Cảm ứng điện từ SVIP

I. TỪ THÔNG

1. Định nghĩa

Xét một vòng dây dẫn kín (C) có diện tích $S$, được đặt trong từ trường đều \(\overrightarrow{B}\). Vẽ vectơ đơn vị pháp tuyến \(\overrightarrow{n}\) của $S$. Chiều của \(\overrightarrow{n}\) có thể chọn tùy ý. Góc hợp thành bởi \(\overrightarrow{B}\) và \(\overrightarrow{n}\) kí hiệu là \(\alpha\).

Ta đặt: \(\Phi=BScos\alpha\)   (1)

Đại lượng \(\Phi\) gọi là từ thông qua diện tích $S$. 

Từ thông có thể diễn tả số đường sức từ xuyên qua một diện tích nào đó.

2. Đơn vị đo từ thông

Đơn vị của từ thông trong hệ SI là vêbe (weber), kí hiệu Wb.

Ta có: 1 Wb = 1 T.1 m².

II. HIỆN TƯỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ

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, 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 xuất 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.

2. Định luật Lenz

 Dịch chuyển cực Bắc của nam châm lại gần cuộn dây

 Dịch chuyển cực Bắc của nam châm ra xa cuộn dây

Nội dung định luật Lenz về chiều dòng điện cảm ứng: Dòng điện cảm ứng xuất hiện trong mạch kín có chiều sao cho từ trường do nó sinh ra có tác dụng chống lại sự biến thiên của từ thông qua mạch kín đó.

3. Định luật Faraday

Định luật Faraday về cảm ứng điện từ: Độ lớn của suất điện động cảm ứng trong mạch kín tỉ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông qua mạch.

Nếu trong khoảng thời gian \(\Delta t\) đủ nhỏ, từ thông qua mạch kín biến thiên một lượng \(\Delta\Phi\) thì \(\left|\dfrac{\Delta\Phi}{\Delta t}\right|\) là tốc độ biến thiên của từ thông. Vì vậy, định luật Faraday có thể viết:

\(\left|e_c\right|=k\left|\dfrac{\Delta\Phi}{\Delta t}\right|\)       (2)

Trong hệ SI, hệ số tỉ lệ \(k=1\). Nếu kể đến định luật Lenz thì công thức xác định suất điện động cảm ứng được viết dưới dạng:

\(e_c=-\dfrac{\Delta\Phi}{\Delta t}\)       (3)

Trong trường hợp mạch điện là một cuộn dây có $N$ vòng dây thì:

\(e_c=-N\dfrac{\Delta\Phi}{\Delta t}\)       (4)

Trong đó \(\Phi\) là từ thông qua diện tích giới hạn bởi một vòng dây.

III. VẬN DỤNG ĐỊNH LUẬT LENZ VÀ ĐỊNH LUẬT FARADAY

Suất điện động cảm ứng trong một đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường

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 \(\overrightarrow{B}\). 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 trong một đoạn dây chuyển động có độ lớn là: 

\(\left|e_c\right|=\left|\dfrac{\Delta\Phi}{\Delta t}\right|\)        (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 $v$ là tốc độ của đoạn dây.

Từ đó ta có:

 \(\left|e_c\right|=Blv\)          (6)

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

\(\left|e_c\right|=Blvsin\theta\)       (7)

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

1. Hãm chuyển động bằng điện từ

Đĩa kim loại dao động trong từ trường

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 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 diện động cảm ứng tạo ra dòng diện trong đĩa. Những dòng điện này được gọi là dòng điện xoáy hay 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 toả 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. 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.

Lõi của máy biến áp gồm nhiều lá thép silicon được ghép cách điện với nhau 

3. Hiện tượng cảm ứng giữa hai cuộn dây

Hai cuộn dây dẫn

Xét hai cuộn dây dẫn. Khi đóng khoá K, cường độ dòng điện trong 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 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 hiện tượng cảm ứng điện từ, khi cho nam châm rơi qua ống dây, từ thông qua ống dây kín biến thiên thì trong ống dây xuất hiện dòng điện cảm ứng. Sự xuất hiện của dòng điện cảm ứng chứng tỏ trong dây dẫn đã xuất hiện một điện trường, có chiều là chiều của dòng điện cảm ứng; đường sức của điện trường này là các đường cong kín. Điện trường có tính chất này là điện trường xoáy.

 Thí nghiệm xuất hiện điện trường xoáy khi nam châm rơi qua ống dây

James Clecrk Maxwell (Giêm Clót Mác-xoen) đã phân tích bản chất của hiện tượng trên và cho rằng: điện trường xoáy vẫn xuất hiện ngay cả khi không có ống dây và vai trò của các vòng dây giúp ta nhận biết điện trường ấy trong suốt thời gian từ thông biến thiên.

Từ đó, Maxwell kết luận: Trong vùng không gian có từ trường biến thiên theo thời gian thì trong vùng đó xuất hiện một điện trường xoáy.

Thí nghiệm với dòng điện xoay chiều qua tụ điện cho thấy điện trường biến thiên theo thời gian và làm xuất hiện từ trường. Khi một tụ điện đang tích điện hoặc phóng điện, do sự thay đổi điện tích trên các bản tụ điện nên giữa hai bản tụ điện có một điện trường biến thiên tương đương với một dòng điện được gọi là dòng điện dịch. Chính dòng điện này gây ra từ trường. Các đường sức của từ trường này bao quanh các đường sức của điện trường và luôn khép kín.

Điện trường biến thiên giữa hai bản tụ điện và từ trường do nó sinh ra (trường hợp tụ điện đang tích điện, điện trường đang tăng)

Maxwell đã đưa ra kết luận về mối liên quan chặt chẽ giữa điện trường biến thiên và từ trường biến thiên:

Từ trường biến thiên theo thời gian sinh ra trong không gian xung quanh một điện trường biến thiên theo thời gian; ngược lại, điện trường biến thiên theo thời gian cũng sinh ra một từ trường biến thiên theo thời gian trong không gian xung quanh.

Như vậy, hai trường biến thiên này cùng tồn tại trong không gian, có thể chuyển hoá lẫn nhau trong một trường thống nhất, gọi là điện từ trường.

Sự biến thiên của từ trường và điện trường bao gồm sự thay đổi về chiều và về độ lớn. Tuy nhiên, tại mỗi điểm trong không gian, vectơ cảm ứng từ \(\overrightarrow{B}\) luôn vuông góc với vectơ cường độ điện trường \(\overrightarrow{E}\).

2. Mô hình sóng điện từ

Nếu tại điểm O có một điện trường biến thiên \(\overrightarrow{E}\), thì theo Maxwell, tại vùng lân cận sẽ xuất hiện một từ trường biến thiên \(\overrightarrow{B_1}\). 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 \(\overrightarrow{B_3}\),... Cứ như thế điện trường và từ trường lan truyền trong không gian.

Quá trình lan truyền điện từ trường trong không gian được gọi là sóng điện từ.

Tại mỗi điểm trong không gian sóng điện từ truyền qua:

- Vectơ cường độ điện trường \(\overrightarrow{E}\) luôn vuông góc với vectơ cảm ứng từ \(\overrightarrow{B}\), cả hai vectơ này luôn vuông góc với phương truyền sóng. Do đó, sóng điện từ là sóng ngang.

- Cả \(\overrightarrow{E}\) và \(\overrightarrow{B}\) đều biến thiên điều hòa theo không gian và thời gian và luôn đồng pha.

 Sự lan truyền sóng điện từ

Sóng điện từ truyền được trong chân không.

Trong chân không, sóng điện từ có bước sóng \(\lambda\) là:

\(\lambda=cT=\dfrac{c}{f}\)

trong đó $c$ là tốc độ ánh sáng trong chân không, $T$ là chu kì của dao động điện từ, $f$ là tần số của sóng điện từ.

Trong quá trình lan truyền, sóng điện từ mang theo năng lượng. Sóng có tần số càng cao thì khả năng truyền càng xa. Sóng điện từ tuân theo quy luật truyền thẳng, phản xạ, khúc xạ, giao thoa và nhiễu xạ giống như sóng cơ.

1. Từ thông qua diện tích $S$:

\(\Phi=BScos\alpha\)

2. Suất điện động cảm ứng trong mạch điện kín:

\(e_c=-\dfrac{\Delta\Phi}{\Delta t}\)

3. Độ lớn suất điện động cảm ứng trong một đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường:

\(\left|e_c\right|=Blvsin\theta\)

4. Hiện tượng cảm ứng điện từ có nhiều ứng dụng như: hãm chuyển động bằng điện từ, chế tạo máy biến áp,...

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