Tìm hiểu những kiến thức liên quan đến cảm ứng điện từ là gì?

Cảm ứng điện từ được xem là hiện tượng quan trọng trong vật lý. Hiện nay nó trở nên rất hữu ích với nhiều ứng dụng trong cuộc sống. Vậy cảm ứng điện từ là gì? Hiện tượng cảm ứng điện từ xảy ra khi nào? Theo dõi bài viết dưới đây để tìm hiểu thêm về cảm ứng điện từ là gì nhé!

Cảm ứng điện từ là gì?

Hiện tượng hình thành một suất điện động trên một vật dẫn khi mà vật dẫn đó được đặt ở trong một từ trường biến thiên được gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ. Vào năm 1831, Michael Faraday đã chứng minh được rằng từ trường có thể sinh ra dòng điện. Đúng như vậy, khi cho từ thông gửi qua một mạch kín thay đổi thì trong mạch sẽ xuất hiện một dòng điện. Dòng điện đó còn được gọi là dòng điện cảm ứng.

Từ thông

Khái niệm từ thông là gì?

Từ thông là số đường sức từ đi qua một bề mặt kín. Từ thông là một phép đo tổng từ trường đi qua một diện tích bề mặt. Với các khu vực đang xem xét có thể có những kích thước bất kì. Và theo một hướng bất kì nào đó có liên quan đến hướng của từ trường.

Kí hiệu của từ thông

Từ thông được kí hiệu là Φ. Đây là chữ cái được bắt nguồn từ các ký tự trong tiếng Hy Lạp. Thông thường sẽ là Φ hay có thể là ΦB.

Đơn vị của từ thông

Từ thông cũng được xem là một đại lượng vật lý. Và chúng sẽ có một hay một vài đơn vị đo lường nào đó cho riêng mình. Xét theo SI hay xét theo CGS thì từ thông sẽ có các đơn vị như:

• Đơn vị chuẩn quốc tế (SI): Weber (Wb)
• Đơn vị nền tảng: Volt – giây
• Đơn vị theo CGS: Maxwell

Công thức tính từ thông

Công thức tính từ thông là:

Φ = B.S.Cos(α)

Trong đó ta có:

• Φ là từ thông (Wb);
• B là từ trường (T);
• S là điện tích bề mặt (m2);
• α là góc giữa 2 véc tơ B và n ( vectơ n là vectơ pháp tuyến của mặt phẳng S).

Ý nghĩa của từ thông

Ý nghĩa của từ thông được phát biểu như sau: “Từ thông đi qua một S bằng số đường sức từ đi qua diện tích S được đặt vuông góc so với đường sức từ”.

Các định luật liên quan đến cảm ứng điện từ

• Định luật Lenz (Len-xơ): Dòng điện cảm ứng có chiều cao sao cho từ trường có tác dụng chống lại được nguyên nhân đã sinh ra nó.
• Định luật Faraday: Suất điện động sinh ra dòng điện cảm ứng trong mạch kín được gọi là suất điện động cảm ứng. Nó tỉ lệ với độ biến thiên của từ thông qua mạch. Còn sẽ tỉ lệ nghịch với khoảng thời gian của sự biến thiên ấy (có nghĩa là tỉ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông).

Thí nghiệm Faraday

Thí nghiệm của Faraday được mô tả như sau: Lấy một cuộn dây và mắc nối tiếp nó với 1 điện kế G thành một mạch kín. Phía trên ống dây đặt một thanh nam châm có 2 cực là Bắc – Nam. Thí nghiệm của Faraday cho thấy:

• Nếu rút thanh nam châm ra thì dòng điện cảm ứng có chiều ngược lại
• Di chuyển thanh nam châm càng nhanh thì cường độ dòng điện cảm ứng Ic sẽ càng lớn.
• Nếu giữ thanh nam châm đứng yên so với ống dây. Thì dòng điện cảm ứng sẽ =0.
• Nếu thay nam châm bằng một ống dây có các dòng điện chạy qua. Sau đó tiến hành các thí nghiệm như trên thì ta cũng có những kết quả tương tự.

Một số kết luận mà Faraday đã rút ra từ những thí nghiệm đó:

• Nguyên nhân chính sinh ra dòng điện cảm ứng trong mạch là do từ thông gửi qua mạch kín biến đổi theo thời gian.
• Dòng điện cảm ứng chỉ tồn tại ở trong thời gian từ thông gửi qua mạch kín biến đổi.
• Cường độ dòng điện cảm ứng có tỉ lệ thuận với tốc độ biến đổi của từ thông.
• Chiều của dòng điện cảm ứng phụ thuộc nhiều vào sự tăng hay giảm của từ thông gửi qua mạch.

Ðịnh luật Lenz

Ðịnh luật Lenz

Ðồng thời với Michael Faraday thì Heinrich Lenz cũng đã nghiên cứu hiện tượng cảm ứng điện từ. Và ông đã tìm ra định luật tổng quát giúp chúng ta xác định được chiều của dòng điện cảm ứng. 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 những nguyên nhân sinh ra nó”.

Nếu Φ là dòng điện cảm ứng thì có thể biểu diễn toán học như sau:

Φ = – B = – L.I

Khi từ thông qua mạch tăng lên, từ trường cảm ứng sinh ra sẽ có tác dụng chống lại sự tăng của từ thông. Và từ trường cảm ứng sẽ ngược chiều với từ trường bên ngoài. Nếu từ thông qua mạch giảm thì từ trường cảm ứng sẽ có tác dụng là chống lại sự giảm của từ thông. Lúc này thì từ trường cảm ứng sẽ cùng chiều với từ trường ngoài.

Vận dụng định luật Lenz

Dưới đây, ta hãy vận dụng định luật Lenz đó để xác định chiều của dòng điện cảm ứng ở trong trường hợp ở trên. Hãy di chuyển cực Bắc của thanh nam châm vào trong lòng ống dây làm cho từ thông tăng lên. Theo định luật Lenz thì dòng điện cảm ứng phải sinh ra từ trường ngược chiều so với từ trường của thanh nam châm để từ thông Fc sinh ra có tác dụng chính là làm giảm sự tăng của nguyên nhân sinh ra nó. Muốn như vậy thì dòng điện cảm ứng phải có chiều như trên hình vẽ.

Bằng lý luận ta nhận thấy được rằng, nếu dịch chuyển cực Bắc của thanh nam châm ra xa ống dây thì dòng điện cảm ứng xuất hiện trong mạch sẽ có chiều ngược so với chiều của dòng điện cảm ứng ở trong trường hợp trên. Như vậy, theo định luật Lenz thì có thể thấy rằng dòng điện cảm ứng bao giờ cũng có tác dụng chống lại được sự dịch chuyển của thanh nam châm. Do đó, để có thể dịch chuyển được thanh nam châm, ta phải tốn công. Chính công mà ta tốn sẽ 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 được sinh ra do hiện tượng cảm ứng điện từ.

Để tìm biểu thức của suất điện động cảm ứng thì ta dịch chuyển một vòng dây dẫn kín (C) trong từ trường để cho từ thông gửi qua vòng dây thay đổi . Khi đó công của lực từ tác dụng lên dòng điện cảm ứng sẽ có giá trị là:

Đó là biểu thức của suất điện động mà chúng ta phải tìm.

Hiện tượng cảm ứng điện từ xảy ra khi nào?

Từ khái niệm hiện tượng cảm ứng điện từ là gì? Cũng có nhiều người băn khoăn về hiện tượng cảm ứng điện từ sẽ xảy ra khi nào? Theo định luật thì hiện tượng cảm ứng điện từ chỉ xảy ra trong một khoảng thời gian mà từ thông qua mạch kín biến thiên.

Cách nhận biết sự xuất hiện dòng điện cảm ứng

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

• Sử dụng Ampe kế;
• Sử dụng nam châm thử;
• Sử dụng bóng đèn để nhận biết.

Ứng dụng của hiện tượng cảm ứng điện từ

Hiện tượng cảm ứng điện từ đã giúp tạo ra một cuộc cách mạng vô cùng lớn trong lĩnh vực ứng dụng kỹ thuật. Bên cạnh đó, hiện tượng cảm ứng điện từ còn được ứng dụng rộng rãi và phổ biến trong các lĩnh vực khác như y tế, công nghiệp, không gian… nhằm phục vụ vào cuộc sống của con người. Dưới đây là một số ứng dụng chính của hiện tượng cảm ứng điện từ vào cuộc sống mà chúng tôi muốn chia sẻ tới bạn đọc:

Quạt điện

Các hệ thống làm mát nói chung hay quạt điện nói riêng đều có sử dụng động cơ điện. Bản chất của những động cơ này hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ. Với bất kỳ thiết bị điện nào thì động cơ điện đều hoạt động bởi từ trường được tạo ra bởi dòng điện dựa theo nguyên lý lực Lorentz.

Bếp từ

Nếu như bếp ga dẫn nhiệt từ lửa hay sử dụng bộ phận làm nóng bằng điện. Thì bếp từ đã làm nóng nồi nấu bằng cảm ứng từ. Lúc này, dòng điện cảm ứng sẽ trực tiếp làm nóng dụng cụ nấu bếp. Khi đó, nhiệt độ có thể tăng lên một cách rất nhanh chóng. Với bếp từ, một cuộn dây đồng được đặt ở dưới một vật liệu cách nhiệt. Còn một dòng điện xoay chiều sẽ được truyền qua cuộn dây đồng này.

Từ trường dao động đã tạo ra một từ thông liên tục từ hóa nồi. Khi đó, nồi đóng vai trò như một lõi từ của máy biến áp. Chính điều này đã tạo ra dòng điện xoáy hay còn được gọi là dòng điện Fuco lớn ở trong nồi. Sự hoạt động của dòng Fuco đã làm cho nồi nấu chịu tác dụng của lực hãm điện từ. Từ đó đã gây ra hiệu ứng tỏa nhiệt Jun – Lenxơ. Và kết quả là làm nóng đáy nồi cũng như thức ăn bên trong nồi.

Đèn huỳnh quang

Các hệ thống chiếu sáng sử dụng phổ biến hiện nay là hệ thống chiếu sáng bằng đèn huỳnh quang. Trong đèn huỳnh quang thì chấn lưu được sử dụng dựa trên nguyên lý điện từ. Tại thời điểm bật đèn, nó đã tạo ra một điện áp cao ở trên 2 đầu đèn là phóng điện qua đèn. Dòng điện khi qua đèn sẽ tạo thành các ion giúp tác động lên bột huỳnh quang làm cho đèn phát sáng.

Không chỉ được ứng dụng phổ biến trong các thiết bị điện dân dụng. Hiện tượng cảm ứng điện từ còn được ứng dụng vào hoạt động sản xuất công nghiệp. Thậm chí hiện nay còn được ứng dụng vào lĩnh vực y học để chữa bệnh cho con người. Dưới đây là một số ứng dụng của hiện tượng cảm ứng điện từ trong lĩnh vực công nghiệp:

Máy phát điện

Máy phát điện sử dụng năng lượng cơ học là chính để tạo ra điện. “Trái tim” của máy phát điện là một cuộn dây trong từ trường. Nguyên lý hoạt động của máy phát điện là cuộn dây điện khi được quay trong từ trường với một tốc độ không đổi sẽ tạo ra điện xoay chiều.

Tàu đệm từ

Hệ thống giao thông có sử dụng hiện tượng cảm ứng điện từ được xem là một trong những công nghệ hiện đại và tiên tiến. Bản chất của tàu đệm từ là việc sử dụng nam châm điện mạnh để từ đó tăng tốc độ của tàu lên một mức đáng kinh ngạc. Hiện nay tại Nhật Bản, có rất nhiều đoàn tàu ứng dụng hiện tượng cảm ứng điện từ vào được xây dựng. Tốc độ của những đoàn tàu này vô cùng lớn thậm chí một số đoàn tàu có tốc độ hơn 500 km/h.

Tàu đệm từ sử dụng nguyên tắc cơ bản của nam châm điện, điển hình là hệ thống treo động lực học (EDS) và hệ thống treo điện từ (EMS). Trong EMS thì nam châm điện được sử dụng ở trên thân tàu sẽ hút vào đường ray sắt. Những nam châm này sẽ được bao quanh các đường ray dẫn hướng và lực hấp dẫn giữa các hướng dẫn, nam châm sẽ nâng tàu lên. Trong EDS, khi tàu được đẩy bởi một lực đẩy trong các hướng dẫn dẫn điện bằng dòng điện cảm ứng.

Trong y học

Có thể thấy, trường điện từ đóng một vai trò vô cùng quan trọng trong các thiết bị y tế tiên tiến và hiện đại. Một ví dụ điển hình như phương pháp điều trị tăng thân nhiệt cho bệnh ung thư, cấy ghép hay là chụp cộng hưởng từ (MRI).

Trên đây là toàn bộ thông tin về cảm ứng điện từ là gì mà thietbikythuat muốn chia sẻ tới bạn đọc. Hy vọng bài viết mang đến cho bạn đọc nhiều thông tin bổ ích!