Trong lĩnh vực vật lý điện từ định luật cảm ứng điện từ mở ra kỷ nguyên mới cho sự phát triển của động cơ điện, máy phát điện, cảm biến hiện đại. Là nền tảng cho việc biến đổi năng lượng cơ học thành điện và ngược lại. Bài viết sẽ giải thích chi tiết về nguyên lý, nội dung cùng ứng dụng thực tế cũng như những ví dụ minh họa để bạn hiểu rõ hơn về định luật cảm ứng điện từ.
Nguyên lý cơ bản của định luật cảm ứng điện từ
Định luật cảm ứng điện từ phát biểu rằng khi từ thông qua một mạch điện kín thay đổi theo thời gian, một suất điện động cảm ứng sẽ xuất hiện trong mạch để chống lại sự thay đổi đó. Là đặc điểm cơ bản của điện từ trường giúp ta hiểu được tại sao nam châm chuyển động gần cuộn dây lại sinh ra dòng điện.
Khái niệm từ thông mô tả mức độ đường sức từ đi qua mặt diện tích của mạch. Khi mạch kín tương tác với từ trường động từ thông thay đổi tạo ra sức điện động cảm ứng. Chính là cơ chế để hình thành dòng điện mà không cần nguồn pin hay acquy bên ngoài.
Nội dung định luật cảm ứng
Nội dung quan trọng của định luật cảm ứng điện từ là suất điện động cảm ứng luôn có hướng để chống lại nguyên nhân gây ra nó. Nếu từ thông tăng suất điện động sinh ra sẽ chống lại sự tăng đó. Nếu từ thông giảm suất điện động sinh ra sẽ chống lại sự giảm. Chính là phần quan trọng nhất để duy trì tính cân bằng năng lượng trong hệ thống điện từ.
Lực điện động sinh ra tỷ lệ với tốc độ thay đổi của từ thông. Nếu từ thông tăng nhanh thì suất điện động lớn tức dòng điện cảm ứng mạnh hơn. Nếu mạch có điện trở nhỏ dòng điện lớn hơn với suất điện động chống lại càng mạnh.
Ví dụ minh họa đơn giản
Một ví dụ phổ biến là khi đưa một nam châm lại gần cuộn dây kín. Dòng sức từ vươn vào cuộn dây tăng nhanh với suất điện động xuất hiện để sinh dòng điện. Nếu ta đưa nam châm ra từ trường giảm dẫn đến suất điện động xuất hiện theo chiều ngược lại. Là cách phát hiện sự tồn tại của dòng điện cảm ứng.
Một ví dụ khác là khi máy phát điện quay tua bin. Một khung dây quay trong từ trường sinh ra dòng điện xoay chiều theo định luật cảm ứng. Tần số của dòng điện phụ thuộc vào tốc độ quay và số vòng dây.
Công thức biểu diễn
Mặc dù không dùng ký hiệu ở đây nội dung cần nhớ là suất điện động sinh ra tỉ lệ với tốc độ biến thiên từ thông. Từ thông thay đổi nhanh tức là suất điện động lớn. Là nền tảng toán học cho các thiết kế cuộn dây trong động cơ và máy biến áp.
Ứng dụng trong đời sống và công nghiệp
Máy phát điện với động cơ điện dùng định luật cảm ứng để hoạt động. Máy phát điện biến năng cơ thành năng lượng điện nhờ chuyển động của khung dây hoặc nam châm. Động cơ điện thì ngược lại dùng dòng điện để tạo ra từ trường quay khớp nối truyền động cơ học.
Máy biến áp là thiết bị không thể thiếu trong hệ thống điện lưới. Dựa trên cảm ứng điện từ để truyền đổi điện áp. Khi dòng điện xoay chiều đi qua cuộn sơ cấp từ trường biến đổi sinh suất điện động trong cuộn thứ cấp. Nhờ kích thước với số vòng cuộn dây mà máy biến áp điều chỉnh được điện áp theo mục đích.
Các cảm biến đo tốc độ, lực, vị trí cũng tận dụng luật cảm ứng điện từ. Một bánh răng quay có thể sinh ra tín hiệu điện với tần số tương ứng tốc độ. Một nam châm gắn trên trục xoay hoạt động cùng cuộn dây để tạo tín hiệu đo tốc độ quay.
Ưu điểm hạn chế
Ưu điểm lớn là định luật cảm ứng điện từ cho phép chuyển đổi năng lượng không tiếp xúc. Không cần pin vẫn có điện tạo ra. Chính vì vậy các thiết bị có thể hoạt động mãi nếu có năng lượng cơ học.
Tuy nhiên hiệu quả của chuyển đổi phụ thuộc vào tốc độ thay đổi từ trường cùng thiết kế mạch điện. Cuộn dây có điện trở lớn hoặc tốc độ biến đổi nhỏ sẽ cho công suất điện nhỏ. Hai vấn đề hao điện với hiệu suất cần được tính toán kỹ khi thiết kế động cơ hoặc máy phát.
Thí nghiệm và bài tập phổ biến
Để hiểu rõ định luật học sinh thường dùng thí nghiệm đơn giản. Cuộn dây nối với bóng đèn nhỏ sử dụng nam châm để tác động. Khi nam châm chuyển động nhanh đèn sáng rõ. Khi chuyển động chậm đèn sáng yếu. Là minh chứng trực quan về lực cảm ứng tỷ lệ với tốc độ biến thiên từ trường.
Bài tập lý thuyết thường yêu cầu tính suất điện động trong cuộn dây có số vòng dây xác định, diện tích tiết diện, tốc độ thay đổi từ trường hay tốc độ quay. Khi hiểu nội dung này học sinh sinh viên có thể áp dụng để tính toán trong các bài tập vật lý kỹ thuật.
Vai trò trong phát triển khoa học kỹ thuật
Định luật cảm ứng điện từ mở ra kỷ nguyên công nghiệp điện. Các thiết bị từ thập kỷ 1800 đến nay dựa hoàn toàn vào nguyên lý này. Công nghệ điện, điện tử, động cơ, cảm biến, hệ thống sưởi điện từ, nồi cơm điện từ… tất cả đều xây dựng dựa trên cảm ứng điện từ.
Trong nghiên cứu vật lý hiện đại hiện tượng cảm ứng điện từ mở ra lý thuyết trường điện từ thay vì trường tĩnh. Góp phần mở đường cho thuyết tương đối, điện từ học, lý thuyết sóng điện từ.
Định luật cảm ứng điện từ là một phát minh vĩ đại gắn liền với nhiều cuộc cách mạng khoa học công nghệ. Chứng tỏ được tài năng của những nhà vật lý đầu tiên tạo ra nền tảng cho ngành điện tử kỹ thuật hiện đại ngày nay.
Nếu bạn nghiên cứu vật lý hay kỹ thuật thì hiểu rõ với vận dụng tốt định luật này là điều cần thiết. Trong công việc chuyên môn từ tính toán thiết bị cho đến cải tiến hiệu suất định luật cảm ứng điện từ là công cụ mạnh mẽ để bạn tạo ra giá trị đổi mới ứng dụng trong thực tế.