Bài 3. Cảm ứng điện từ

I. TỪ THÔNG

1. Định nghĩa

Xét một mặt có diện tích S (được coi là phẳng). Mặt S đó được đặt trong từ trường đều \(\overrightarrow{B}\). Trên đường vuông góc với mặt S, vẽ vectơ pháp tuyến \(\overrightarrow{n}\) của mặt S. Chiều của \(\overrightarrow{n}\) có thể chọn tuỳ ý. Góc hợp bởi \(\overrightarrow{B}\) và \(\overrightarrow{n}\) được kí hiệu là α (Hình 3.1).

Đặt:

\(\phi=BScos\alpha\)   (3.1)

Đại lượng ϕ xác định bằng công thức (3.1) được gọi là cảm ứng từ thông qua diện tích S, gọi tắt là từ thông qua diện tích S.

Công thức (3.1) cho thấy từ thông có thể mang giá trị dương, âm hoặc bằng 0.

- Khi \(0\le\alpha< \dfrac{\pi}{2}\) thì \(\phi>0\).

- Khi \(\alpha>\dfrac{\pi}{2}\) thì \(\phi< 0\).

- Khi \(\alpha=\dfrac{\pi}{2}\) thì \(\phi=0\).

Trong công thức (3.1), nếu \(\alpha=0\), thì \(\phi=BS\). Từ đây, người ta quy ước vẽ các đường sức từ sao cho số đường sức từ xuyên qua một đợn vị diện tích đặt vuông góc với đường sức bằng độ lớn của cảm ứng từ B. Theo quy ước này, độ lớn của cảm ứng từ B còn được gọi là mật độ từ thông. Khi đó, từ thông bằng số đường sức từ xuyên qua diện tích S đặt vuông góc với đường sức.

Vì vậy, người ta dùng khái niệm từ thông để mô tả số đường sức từ xuyên qua một diện tích nào đó.

2. Đơn vị đo từ thông

Trong hệ SI, đơn vị từ thông là weber, kí hiệu là Wb. Theo công thức (3.1) nếu cosα = 1, S = 1 m², B = 1 T thì ϕ = 1 Wb.

Một weber (1 Wb) là từ thông đi qua diện tích 1 m² vuông góc với cảm ứng từ B, khi cảm ứng từ có độ lớn là 1 T.

1 Wb = 1 T. 1 m²

II. HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỬ

1. Hiện tượng cảm ứng điện từ

Mỗi khi từ thông qua mặt giới hạn bởi mạch điện kín biến thiên theo thời gian thì trong mạch xuất hiện dòng điện.

Dòng điện xuất hiện khi có sự biến thiên từ thông qua mạch điện kín được gọi là dòng điện cảm ứng. Suất điện động sinh ra dòng điện cảm ứng trong mạch kín được gọi là suất điện động cảm ứng.

Như vậy, ta cũng có thể nói khi có sự biến thiên của từ thông qua một mặt giới hạn bởi một mạch kín thì trong mạch xuất hiện suất điện động cảm ứng.

Hiện tượng xuất hiện suất điện động cảm ứng là hiện tượng cảm ứng điện từ và hiện tượng này chỉ tồn tại trong khoảng thời gian từ thông qua mạch kín biến thiên.

Hiện tượng cảm ứng điện từ được Michael Faraday (Mai-con Fa-ra-đây), người Anh tìm ra năm 1831.

2. Định luật Lenz

Ở thí nghiệm Hình 3.6a, khi cực bắc của nam châm được đưa lại gần đầu 1 của ống dây, dòng điện cảm ứng xuất hiện trong ống dây có chiều được chỉ bằng mũi tên ở ống dây. Khi đó, đầu 1 là cực bắc của ống dây.

Ở thí nghiệm Hình 3.6b, khi cực bắc của nam châm được đưa ra xa đầu 1 của ống dây, đầu 1 là cực nam của ống dây.

Như vậy, khi đưa nam châm lại gần ống dây, độ lớn của từ thông qua ống dây tăng và từ trường của dòng điện cảm ứng trong ống dây ngược chiều với từ trường của nam châm. Khi đó, từ trường của dòng điện cảm ứng ngăn cản nam châm lại gần nó. Vì vậy, muốn đưa được nam châm lại gần ống dây ta phải tốn một công để thắng sức cản này. Ngược lại, khi đưa nam châm ra xa ống dây, từ thông qua mạch kín giảm, từ trường của dòng điện cảm ứng cùng chiều với từ trường của nam châm. Khi đó, từ trường của dòng điện cảm ứng lại cản trở nam châm ra xa nó và ta cũng phải tốn một công để đưa được nam châm ra xa.

Từ đây, ta có định luật Lenz (Len-xơ) về chiều của dòng điện cảm ứng:

Dòng điện cảm ứng có chiều sao cho từ trường do nó sinh ra có tác dụng chống lại sự biến thiên của từ thông qua mạch kín.

3. Định luật Faraday

Thực nghiệm chứng tỏ rằng, độ lớn của suất điện động cảm ứng trong mạch kín tỉ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông qua mạch kín đó.

Phát biểu trên là định luật Faraday về cảm ứng điện từ.

Nếu trong khoảng thời gian Δt, từ thông qua mạch biến thiên một lượng Δϕ thì \(\left|\dfrac{\Delta\phi}{\Delta t}\right|\) là tốc độ biến thiên của từ thông.

Vì vậy, ta có thể viết:

\(\left|e_C\right|=k\left|\dfrac{\Delta\Phi}{\Delta t}\right|\)   (3.2)

Trong hệ SI, hệ số tỉ lệ k = 1.

Kết hợp với định luật Lenz thì công thức xác định suất điện động cảm ứng là:

\(e_C=-\dfrac{\Delta\Phi}{\Delta t}\)   (3.3)

Dấu trừ (\(-\)) biểu thị suất điện động cảm ứng ngược dấu với độ biến thiên từ thông.

Trong trường hợp mạch điện là một khung dây có N vòng dây thì

\(e_C=-N\dfrac{\Delta\Phi}{\Delta t}\)   (3.4)

trong đó, ΔΦ là độ biến thiên từ thông qua diện tích giới hạn bởi một vòng dây.

III. VẬN DỤNG ĐỊNH LUẬT LENZ VÀ ĐỊNH LUẬT FARADAY

Một đoạn dây dẫn MN được đặt trên hai thanh kim loại và tạo thành một mạch kín. Tất cả được đặt trong một từ trường đều có cảm ứng từ \(\overrightarrow{B}\) (Hình 3.8). Cho đoạn dây dẫn MN chuyển động và khi chuyển động luôn tiếp xúc với hai thanh kim loại, ta thấy kim điện kế lệch khỏi vạch số 0. Điều đó chứng tỏ, khi đó trong mạch xuất hiện suất điện động cảm ứng và có dòng điện chạy trong đoạn dây dẫn MN. Khi đoạn dây MN dừng lại thì kim điện kế lại trở về vạch số 0.

Như vậy, suất điện động cảm ứng trong mạch đang xét chỉ xuất hiện khi đoạn dây MN chuyển động. Đoạn dây MN chuyển động đóng vai trò như một nguồn điện, còn hai thanh kim loại chỉ là các dây nối tạo thành mạch điện. Điều đó có nghĩa là, khi đoạn dây MN chuyển động cắt các đường sức từ nhưng không nối với hai thanh kim loại, thì trong đoạn dây đó vẫn xuất hiện suất điện động cảm ứng.

Suất điện động cảm ứng sinh ra dòng điện cảm ứng trong mạch điện MNPQ được tính theo công thức (3.3). Nhưng suất điện động cảm ứng đó cũng chính là suất điện động cảm ứng trong đoạn dây MN chuyển động.

Vậy, suất điện động cảm ứng trong một đoạn dây chuyển động có độ lớn là

\(\left|e_C\right|=\left|\dfrac{\Delta\Phi}{\Delta t}\right|\)   (3.5)

+ Khi \(\overrightarrow{v}\) và \(\overrightarrow{B}\) cùng vuông góc với đoạn dây chuyển động, đồng thời \(\overrightarrow{v}\) vuông góc với \(\overrightarrow{B}\) thì

\(\Delta\Phi=B\Delta S=B\left(lv\Delta t\right)\)

Trong đó, \(l\) là chiều dài và v tốc độ của đoạn dây.

Từ đây, ta có:

\(\left|e_C\right|=Blv\)   (3.6)

+ Nếu \(\overrightarrow{v}\) và \(\overrightarrow{B}\) cùng vuông góc với đoạn dây chuyển động, nhưng \(\overrightarrow{v}\) tạo với \(\overrightarrow{B}\) một góc θ thì:

\(\left|e_C\right|=Blvsin\theta\)   (3.7)​

IV. GIẢI THÍCH MỘT SỐ ỨNG DỤNG HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ

1. Hãm chuyển động bằng điện từ

Cho một đĩa kim loại dao động trong không khí, đĩa sẽ dao động trong một thời gian xác định. Khi cho đĩa dao động giữa hai cực từ của một nam châm (Hình 3.11) thì thời gian đĩa dao động sẽ ngắn hơn.

Điều này có thể được giải thích như sau: Khi đĩa đi vào từ trường, nó cắt các đường sức từ và do đó trong đĩa xuất hiện suất điện động cảm ứng. Vì đĩa là chất dẫn điện nên suất điện động cảm ứng tạo ra dòng điện trong đĩa. Những dòng điện này được gọi là dòng điện xoáy (dòng điện Foucault, Fu-cô). Chúng có đặc điểm là chạy theo các đường cong kín trong khối vật dẫn.

Theo định luật Lenz, các dòng điện cảm ứng chạy trong đĩa sẽ tạo ra lực cản trở chuyển động, làm cho dao động bị tắt dần nhanh.

Tác dụng gây ra lực hãm của dòng điện xoáy được dùng để hãm chuyển động, nhất là chuyển động quay của một bộ phận nào đó trong một số thiết bị. Chẳng hạn khi ta cân một vật bằng cân có độ nhạy cao, kim của cân thường dao động khá lâu. Để tránh tình trạng đó, người ta cho kim dao động giữa hai cực của một nam châm, dao động của kim sẽ tắt dần nhanh hơn.

Người ta cũng sử dụng tác dụng hãm của dòng điện xoáy trong phanh điện từ ở các xe có tải trọng lớn. Ưu điểm của loại phanh này so với phanh thông thường là không có tiếp xúc, hạn chế được sự mài mòn.

Ví dụ, nam châm điện mạnh trong bộ phanh của một đoàn tàu có thể gây ra dòng điện xoáy ở đường ray khi phanh và làm tàu chạy chậm lại.

2. Làm giảm tác hại của dòng điện xoáy

Nhiều thiết bị điện có cấu tạo gồm một ống dây có lõi sắt, trong ống dây có dòng điện xoay chiều chạy qua. Lõi sắt này có tác dụng tăng cường từ trường. Dòng điện trong ống dây biến đổi theo thời gian nên trong lõi sắt xuất hiện dòng điện xoáy. Sự xuất hiện dòng điện xoáy trong trường hợp này là có hại.

Thứ nhất, nhiệt lượng do dòng điện xoáy tỏa ra sẽ làm cho lõi sắt bị nóng có thể làm hỏng máy.

Thứ hai, dòng điện xoáy là dòng điện cảm ứng nên theo định luật Lenz, từ trường do nó sinh ra luôn có xu hướng chống lại nguyên nhân đã gây ra nó. Trong trường hợp động cơ điện, từ trường này chống lại sự quay của động cơ. Do đó, nó làm giảm công suất của động cơ.

Để giảm tác hại của dòng điện xoáy, người ta không dùng lõi sắt dạng khối liền, mà dùng những lá thép silicon mỏng có phủ lớp sơn cách điện ghép sát với nhau (Hình 3.14). Ngoài ra, những lá mỏng này lại được đặt song song với đường sức từ. Bằng cách đó, tuy không loại bỏ được hoàn toàn dòng điện xoáy, nhưng làm giảm được cường độ của nó một cách đáng kể.

3. Hiện tượng cảm ứng giữa hai cuộn dây

Xét hai cuộn dây dẫn (Hình 3.15). Khi đóng khoá K, cường độ dòng điện trọng cuộn dây A tăng từ không đến một giá trị xác định. Trong thời gian đó, từ trường trong cuộn dây này tăng lên. Từ trường này làm thay đổi từ thông trong cuộn dây B và làm xuất hiện một suất điện động cảm ứng trong cuộn dây này. Nếu cuộn dây B tạo thành một mạch kín thì sẽ có dòng điện cảm ứng trong cuộn dây B. Chiều của dòng điện này có thể xác định bằng cách sử dụng định luật Lenz.

Cần chú ý rằng suất điện động cảm ứng trong cuộn dây B chỉ được tạo ra khi từ trường trong cuộn dây A thay đổi, nghĩa là khi dòng điện trong cuộn dây A thay đổi. Một suất điện động cảm ứng có thể xuất hiện liên tục trong cuộn dây B nếu cung cấp dòng điện xoay chiều (sẽ học ở bài 4) cho cuộn dây A. Người ta ứng dụng hiện tượng này để chế tạo máy biến áp, thiết bị được dùng rộng rãi trong sản xuất và đời sống.

V. MÔ HÌNH SÓNG ĐIỆN TỪ

1. Điện trường biến thiên và từ trường biến thiên

Trong thí nghiệm về cảm ứng điện từ (Hình 3.16), khi nam châm rơi qua ống dây, từ thông qua các vòng dây dẫn biến thiên. Vì mạch kín, nên trong ống dây có dòng điện cảm ứng, tức là các electron trong dây dẫn đã chuyển dời có hướng. Điều đó chứng tỏ trong dây dẫn đã xuất hiện điện trường mà trước khi từ thông biến thiên thì chưa có điện trường này.

Điện trường này có đường sức không có điểm khởi đầu và cũng không có điểm kết thúc như đường sức của điện trường do các điện tích đứng yên gây ra (đã học ở lớp 11) mà là đường cong kín. Điện trường này được gọi là điện trường xoáy.

Phân tích kết quả thực nghiệm này, Maxwell (Mắc-xoen) cho rằng: Từ trường biến thiên theo thời gian làm xuất hiện điện trường xoáy.

Maxwell cho rằng có quá trình như vậy xảy ra trong tự nhiên. Tức là: Điện trường biến thiên theo thời gian sẽ làm xuất hiện từ trường. Các đường sức của từ trường này bao quanh các đường sức của điện trường (vì từ trường là trường xoáy, các đường sức luôn khép kín).

Giả thuyết này của Maxwell đã được thực nghiệm khẳng định là đúng. Khi một tụ điện đang tích điện hay phóng điện, thì giữa hai bản của tụ điện có một điện trường biến thiên. Điện trường biến thiên này sinh ra một từ trường (Hình 3.17).

Kết hợp hai nhận định trên, Maxwell đã cho rằng điện trường biến thiên và từ trường biến thiên có liên hệ chặt chẽ với nhau.

Khi một từ trường biến thiên theo thời gian sẽ sinh ra một điện trường xoáy trong không gian xung quanh và ngược lại, khi một điện trường biến thiên theo thời gian sẽ sinh ra một từ trường biến thiên theo thời gian trong không gian xung quanh (Hình 3.18).

Như vậy, điện trường biến thiên và từ trường biến thiên cùng tồn tại trong không gian, chúng chuyển hoá lẫn nhau trong một trường thống nhất là trường điện từ.

2. Mô hình sóng điện từ

Ta hãy hình dung, tại điểm O có một điện trường biến thiên \(\overrightarrow{E_1}\). Điện trường biến thiên đó làm phát sinh một từ trường biến thiên \(\overrightarrow{B_1}\) tại vùng lân cận. Tiếp theo, vì có từ trường biến thiên, nên lại xuất hiện một điện trường \(\overrightarrow{E_2}\), biến thiên ở vùng lân cận khác, rồi tương tự, lại xuất hiện \(\overrightarrow{B_2}\), như minh hoạ ở Hình 3.20.

Quá trình đó cứ tiếp tục lặp đi lặp lại, điện trường sinh ra từ trường rồi từ trường lại sinh ra điện trường,... Trường điện từ lan truyền trong không gian, xa dần điểm O.

Trường điện từ lan truyền trong không gian được gọi là sóng điện từ.

Trong quá trình truyền sóng điện từ, tại một điểm, cường độ điện trường và cảm ứng từ biến thiên cùng pha theo các phương vuông góc với nhau và cùng vuông góc với phương truyền sóng (Hình 3.21).