Bài 12. Hiện tượng cảm ứng điện từ

1. TỪ THÔNG

Xét một vòng dây có diện tích S được đặt trong từ trường đều. Gọi \(\overrightarrow{n}\) là vectơ đơn vị pháp tuyến của mặt phẳng vòng dây, \(\alpha\) là góc hợp bởi vectơ cảm ứng từ \(\overrightarrow{B}\) và \(\overrightarrow{n}\) (Hình 12.2). Khi đó đại lượng

\(\phi=BScos\alpha\)   (12.1)

được gọi từ thông qua diện tích S.

Trong hệ SI, từ thông có đơn vị là weber (Wb), với

1 Wb = 1 T.m²

Từ thông là một đại lượng vô hướng, có giá trị phụ thuộc vào góc \(\alpha\). Khi không có những điều kiện bắt buộc về vectơ đơn vị pháp tuyến của mặt phẳng vòng dây, ta thường chọn chiều của \(\overrightarrow{n}\) sao cho \(\alpha\) là góc nhọn để từ thông có giá trị dương.

Nếu các đường sức từ vuông góc với mặt phẳng vòng dây và diện tích vòng dây là 1 m² thì trị số của từ thông bằng độ lớn của cảm ứng từ. Do số đường sức từ qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với vectơ cảm ứng từ tại một điểm tỉ lệ thuận với độ lớn của vectơ cảm ứng từ tại điểm đó nên từ thông là đại lượng đặc trưng cho số đường sức từ xuyên qua mặt phẳng vòng dây.

Từ thông là đại lượng đặc trưng cho số đường sức từ xuyên qua diện tích S và được xác định bởi biểu thức:

\(\phi=BScos\alpha\)

Trong hệ SI, từ thông có đơn vị là weber (Wb).

1 Wb = 1 T.m²

Lưu ý: Nếu khung dây có N vòng dây được đặt trong từ trường đều, thì từ thông qua khung dây được xác định bởi biểu thức:

\(\phi=NBScos\alpha\)   (12.2)

2. HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ

Hiện tượng cảm ứng điện từ

Hiện tượng xuất hiện dòng điện trong khung dây dẫn ở thí nghiệm trên được gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ và dòng điện này được gọi là dòng điện cảm ứng. 

Thí nghiệm về hiện tượng cảm ứng điện từ có thể giải thích như sau: Trong quá trình đưa nam châm lại gần hay ra xa khung dây dẫn kín, số đường sức từ của nam châm xuyên qua khung dây biến thiên, nghĩa là từ thông qua khung dây thay đổi (Hình 12.4). Khi đó, trong khung dây xuất hiện dòng điện. Khi nam châm dừng lại, từ thông qua khung dây không còn biến thiên, không có dòng điện qua khung dây nên kim điện kế chỉ về vạch số 0.

Khi từ thông qua mặt giới hạn bởi một khung dây dẫn kín biến thiên thì trong khung dây xuất hiện dòng điện cảm ứng. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ.

Định luật Lenz về chiều dòng điện cảm ứng

Trong thí nghiệm trên, ta thấy rằng khi đưa nam châm lại gần hay ra xa khung dây dẫn kín thì xuất hiện dòng điện cảm ứng trong khung dây với chiều dòng điện là ngược nhau. Năm 1834, nhà vật lí Heinrich Lenz (Hen-rích Len-xơ) (1804 –1865) đã rút ra định luật về chiều dòng điện cảm ứng.

Dòng điện cảm ứng qua khung dây dẫn kín có chiều sao cho từ trường do nó sinh ra (từ trường cảm ứng) có tác dụng chống lại sự biến thiên từ thông qua chính khung dây đó.

Định luật Faraday về suất điện động cảm ứng

Dựa vào sự xuất hiện dòng điện cảm ứng trong khung dây dẫn kín ở thí nghiệm Hình 12.3, ta có thể coi trong khung dây tồn tại một nguồn điện. Suất điện động của nguồn này được gọi là suất điện động cảm ứng. Vậy suất điện động cảm ứng là suất điện động sinh ra dòng điện cảm ứng trong mạch kín.

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

\(\left|e\right|=k\left|\dfrac{\Delta\phi}{\Delta t}\right|\)   (12.3)

Trong hệ SI, hệ số tỉ lệ k = 1. Đây là nội dung định luật Faraday về suất điện động cảm ứng, được Michael Faraday (Mai-cơn Pha-ra-đây) (1791-1867) đưa ra vào năm 1831.

Độ lớn suất điện động cảm ứng trong khung dây dẫn kín tỉ lệ với tốc độ biến thiên từ thông qua diện tích giới hạn bởi khung dây.

Trong hệ SI, độ lớn suất điện động cảm ứng được xác định bằng biểu thức:

\(\left|e\right|=\left|\dfrac{\Delta\phi}{\Delta t}\right|\)

và có đơn vị là vôn (V).

Lưu ý: Khi kết hợp với nội dung định luật Lenz, biểu thức (12.3) được viết lại:

\(e=-\dfrac{\Delta\phi}{\Delta t}\)   (12.4)

Trong trường hợp khung dây có N vòng dây thì:

\(e=-N\dfrac{\Delta\phi}{\Delta t}\)   (12.5)

với \(\Delta\phi\) là độ biến thiên từ thông qua diện tích giới hạn bởi một vòng dây.

​@12586829@

3. SÓNG ĐIỆN TỪ

Điện từ trường

Từ hiện tượng cảm ứng điện từ, ta thấy rằng khi từ trường qua khung dây biến thiên thì trong khung dây xuất hiện dòng điện cảm ứng. Nghĩa là, trong khung dây sẽ tồn tại một điện trường với vectơ cường độ điện trường tại mỗi điểm cùng chiều với chiều dòng điện cảm ứng. Như vậy, đường sức điện trong trường hợp này là một đường cong kín. Điện trường có tính chất này được gọi là điện trường xoáy.

Thực nghiệm cũng chứng tỏ rằng, khi điện trường biến thiên theo thời gian thì trong không gian đó xuất hiện từ trường biến thiên theo thời gian. Như vậy, điện trường biến thiên và từ trường biến thiên theo thời gian cùng tồn tại trong không gian; chúng chuyển hoá lẫn nhau và được gọi là điện từ trường.

Trong vùng không gian có từ trường biến thiên theo thời gian thì trong vùng đó xuất hiện một điện trường xoáy; ngược lại, trong vùng không gian có điện trường biến thiên theo thời gian thì trong vùng đó xuất hiện một từ trường biến thiên theo thời gian. Do đó, điện trường biến thiên và từ trường biến thiên theo thời gian chuyển hoá lẫn nhau và cùng tồn tại trong không gian, được gọi là điện từ trường.

Mô hình sóng điện từ

Quá trình lan truyền của điện từ trường trong không gian gọi là sóng điện từ. Trong quá trình lan truyền, tại một điểm, vectơ cường độ điện trường \(\overrightarrow{E}\) và vectơ cảm ứng từ \(\overrightarrow{B}\) luôn dao động cùng pha, vuông góc với nhau và vuông góc với phương truyền sóng điện từ như Hình 12.8. Do đó, sóng điện từ là sóng ngang. Để xác định chiều của vectơ cường độ điện trường, vectơ cảm ứng từ và chiều truyền của sóng điện từ tại một điểm, ta sử dụng quy tắc vặn đinh ốc: Quay đinh ốc theo chiều từ vectơ cường độ điện trường đến vectơ cảm ứng từ thì chiều tiến của đinh ốc là chiều lan truyền của sóng điện từ (Hình 12.9).