Hiện tượng cảm ứng điện từ và ứng dụng của cảm ứng điện từ

Hôm nay chúng tôi sẽ gửi đến các bạn bài viết về hiện tượng cảm ứng điện từ trong vật lý. Và những ứng dụng thực tế về cảm ứng của điện từ trong cuộc sống.

Tìm hiểu khái niệm hiện tượng cảm ứng điện từ là gì?

Đây là một hiện tượng được hình thành một suất điện động (điện áp) trên một vật dẫn. Và khi vật dẫn đó được đặt trong một từ trường biến thiên. Vào năm 1831, Michael Faraday đã chứng tỏ bằng thực nghiệm rằng từ trường có thể sinh ra được dòng điện. 

Đúng là như vậy, khi cho từ thông đi qua một mạch kín thay đổi thì trong mạch sẽ xuất hiện một dòng điện. Dòng điện này được gọi với cái tên là dòng điện cảm ứng. Và dòng điện này được gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ.

Các định luật liên quan đến dòng điện cảm ứng điện từ

Sau đây, chúng tôi sẽ giới thiệu đến các bạn một số thí nghiệm và định luật liên quan đến cảm ứng từ:

Định luật Faraday về cảm ứng điện từ

Lấy một ống dây điện(bao gồm nhiều vòng) mắc nối tiếp với một điện kế G thành một mạch kín. Phía trên ống dây, bạn đặt một thanh nam châm có hai cực là bắc(N) và nam(S). Thí nghiệm chứng tỏ rằng: Nếu di chuyển thanh nam châm vào trong ống dây, kim của điện kế sẽ bị lệch đi. Điều đó chứng tỏ một điều rằng ở trong ống dây xuất hiện một dòng điện. Đây chính là dòng điện cảm ứng, được ký hiệu bằng Ic.

Qua thí nghiệm trên, cho thấy:

– Khi rút thanh nam châm ra, dòng điện cảm ứng sẽ có chiều ngược lại

– Thanh nam châm di chuyển càng nhanh thì cường độ dòng điện cảm ứng Ic càng lớn.

– Giữ thanh nam châm đứng yên với ống dây. Khi đó, dòng điện cảm ứng sẽ bằng không.

– Nếu thay thanh nam châm bằng một ống dây có dòng điện chạy qua, rồi tiến hành thí nghiệm như trên, ta cũng sẽ có những kết quả tương tự.

Xem thêm: Sóng điện từ là sóng ngang hay là loại sóng dọc?

Từ các thí nghiệm đó, Faraday đã rút ra được những kết luận sau đây:

– Từ thông đi qua mạch kín và 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 khoảng thời gian từ thông gửi qua mạch kín biến đổi.

– Cường độ dòng điện cảm ứng sẽ tỉ lệ thuận với tốc độ biến đổi từ thông.

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

Ðịnh luật Lenz:

Cùng với Michael Faraday với Heinrich Lenz cũng nghiên cứu về cảm ứng từ. Đã khám phá ra định luật tổng quát giúp ta xác định được chiều của dòng điện cảm ứng, được gọi là định luật Lenz. 

Định luật này có nội dung như sau: “Dòng điện cảm ứng phải có chiều để sao cho từ trường do nó sinh ra có tác dụng chống lại nguyên nhân sinh ra nó“

Nếu Φ là dòng điện cảm ứng, có thể biểu diễn như sau:

Φ = – B = – L.I

Ðiều này có nghĩa là khi từ thông đi 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 có chiều ngược lại với chiều của từ trường ngoài. Nếu từ thông đi 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.

Xem thêm: Hiệu điện thế là gì? Định nghĩa, ký hiệu và công thức tính hiệu điện thế?

Dưới đây, ta hãy vận dụng định luật đó để xác định chiều của dòng điện cảm ứng được nêu trong trường hợp ở trên. Cực Bắc của thanh nam châm sẽ di chuyển vào bên trong lòng ống dây. Làm cho từ thông, gửi trong ống dây tăng lên. Theo định luật của Lenz, dòng điện cảm ứng phải sinh ra từ từ trường và ngược chiều với từ trường của thanh nam châm.  Để từ thông Fc sinh ra có tác dụng làm giảm sự tăng cũng là nguyên nhân sinh ra nó. 

Bằng lý luận ta nhận thấy nếu dịch chuyển cực Bắc của thanh nam châm ra xa với ống dây. Dòng điện cảm ứng xuất hiện trong mạch sẽ có chiều ngược lại so với chiều của dòng điện cảm ứng trong trường hợp trên. 

Như vậy, theo định luật của Lenz thì dòng điện cảm ứng bao giờ cũng sẽ có tác dụng chống lại sự dịch chuyển của thanh nam châm. Vì vậy, để 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.

Định luật cơ bản của hiện tượng cảm ứng điện từ

“Suất điện động cảm ứng luôn bằng với trị số. Tuy nhiên, trái dấu với tốc độ biến thiên của từ thông gửi qua diện tích trong mạch điện.”  Suất điện động cảm ứng là suất điện động sinh ra bởi cảm ứng của điện từ.

Định nghĩa về từ thông

Từ thông là gì ?

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

Kí hiệu của từ thông:

Từ thông được kí hiệu là Φ. Là một chữ cái được bắt nguồn từ các ký tự của tiếng Hy Lạp. Thông thường sẽ là Φ hoặc ΦB.

Đơn vị của từ thông:

Từ thông cũng là một đại lượng vật lý và chúng sẽ có một hoặc một vài đơn vị đo lường cho riêng mình. Xét theo SI hoặc CGS thì từ thông sẽ có các đơn vị như sau:

– Đơn vị chuẩn quốc tế (SI): Weber (Wb)

– Đơn vị nền tảng: Volt – giây

– Đơn vị theo CGS: Maxwell

Xem thêm: Cường độ dòng điện là gì? công thức tính cường độ dòng điện

Công thức tính từ thông:

Từ thông được xác định bởi công thức như sau:

Φ = B.S.Cos(α)

Trong đó:

Φ là từ thông (Wb)

B là từ trường (T)

S là diện tích bề mặt (mét vuông)

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

Ý nghĩa của từ thông:

Từ thông sẽ có ý nghĩa sau đây: “Từ thông đi qua một mặt phẳng S bằng số đường sức từ đi qua diện tích S và được đặt vuông góc với đường sức từ”

Cách để nhận biết sự xuất hiện dòng điện cảm ứng:

Ở phần trên, chúng ta đã tìm hiểu về hiện tượng cảm ứng điện từ. Vậy làm cách nào để nhận biết được có sự xuất hiện của dòng điện cảm ứng? Để biết dòng điện cảm ứng có xuất hiện hay không, ta có thể dùng những cách như sau:

– Ta có thể sử dụng Ampe kế để nhận biết.

– Dùng nam châm thử để nhận biết được.

– Hoặc có thể sử dụng bóng đèn cũng có thể để nhận biết.

Ứng dụng của cảm ứng điện từ trong cuộc sống

Từ việc nắm được bản chất của loại cảm ứng này. Chúng ta cũng cần biết rõ một số ứng dụng của hiện tượng này vào đời sống. Đây được xem là một hiện tượng quan trọng trong vật lý. Và trở nên rất hữu ích với nhiều ứng dụng trong cuộc sống. Hiện tượng này đã giúp tạo ra một cuộc cách mạng lớn ở trong lĩnh vực ứng dụng kỹ thuật. Bên cạnh đó, hiện tượng này còn được ứng dụng trong các lĩnh vực khác như công nghiệp, y tế, không gian… để phục vụ hữu ích vào cuộc sống của con người. 

Hiện tượng này thường được ứng dụng làm thiết bị gia dụng cũng như vào trong các ứng dụng trong công nghiệp. Điển hình như quạt điện, bếp từ, đèn huỳnh quang, lò vi sóng, lò nướng, máy xay, chuông cửa, loa,… Dưới đây là một số ứng dụng của hiện tượng cảm ứng vào cuộc sống.

Trong thiết bị gia dụng:

Điện từ đóng vai trò là nguyên tắc cơ bản đối với các thiết bị gia dụng như thiết bị nhà bếp, đèn, hệ thống điều hòa không khí,…

Quạt điện:

Những hệ thống làm mát nói chung hay quạt điện nói riêng đều sử dụng đến động cơ điện. Những động cơ này về bản chất hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng của điện từ. Với bất kỳ thiết bị điện nào, động cơ điện đều hoạt động nhờ từ trường được tạo ra bởi dòng điện theo nguyên lý của lực Lorentz. 

Bếp từ:

Thay vì phải dẫn nhiệt từ lửa như bếp ga hay sử dụng các bộ phận làm nóng bằng điện. Sản phẩm về bếp từ đã giúp làm nóng nồi nấu bằng cảm ứng từ. Lúc này, dòng điện cảm ứng trực tiếp sẽ làm nóng dụng cụ nấu bếp. Khi đó, nhiệt độ có thể tăng lên nhanh chóng.  Với bếp từ, một cuộn dây đồng được đặt dưới một lớp vật liệu cách nhiệt (thường là mặt bếp làm bằng gốm thủy tinh), và một dòng điện xoay chiều sẽ được truyền qua cuộn dây đồng này.

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

Trong công nghiệp:

Không chỉ được ứng dụng rộng rãi vào trong các thiết bị điện dân dụng. Hiện tượng cảm ứng  từ còn được con người sử dụng vào hoạt động sản xuất công nghiệp. Dưới đây là một số ứng dụng cụ thể của hiện tượng này vào  trong lĩnh vực công nghiệp:

Máy phát điện:

Máy phát điện sử dụng năng lượng cơ học nhằm tạo ra điện. Bộ phận chính của máy phát điện bản chất chính là một cuộn dây nằm trong từ trường. Thay vì việc cần dùng một cuộn dây quay trong từ trường không đổi. Có một cách khác nữa để sử dụng cảm ứng của điện từ đó chính là giữ cho cuộn dây được đứng yên và quay nam châm vĩnh cữu (cung cấp từ thông và từ trường) xung quanh cuộn dây.

Tàu đệm từ:

Hệ thống giao thông sử dụng hiện tượng cảm ứng từ được xem là một trong những công nghệ hiện đại. Tàu đệm từ về bản chất là việc dùng nam châm điện mạnh để tăng tốc độ của tàu lên một mức đáng kinh ngạc. Hiện nay, ở Nhật Bản, nhiều đoàn tàu ứng dụng hiện tượng cảm ứng từ được xây dựng, tốc độ của những đoàn tàu vô cùng lớn. Một số đoàn tàu thậm chí có tốc độ hơn 500 km/giờ.

Trên đây là những thông tin về hiện tượng cảm ứng điện từ. Hy vọng nó sẽ giúp bạn có thêm những kiến thức bổ ích. Xin cảm ơn!