Hiện Tượng Cảm Ứng Điện Từ Là Gì

Cảm ứng điện từ là gì ? Hiện tượng cảm ứng điện từ là gì ? Từ thông và các định luật cảm ứng điện từ. Ứng dụng của điện từ trường trong đời sống như thế nào ? Các định luật cơ bản về cảm ứng điện từ. Kiến thức vật lý cơ bản về cảm ứng điện từ. Công thức tính từ thông cần phải nhớ. 

Hình minh hoạ cảm ứng điện từ trong sách giáo khoa

Trong chương trình vật lý ở THPT, chúng ta đã được học thế nào là từ thông, hiện tượng cảm ứng điện từ và các định luật Faraday. Tuy nhiên, phần lớn chúng ta lúc đó chỉ học thuộc lòng chứ chưa thật sự hiểu được ứng dụng của chúng trong đời sống. Bạn có bao giờ tự hỏi rằng từ thông được sử dụng trong thiết bị nào xung quanh chúng ta ? Cảm ứng điện từ sẽ được ứng dụng để chế tạo ra thiết bị gì ? Do đó, trong bài viết này tôi sẽ nhắc lại các kiến thức này và liên hệ với các ứng dụng thực tế trong cuộc sống. Hãy cùng tôi xem qua và trao đổi thêm nhé.

1. Khái niệm từ thông là gì ?

Hình minh hoạ từ thông

Trước tiên chúng ta cùng ôn lại kiến thức về từ thông nhé. Theo như chúng ta đã được học thì “Từ thông F qua một diện tích S, giới hạn bởi một vòng dây kín phẳng C, đặt trong từ trường có cảm ứng từ B là một đại lượng có biểu thức

Φ = B.S.cosα

Trong đó:

• Φ: từ thông (Wb)
• B: từ trường (T)
• S: diện tích bề mặt (m2)
• α: là góc giữa hai véc tơ B và n

Dựa vào công thức trên chúng ta sẽ dễ dàng tính được từ thông nếu như biết các thông số như diện tích bề mặt, từ trường, góc alpha. Việc tính toán được từ thông sẽ giúp các bạn hiểu rõ hơn về khái niệm và các ứng dụng của từ thông. Từ đó bạn sẽ biết được các thiết bị nào dễ sinh ra từ trường, điện trường.

Ngoài ra. từ thông trong tiếng anh là magnetic flux. Các bạn có thể tham khảo thêm một số website nước ngoài bằng tên tiếng anh của từ thông nhé.

2. Hiện tượng cảm ứng điện từ là gì ?

Khi có sự biến đổi từ thông qua một mặt giới hạn của một mạch kín thì trong mạch kín xuất hiện dòng điện cảm ứng.

Hiện tượng xuất hiện dòng điện cảm ứng trong một mạch kín khi có sự biến thiên của từ thông thì được gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ.

Nguyên lý của hiện tượng cảm ứng điện từ

Sau khi đọc qua khái niệm về cảm ứng điện từ thì chúng ta có thể hình dung được phần nào đó. Vậy làm cách nào để biết được sự xuất hiện của dòng điện cảm ứng này ? Các bạn có thể nhận biết dòng điện cảm ứng bằng các cách đơn giản sau nhé:

• Sử dụng đồng hồ VOM để đo dòng điện
• Dùng nam châm để nhận biết
• Sử dụng bóng đèn để nhận biết

Việc nhận biết có cảm ứng từ rất quan trọng, chúng ta sẽ ứng dụng nó để tạo ra các thiết bị hoặc các ứng dụng hữu ích phục vụ cuộc sống. Qua phần này các bạn đã biết thêm khái niệm và cách nhận biết cảm ứng từ.

3. Các định luật về hiện tượng cảm ứng điện từ

Liên quan đến hiện tượng cảm ứng điện từ, có nhiều nghiên cứu đã làm thực nghiệm và rút ra những kết luận mà trong đó phổ biến nhất vẫn là thí nghiệm của Faraday. Cụ thể thí nghiệm của ông gồm các nội dung sau:

♠ Thí nghiệm của Faraday về cảm ứng điện từ

Hình minh họa thí nghiệm của Faraday

Ông lấy một cuộn dây và mắc nối tiếp với một điện kế để tạo thành một mạch kín. Phía trên ống dây, ông đặt một nam châm 2 cực Nam – Bắc. Sau đó ông đã làm thí nghiệm và nhận thấy sự thay đổi như bên dưới:

• Nếu rút thanh nam châm ra, dòng điện cảm ứng sẽ đổi chiều
• Nếu di chuyển thanh nam châm càng nhanh, cường độ dòng điện cảm ứng càng lớn
• Nếu giữ thanh nam châm đứng yên, dòng điện cảm ứng bằng không
• Nếu thay thế nam châm bằng một cuộn dây có dòng điện đi qua và làm các bước thí nghiệm như trên thì vẫn cho kết quả tương tự

Từ những thí nghiệm trên, Faraday đã rút ra những kết luận rằng:

• Từ thông gửi qua mạch kín 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 thời gian từ thông gửi qua mạch kín biến đổi
• Cường độ dòng điện cảm ứng tỷ lệ thuận với tốc độ biến đổi của từ thông
• Chiều của dòng điện cảm ứng phụ thuộc vào sự tăng hay giảm của từ thông gửi qua mạch.

♠ Định luật Lenz về hiện tượng cảm ứng điện từ

Hình minh họa định luật Lenz

Cùng thời với nhà khoa học Faraday có Heinrich Lenz cũng đã làm thí nghiệm và rút ra được định luật tổng quát giúp xác định chiều của dòng điện cảm ứng. Và các định luật này được đặt theo tên của ông. Định luật Lenz. Nội dung của định luật như sau:

Dòng điện cảm ứng phải có chiều sao cho từ trường do nó sinh ra có tác dụng chống lại nguyên nhân sinh ra nó.

Điều này có nghĩa là khi từ thông qua mạch kín tăng thì từ trường cảm ứng sinh ra sẽ chống lại sự tăng của từ thông. Khi đó từ trường cảm ứng sẽ ngược chiều với từ trường ngoài và ngược lại.

Nếu sử dụng định luật Lenz vào thí nghiệm của Faraday thì chúng ta có thể rút ra nhận xét như sau: dòng điện cảm ứng bao giờ cũng có tác dụng chống lại sự dịch chuyển của thanh nam châm. Do đó để dịch chuyển được thanh nam châm thì ta phải tốn công nhất định và công này chính là điện năng của dòng điện cảm ứng.

♠ Các định luật cơ bản khác của hiện tượng cảm ứng điện từ

Ngoài thí nghiệm của Faraday và định luật của Lenz thì còn định luật cơ bản khác liên quan đến cảm ứng điện từ. Định luật đó được phát biểu như sau:

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 sinh ra do hiện tượng cảm ứng điện từ.

4. Current Transformer – Thiết bị ứng dụng hiện tượng cảm ứng điện từ

Current Transformer hay còn gọi là bộ chuyển đổi dòng điện được sử dụng nhiều trong công nghiệp. Thiết bị này còn được gọi với tên khác là CT dòng. Đây là thiết bị ứng dụng hiện tượng cảm ứng điện từ để đo độ lớn của dòng điện chạy qua trong mạch.

Biến dòng là một ứng dụng của hiện tượng cảm ứng điện từ

Như hình trên, chúng ta có thể dễ dàng hình dung về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của CT dòng. Nếu đối chiếu với thí nghiệm của Faraday thì lúc thanh nâm châm được thay thế bằng cuộn dây có dòng điện đi qua ống. Do đó khi dòng điện chạy qua mạch càng lớn thì dòng điện cảm ứng càng lớn và ngược lại. Dựa vào nguyên lý này, các CT dòng sẽ điều chỉnh số vòng dây quấn sao cho thu được dòng điện ở ngõ ra theo yêu cầu. Một số loại CT dòng thường gặp như: 100/5A, 200/1A, 500/5A, 1000/5A, 1600/5A…

Ngoài ra trên thị trường hiện nay còn có một loại CT dòng được tích hợp thêm mạch chuyển đổi analog. Mục đích là để đổi tín hiệu 1A, 5A ở ngõ ra về dạng 4-20mA. Đó chính là loại biến dòng analog ngõ ra 4-20mA. Các loại biến dòng analog hay dùng như: 100A/4-20mA, 300A/4-20mA, 500A/4-20mA….

5. Ampe kìm – Sử dụng hiện tượng cảm ứng điện từ để đo dòng điện

Ampe kìm của hãng Hioki

Một thiết bị khác cũng ứng dụng hiện tượng cảm ứng điện từ chính là Apme kìm. Có lẽ thiết bị này sẽ quen thuộc với chúng ta hơn. Ampe kìm là thiết bị để đo các thông số của điện như: điện áp, dòng điện, điện trở, tụ điện, đo ngắn mạch, đo tần số…. Chúng đo được cả điện AC và DC. Đối với các đồng hồ Apme kế thông thường, chúng ta rất khó khăn để đo dòng điện. Vì nguyên tắc đo dòng điện là phải đo nối tiếp. Còn đo điện áp thì đo song song. Do đó các nhà sản xuất đã ứng dụng nguyên lý cảm ứng điện từ để tạo ra Ampe kìm.

Nguyên lý hoạt động của ampe kìm

Cũng tương tự như CT dòng, Ampe kìm cũng ứng dụng hiện tượng cảm ứng điện từ để đo dòng điện. Dựa vào hình trên, chúng ta có thể thấy nguyên lý làm việc của nó. Bên trong nó còn có các khối chức năng để tính toán và hiển thị số lên màn hình. Tuy nhiên chúng ta chỉ quan tâm nguyên lý hoạt động của nó. Khi sử dụng, chúng ta sẽ kẹp vào dây điện cần đo dòng. Khi đó bài toán sẽ quay trở lại giống như thí nghiệm mà Faraday đã thực hiện. Và dây điện sẽ thay thế cho thanh nam châm. Dòng điện chạy qua càng lớn thì số hiển thị trên màn hình lớn và ngược lại.

6. Các ứng dụng khác của cảm ứng điện từ trong đời sống

Sau khi hiểu hiện tượng cảm ứng điện từ là gì và cách sinh ra dòng điện cảm ứng. Các bạn có thể liên hệ với thực tế qua các thiết bị điện sử dụng trong nhà như: quạt máy, bếp từ, đèn huỳnh quang…. Các bạn có thể xem qua video minh họa bên dưới nhé.

Ngoài ra, hien tuong cam ung dien tu còn được ứng dụng trong các lĩnh vực khác như: y tế, khoa học, công nghiệp. Một số ứng dụng cơ bản như: máy phát điện, tàu điện ngầm, máy chụp MRI, máy bơm…

Như vậy có thể nói rằng trong tất cả các lĩnh vực trong đời sống của chúng ta đều xuất phát từ những hiện tượng vật lý. Từ những kiến thức đã được học, các bạn có thể vận dụng vào cuộc sống. Hy vọng qua bài chia sẻ ngắn này sẽ giúp cho các bạn ôn lại kiến thức vật lý cơ bản và hiểu rõ hơn các ứng dụng thực tế của vật lý.

Bài viết này không thể tránh khỏi những sai sót, các bạn hãy để lại bình luận đóng góp bên dưới để chúng ta cùng trao đổi thêm nhé. Cảm ơn các bạn đã xem qua bài viết này.