Hiện tượng cảm ứng điện từ là gì? Nguyên lý và ứng dụng

Định nghĩa hiện tượng cảm ứng điện từ là gì?

Hiện tượng cảm ứng điện từ là hiện tượng hình thành suất điện động trên một vật dẫn khi vật dẫn đó được đặt trong một từ trường biến thiên. Hiểu một cách đơn giản hơn, khi số đường sức từ xuyên qua tiết diện của một cuộn dây biến thiên, trong cuộn dây xuất hiện dòng điện gọi là dòng điện cảm ứng. Hiện tượng xuất hiện dòng điện cảm ứng gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ.

Hiện tượng này được phát hiện bởi nhà khoa học người Anh Michael Faraday vào năm 1831. Faraday đã thực hiện thí nghiệm với một cuộn dây kín và một nam châm. Khi nam châm di chuyển lại gần hoặc ra xa cuộn dây, một dòng điện cảm ứng sẽ xuất hiện trong cuộn dây.

Hiện tượng cảm ứng điện từ xảy ra khi từ thông qua mạch kín biến thiên. Mạch kín là mạch điện có điểm đầu và điểm cuối nối với nhau.

Sơ đồ thí nghiệm Faraday

Ví dụ về hiện tượng cảm ứng điện từ

- Làm thí nghiệm, đưa một cực của nam châm lại gần cuộn dây dẫn thì kim điện kế bị lệch đi, chứng tỏ trong cuộn dây xuất hiện dòng điện. Hiện tượng xuất hiện dòng điện như trên gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ.

- Máy phát điện là một thiết bị tạo ra dòng điện xoay chiều dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Khi một cuộn dây dẫn điện được đặt trong từ trường biến thiên, thì trong cuộn dây sẽ xuất hiện dòng điện cảm ứng. Dòng điện này được dẫn ra ngoài để sử dụng.

- Máy biến áp là một thiết bị biến đổi điện áp dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Khi một cuộn dây dẫn điện được đặt trong từ trường biến thiên do cuộn dây dẫn điện khác tạo ra, thì trong cuộn dây thứ cấp sẽ xuất hiện dòng điện cảm ứng. Dòng điện này có điện áp khác với điện áp của cuộn dây sơ cấp.

- Động cơ điện là một thiết bị biến đổi điện năng thành cơ năng dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Khi một cuộn dây dẫn điện được đặt trong từ trường biến thiên, thì trong cuộn dây sẽ xuất hiện dòng điện cảm ứng. Dòng điện này tạo ra lực điện từ tác dụng lên dây dẫn, làm cho dây dẫn chuyển động.

Nguyên lý của hiện tượng cảm ứng điện từ

Suất điện động cảm ứng xuất hiện trong một mạch kín tỉ lệ thuận với tốc độ biến thiên của từ thông qua mạch đó. 

Trong đó:

- Suất điện động cảm ứng là suất điện động sinh ra do hiện tượng cảm ứng điện từ.

- Từ thông là đại lượng đặc trưng cho số đường sức từ xuyên qua một diện tích nhất định.

Giả sử một cuộn dây dẫn điện có N vòng được đặt trong một từ trường biến thiên. Khi từ trường biến thiên, số đường sức từ xuyên qua cuộn dây cũng biến thiên. Điều này dẫn đến từ thông Φ qua cuộn dây cũng biến thiên.

Theo định luật Faraday, công thức tính suất điện động cảm ứng là:

$-N.\frac{ \Delta \Theta}{\Delta t}$

Trong đó:

e là suất điện động cảm ứng (V)
N là số vòng dây của mạch kín
$\Theta$ là từ thông qua mạch (Wb)
$\frac{ \Delta \Theta}{\Delta t}$ là tốc độ biến thiên của từ thông qua mạch (Wb/s)

- Chỉ số "-" ở trước suất điện động cảm ứng e_c cho thấy suất điện động cảm ứng có chiều ngược với chiều biến thiên của từ thông.

- Phương trình cũng cho thấy suất điện động cảm ứng xuất hiện trong mạch kín tỉ lệ thuận với tốc độ biến thiên của từ thông qua mạch đó. Nếu tốc độ biến thiên của từ thông càng lớn thì suất điện động cảm ứng xuất hiện càng lớn.

- Phương trình này cũng cho thấy, suất điện động cảm ứng xuất hiện trong mạch kín tỉ lệ nghịch với khoảng thời gian biến thiên của từ thông qua mạch đó. Nếu khoảng thời gian biến thiên của từ thông càng nhỏ thì suất điện động cảm ứng xuất hiện càng lớn.

Các yếu tố ảnh hưởng đến hiện tượng cảm ứng điện từ

Các yếu tố ảnh hưởng đến hiện tượng cảm ứng điện từ bao gồm:

- Từ thông qua mạch: Từ thông qua mạch càng lớn thì suất điện động cảm ứng xuất hiện càng lớn.

- Tốc độ biến thiên của từ thông qua mạch: Tốc độ biến thiên của từ thông qua mạch càng lớn thì suất điện động cảm ứng xuất hiện càng lớn.

- Diện tích của mặt phẳng giới hạn bởi mạch: Diện tích của mặt phẳng giới hạn bởi mạch càng lớn thì suất điện động cảm ứng xuất hiện càng lớn.

Ứng dụng của hiện tượng cảm ứng điện từ

Ứng dụng trong sản xuất máy phát điện

Máy phát điện là thiết bị tạo ra dòng điện xoay chiều dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Khi cuộn dây dẫn điện được đặt trong từ trường biến thiên thì trong cuộn dây sẽ xuất hiện dòng điện cảm ứng.

Ứng dụng trong sản xuất máy biến áp

Máy biến áp là thiết bị biến đổi điện áp dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Khi một cuộn dây dẫn điện được đặt trong từ trường biến thiên do cuộn dây dẫn điện khác tạo ra thì trong cuộn dây thứ cấp sẽ xuất hiện dòng điện cảm ứng.

Ứng dụng trong chế tạo động cơ điện

Động cơ điện là thiết bị biến đổi điện năng thành cơ năng dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Khi cuộn dây dẫn điện được đặt trong từ trường biến thiên thì trong cuộn dây sẽ xuất hiện dòng điện cảm ứng. Dòng điện này tạo ra lực điện từ tác dụng lên dây dẫn, làm cho dây dẫn chuyển động.

Ứng dụng trong y tế

Hiện tượng cảm ứng điện từ được ứng dụng trong y tế để tạo ra dòng điện cao tần, dùng trong các thiết bị như máy điện xung, máy điện châm cứu,...

Ứng dụng trong công nghiệp

Hiện tượng cảm ứng điện từ được ứng dụng trong công nghiệp để tạo ra dòng điện, dùng trong các thiết bị như máy hàn điện, máy cắt điện,...