằng không

- Nếu thay thế nam châm bằng một cuộn dây có dòng điện đi qua và làm các bước thí nghiệm như
 

Từ những thí nghiệm trên, Faraday đã rút ra những kết luận rằng:

- 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 biến đổi

- Cường độ dòng điện cảm ứng tỷ lệ thuận với tốc độ biến đổi của từ thông

- Chiều của dòng điện cảm ứng phụ thuộc vào sự tăng hay giảm của từ thông gửi qua mạch.

Có thể thấy nhờ thí nghiệm này của Michael Faraday chúng ta có thể kiểm chứng và hiểu được mối quan hệ giữa từ trường và điện trường. Các đồ vật hàng ngày như bếp từ, quạt, lò nướng điện đều được tạo ra nhờ định luật Faraday Ngay cả những công nghệ tiên tiến phát triển ngày nay mà chúng ta có đều dựa trên định luật Faraday. Để có thể tạo ra động cơ điện một chiều, kiến ​​thức chủ yếu dựa vào việc sử dụng một đĩa đồng quay trên các đầu của một nam châm. Nhờ chuyển động quay này, một dòng điện một chiều có thể được tạo ra.

4. Câu hỏi thường gặp về cảm ứng điện từ

4.1 Cách nhận biết sự xuất hiện dòng điện cảm ứng?

 Để biết dòng điện cảm ứng xuất hiện hay không, ta có thể dùng những cách sau: 

- Sử dụng Ampe kế để nhận biết.

- Sử dụng nam châm thử để nhận biết.

- Sử dụng bóng đèn để nhận biết.

4.2 Từ thông được tính bằng công thức nào?

Từ thông được tính qua công thức: Φ = B.S.Cos(α)

Trong đó:

Φ là từ thông (Wb)

B là từ trường (T)

S là điện tích bề mặt (mét vuông)

α là góc giữa 2 véc tơ B và n ( véc tơ n là véc tơ pháp tuyến của mặt phẳng S)

Trên đây là bài viết của Luật Hòa Nhựt về Cảm ứng điện từ và hiện tượng cảm ứng điện từ. Hy vọng bài viết đã cung cấp cho Bạn những thông tin hữu ích nhất về vấn đề trên.

Mọi thắc mắc quý khách hàng xin vui lòng gửi về số Hotline 1900.868644 hoặc địa chỉ email [email protected] để được giải đáp. Trân trọng!