Hiện tượng cảm ứng điện từ

Hiện tượng cảm ứng điện từ là gì?

Từ thông là gì?

Từ thông (được ký hiệu Φ) là tổng số đường sức từ đi qua một bề mặt kín. Từ thông khi đi qua một diện tích S bằng số đường sức từ đi qua diện tích S được đặt vuông góc với các đường sức từ. Từ thông có công thức tính như sau:

Φ = B.S.Cos(α)

Trong đó:

• Φ là từ thông, có đơn vị là Wb
• B là từ trường (T)
• S là điện tích bề mặt (m2)
• α là góc giữa 2 vectơ B và n ( n là vectơ pháp tuyến của mặt phẳng S)

Hiện tượng cảm ứng điện từ là gì?

Hiện tượng cảm ứng điện từ là hiện tượng xảy ra khi từ thông qua mạch kín biến thiên ( tăng hoặc giảm) từ đó sinh ra dòng điện. Dòng điện này có tên gọi là dòng điện cảm ứng.

Các định luật của cảm ứng điện từ

Định luật cơ bản

Nội dung định luật: Hiện tượng cảm ứng điện từ sinh ra suất điện động cảm ứng. Suất điện động cảm ứng luôn có giá trị bằng về trị số, nhưng trái dấu với tốc độ biến thiên của từ thông đi qua diện tích của mạch điện.

Định luật Faraday

Định luật cảm ứng Faraday được nhà vật lý học người Anh Michael Faraday khám phá ra vào năm 1981. Đây là một định luật cơ bản trong điện từ.

Nội dung định luật:

Định luật Faraday là định luật cơ bản trong điện từ, nó cho biết từ trường tương tác với một mạch điện để tạo ra sức điện động (EMF) - hiện tượng cảm ứng điện từ. Đây là nguyên lý hoạt động căn bản của các loại động cơ điện, máy biến áp, nam châm điện cuộn cảm và máy phát điện.

Thí nghiệm: Năm 1981, Michael Faraday thực hiện một thí nghiệm như sau: lấy một cuộn dây và mắc nối tiếp nó với một điện kế G thành một mạch kín. Phía trên ống dây đặt một thanh nam châm có 2 cực Bắc và Nam.

Kết luận:

• 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 thiên
• Cường độ dòng điện cảm ứng và tốc độ biến đổi của từ thông có tỉ lệ thuận với nhau
• Sự tăng hoặc giảm của từ thông sẽ ảnh hưởng đến chiều của dòng điện cảm ứng

Định luật Lenz

Nội dung định luật: Chiều của dòng điện cảm ứng trong dây dẫn sinh ra bởi sự biến thiên của từ trường luôn tuân theo định luật Faraday sẽ tạo ra một từ trường chống lại sự biến thiên của từ thông đã sinh ra nó. Định luật Lenz được thể hiện bởi dấu âm trong định luật 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

Ứng dụng hiện tượng cảm ứng điện từ trong thực tế

Trong y học

Ngày nay các thiết bị y tế hiện đại được nghiên cứu phát triển, đi vào hoạt động có sự góp mặt không nhỏ của trường điện. Đặc biệt là phương pháp điều trị tăng thân nhiệt cho các bệnh ung thư hay cấy ghép hoặc phương pháp chụp cộng hưởng từ (MRI).

Trong công nghiệp

Trong công nghiệp người ta cũng ứng dụng hiện tượng cảm ứng điện từ cho máy phát điện và tàu đệm từ.

Máy phát điện

Máy phát điện là một sản phẩm không thể thiếu trong khu công nghiệp để 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. Bản chất của nó chính là một cuộn dây trong từ trường. Nguyên lý hoạt động rất đơn giản, khi cuộn dây điện được quay trong từ trường với tốc độ không đổi sẽ tạo ra dòng điện xoay chiều. Ngoài ra, có thể sử dụng cảm ứng điện từ giữ cho cuộn dây đứng yên và quay nam châm vĩnh cửu xung quanh cuộn dây.

Tàu điện từ

Hiện tượng cảm ứng điện từ cũng được sử dụng vào hệ thống giao thông và được xem là một trong những công nghệ hiện đại. Cơ chế hoạt động của tàu đệm từ về bản chất là việc sử dụng nam châm điện mạnh để tăng tốc độ của tàu. Ngày nay, ta thấy ở Nhật Bản có rất nhiều đoàn tàu ứng dụng hiện tượng cảm ứng điện này.

Trong đời sống hàng ngày

Hiện tượng cảm ứng điện từ được áp dụng rộng rãi trong cuộc sống hàng ngày. Đặc biệt là trong các thiết bị gia dụng như quạt điện, bóng đèn, quạt điện,....

Quạt điện

Với các thiết bị điện sử dụng động cơ điện như quạt điện hay hệ thống làm mát nói chung đều có bản chất hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ. Với bất kỳ thiết bị điện nào, động cơ điện đều hoạt động do từ trường được tạo ra bởi dòng điện theo nguyên lý lực Len - xơ.

Bếp từ

Bếp từ được cấu tạo từ một cuộn dây đồng đặt dưới một vật liệu cách nhiệt (thường có mặt bếp bằng gốm hoặc thủy tinh), và một dòng điện xoay chiều sẽ đi qua cuộn dây đồng này. Sử dụng dòng điện cảm ứng trực tiếp để làm nóng dụng cụ nấu bếp. Khi đó, nhiệt độ có thể tăng lên rất nhanh để làm nóng nồi và thức ăn bên trong.

Đèn huỳnh quang

Hệ thống chiếu sáng sử dụng hiện tượng cảm ứng điện từ phổ biến là hệ thống chiếu sáng bằng đèn huỳnh quang. Cơ chế hoạt động của đèn huỳnh quang là chấn lưu được sử dụng dựa trên nguyên lý điện 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.

Một số dạng bài tập về hiện tượng cảm ứng điện từ

Dạng 1: Xác định chiều của dòng điện cảm ứng trong khung dây

Ví dụ: khi đặt một thanh nam châm thẳng ở gần một khung dây kín ABCD. Bạn hãy xác định chiều của dòng điện cảm ứng đã xuất hiện trong khung dây khi đưa nam châm lại gần khung dây.

Cách giải: Khi đưa nam châm lại gần khung dây, từ thông qua khung dây tăng, dòng điện cảm ứng sẽ xuất hiện trong khung dây tạo ra từ trường cảm ứng ngược chiều với từ trường bên ngoài (để chống lại sự tăng của từ thông qua khung dây) nên dòng điện cảm ứng chạy trên cạnh AB theo chiều từ B đến A. Ta xác định được chiều dòng điện cảm ứng dựa trên quy tắc nắm tay phải.

Dạng 2: Khi từ thông qua một khung dây kín

Ví dụ: Một khung dây hình vuông cạnh 5 cm đặt trong từ trường đều có cảm ứng từ B = 8.10-4 T. Từ thông đi qua hình vuông đó có giá trị bằng 10-6 Wb. Tính góc hợp giữa véc tơ cảm ứng từ và vectơ pháp tuyến của hình vuông đó.

Cách giải:

Ta áp dụng công thức:

Φ = BScosα

cos α = Φ/ BS = 10-6/[8.10-4.( 5. 10-2)2] = 1/2

=> α = 60°

Dạng 3: Suất điện động trong khung dây

Ví dụ: Một khung dây phẳng có diện tích 20 cm2, gồm 10 vòng được đặt trong từ trường đều. Véc tơ cảm ứng từ tạo thành với mặt phẳng khung dây một góc 30° và có độ lớn bằng 2.10-4 T. Người ta làm cho từ trường biến thiên giảm đều đến 0 trong thời gian 0,01s. Tính suất điện động cảm ứng xuất hiện trong khung dây trong thời gian biến thiên trên.

Cách giải:

Áp dụng công thức ta có:

ec = - ΔΦ/ Δt = - [(0 - NBScos α)/ Δt] = 2.10-4 (V)

Trên đây là các nội dung chính của hiện tượng cảm ứng điện từ. Hy vọng với phần lý thuyết và bài tập trên đã giúp bạn hiểu rõ được hiện tượng này.