Cảm ứng điện từ là hiện tượng xuất hiện dòng điện trong một mạch kín khi số đường sức từ xuyên qua mạch, tức từ thông, biến đổi theo thời gian. Hiện tượng này là nguyên lý của gần như mọi máy phát điện, từ đinamo xe đạp tới tổ máy của nhà máy thuỷ điện, và cũng là nguyên lý của bếp từ, máy biến áp, sạc không dây.
Nếu bài về lực từ cho thấy dòng điện trong từ trường sinh ra chuyển động, thì cảm ứng điện từ đi theo chiều ngược lại: chuyển động trong từ trường sinh ra dòng điện. Bài này giải thích thí nghiệm gốc, khái niệm từ thông, cách xác định chiều dòng cảm ứng bằng định luật Len-xơ, cách tính suất điện động cảm ứng với ví dụ đúng số, cấu tạo máy phát điện xoay chiều, dòng Fu-cô trong bếp từ, và cách học phần này cùng AI.
Thí nghiệm Pha-ra-đây: chuyển động sinh ra dòng điện
Năm 1831, nhà khoa học người Anh Michael Faraday (sách tiếng Việt viết Pha-ra-đây) công bố các thí nghiệm cho thấy có thể tạo ra dòng điện từ từ trường. Phiên bản quen thuộc trong lớp học: nối hai đầu một ống dây với một điện kế nhạy, rồi đưa một thanh nam châm vào trong lòng ống. Khi nam châm đang chuyển động vào, kim điện kế lệch; khi nam châm đứng yên trong ống, kim trở về số không; khi kéo nam châm ra, kim lệch theo chiều ngược lại.
Điều quan trọng ở đây không phải là có nam châm mà là có sự thay đổi. Nam châm mạnh mấy mà đứng yên cũng không tạo ra dòng điện. Giữ nam châm đứng yên và di chuyển ống dây cũng cho kết quả tương tự. Thay nam châm bằng một ống dây thứ hai có dòng điện, rồi đóng ngắt dòng điện đó, ống dây thứ nhất cũng xuất hiện dòng điện cảm ứng vào đúng lúc đóng và lúc ngắt.
Bạn có thể xem lại thí nghiệm qua mô phỏng hoặc video bài giảng. Ở phòng thí nghiệm của trường, bộ dụng cụ gồm ống dây, nam châm và điện kế là an toàn vì không dùng nguồn điện ngoài; dòng cảm ứng tạo ra rất nhỏ. Đây là một trong số ít thí nghiệm điện mà học sinh tự tay làm được với cảm giác rõ ràng nhất về quan hệ giữa chuyển động và dòng điện.
Từ thông và ba cách làm nó biến đổi
Để nói chính xác "sự thay đổi" là gì, vật lý dùng khái niệm từ thông. Với một mặt phẳng diện tích S đặt trong từ trường đều cảm ứng từ B, từ thông qua mặt đó là Φ = B × S × cos α, trong đó α là góc giữa đường sức từ và pháp tuyến của mặt (đường vuông góc với mặt). Đơn vị từ thông là vebe (Wb). Hình dung đơn giản: từ thông lớn khi nhiều đường sức xuyên thẳng qua mạch.
Từ công thức thấy ngay ba cách làm từ thông biến đổi. Một là thay đổi B, như đưa nam châm lại gần hay ra xa, hoặc đóng ngắt dòng điện trong cuộn dây bên cạnh. Hai là thay đổi diện tích S của mạch nằm trong từ trường, như kéo một thanh dẫn trượt trên hai thanh ray. Ba là thay đổi góc α, tức là quay khung dây trong từ trường. Cách thứ ba chính là nguyên lý của máy phát điện.
Khi α = 0°, mặt khung vuông góc với đường sức, cos α = 1 và từ thông lớn nhất. Khi α = 90°, mặt khung song song với đường sức, không đường sức nào xuyên qua, từ thông bằng không. Học sinh hay nhầm α là góc giữa đường sức và mặt khung, dẫn tới dùng sin thay cos. Khi kiểm lời giải, hãy hỏi lại: góc này đo giữa đường sức và cái gì?
Định luật Len-xơ: dòng cảm ứng luôn chống lại nguyên nhân sinh ra nó
Phát biểu. Dòng điện cảm ứng có chiều sao cho từ trường do nó sinh ra chống lại sự biến thiên của từ thông đã sinh ra nó. Từ thông đang tăng thì từ trường cảm ứng ngược chiều từ trường ngoài; từ thông đang giảm thì từ trường cảm ứng cùng chiều để bù lại.
Ví dụ đưa cực Bắc lại gần. Khi cực Bắc của nam châm tiến vào một đầu ống dây, đầu ống đó trở thành cực Bắc để đẩy nam châm ra. Biết đầu ống là cực Bắc, dùng quy tắc nắm tay phải cho ống dây là suy ra được chiều dòng điện trong các vòng dây.
Ví dụ kéo cực Bắc ra xa. Đầu ống gần nam châm trở thành cực Nam để hút nam châm lại. Lần nào dòng cảm ứng cũng "cản" chuyển động.
Vì sao phải như vậy. Nếu dòng cảm ứng giúp chuyển động thay vì cản, nam châm sẽ tự lao vào nhanh hơn, sinh dòng lớn hơn, lại lao nhanh hơn nữa, tức là tạo ra năng lượng từ không có gì. Điều đó vi phạm định luật bảo toàn năng lượng. Vì dòng cảm ứng luôn cản, muốn có điện bạn phải tốn công để thắng lực cản đó; công cơ học ấy chính là thứ được chuyển thành điện năng.
Cảm nhận được bằng tay. Đạp xe có bật đinamo nặng chân hơn tắt đinamo một chút. Khi đinamo cấp điện cho đèn, lực cản từ tăng lên, đúng như định luật Len-xơ dự đoán.
Suất điện động cảm ứng: tính độ lớn và thử thay số
Độ lớn suất điện động cảm ứng trong một cuộn dây N vòng là e = N × ΔΦ / Δt, với ΔΦ là độ biến thiên từ thông qua mỗi vòng trong thời gian Δt. Ví dụ gốc: cuộn dây 100 vòng, mỗi vòng diện tích 0,01 m², đặt vuông góc với đường sức; cảm ứng từ tăng đều từ 0 lên 0,2 T trong 0,1 s. Mỗi vòng có ΔΦ = 0,2 × 0,01 = 0,002 Wb, nên e = 100 × 0,002 / 0,1 = 2 V. Bảng dưới thay từng đại lượng để thấy quy luật.
| Thay đổi so với ví dụ gốc | Phép tính | Suất điện động e |
|---|---|---|
| Ví dụ gốc | 100 × 0,002 / 0,1 | 2 V |
| Biến đổi nhanh gấp đôi (Δt = 0,05 s) | 100 × 0,002 / 0,05 | 4 V |
| Số vòng gấp ba (300 vòng) | 300 × 0,002 / 0,1 | 6 V |
| B chỉ tăng tới 0,1 T | 100 × 0,001 / 0,1 | 1 V |
| Từ trường giữ nguyên 0,2 T, không đổi | ΔΦ = 0 | 0 V |
Dòng cuối là điểm mấu chốt: từ trường mạnh mà không đổi thì không có suất điện động cảm ứng. Nếu cuộn dây khép kín có điện trở R, cường độ dòng cảm ứng là I = e / R; ví dụ gốc với cuộn dây 4 Ω cho I = 2 / 4 = 0,5 A.
Một lỗi đơn vị hay gặp là để diện tích bằng cm². Khung 10 cm × 10 cm có S = 100 cm² = 0,01 m², không phải 100 m². Nhờ AI kiểm thì yêu cầu nó chỉ ra bước đổi đơn vị diện tích, không viết lại cả lời giải.
Máy phát điện xoay chiều và đinamo xe đạp
Máy phát điện xoay chiều gồm hai bộ phận chính: nam châm (hoặc nam châm điện) tạo từ trường và các cuộn dây nơi xuất hiện suất điện động cảm ứng. Một trong hai bộ phận quay, gọi là rôto; bộ phận đứng yên gọi là stato. Ở máy phát công suất lớn, thường nam châm điện quay bên trong còn các cuộn dây đứng yên ở vỏ ngoài, để lấy điện ra dễ hơn.
Khi rôto quay đều, góc α trong công thức từ thông thay đổi liên tục, từ thông qua cuộn dây tăng rồi giảm, đổi chiều theo chu kỳ. Suất điện động cảm ứng vì thế cũng đổi chiều theo chu kỳ, tạo ra dòng điện xoay chiều. Lưới điện ở Việt Nam có tần số 50 Hz, nghĩa là dòng điện đổi chiều qua lại năm mươi chu kỳ mỗi giây.
Nhà máy thuỷ điện dùng nước chảy quay tua-bin, nhà máy nhiệt điện dùng hơi nước nóng, trạm điện gió dùng sức gió; điểm chung là đều quay rôto của máy phát. Đinamo xe đạp là máy phát cỡ nhỏ: núm đinamo tì vào lốp xe, quay một nam châm nhỏ bên trong cuộn dây. Đạp càng nhanh, từ thông biến thiên càng nhanh, đèn càng sáng. Đây là thí nghiệm quan sát an toàn: lật ngược xe, quay bàn đạp bằng tay và nhìn đèn sáng mờ dần khi quay chậm lại.
Dòng Fu-cô, bếp từ và những ứng dụng ít ai để ý
Cảm ứng điện từ không chỉ xảy ra trong cuộn dây. Khi một khối kim loại nằm trong từ trường biến thiên, trong khối xuất hiện các dòng điện cảm ứng chạy vòng, gọi là dòng Fu-cô (dòng điện xoáy). Chúng toả nhiệt theo định luật Jun – Len-xơ và gây lực cản theo định luật Len-xơ.
- Bếp từ: dưới mặt kính là cuộn dây có dòng xoay chiều tần số cao, tạo từ trường biến thiên nhanh. Đáy nồi bằng vật liệu sắt từ sinh dòng Fu-cô và nóng lên; mặt kính tự nó không nóng lên vì cảm ứng, chỉ ấm do nhận nhiệt từ đáy nồi. Nồi nhôm hay thuỷ tinh thường không dùng được nếu đáy không có lớp sắt từ.
- Phanh điện từ: một số tàu, xe và máy tập dùng dòng Fu-cô trong đĩa kim loại quay giữa nam châm để tạo lực hãm mà không cần má phanh cọ xát.
- Lõi máy biến áp ghép lá mỏng: dòng Fu-cô trong lõi sắt là hao phí, nên người ta ghép lõi từ nhiều lá thép mỏng cách điện để chặn đường đi của dòng xoáy.
- Thiết bị chống dòng rò: lõi từ ôm cả dây pha và dây trung tính; khi hai dòng lệch nhau, từ thông trong lõi khác không và cảm ứng ra tín hiệu để ngắt mạch.
- Sạc không dây: cuộn dây trong đế sạc tạo từ trường biến thiên, cuộn dây trong điện thoại nhận suất điện động cảm ứng.
- Câu lệnh mẫu: "Chọn một ứng dụng trong danh sách này, giải thích cho học sinh lớp 12 bằng ba câu, rồi hỏi em hai câu về định luật Len-xơ liên quan. Chưa cho đáp án."
Mỗi ứng dụng trên đều có thể kiểm lại bằng câu hỏi "từ thông nào đang biến thiên, qua mạch nào". Nếu lời giải thích của AI không trả lời được câu đó, nó đang mô tả bề mặt mà chưa chạm tới nguyên lý.
Câu hỏi thường gặp
Điều kiện để xuất hiện dòng điện cảm ứng là gì?
Mạch phải kín và từ thông qua mạch phải biến thiên theo thời gian. Từ trường mạnh nhưng không đổi, mạch đứng yên, thì không có dòng cảm ứng. Từ thông có thể biến thiên do cảm ứng từ thay đổi, diện tích mạch thay đổi hoặc góc giữa mạch và đường sức thay đổi.
Định luật Len-xơ có liên quan gì tới bảo toàn năng lượng?
Dòng cảm ứng luôn chống lại nguyên nhân sinh ra nó, nên muốn có điện phải tốn công thắng lực cản. Nếu dòng cảm ứng lại giúp chuyển động, hệ sẽ tự tăng tốc và tạo ra năng lượng từ không có gì, trái với định luật bảo toàn năng lượng.
Vì sao đinamo xe đạp đạp nhanh thì đèn sáng hơn?
Đạp nhanh làm nam châm trong đinamo quay nhanh, từ thông qua cuộn dây biến thiên nhanh hơn, nên suất điện động cảm ứng lớn hơn và dòng điện qua đèn lớn hơn. Đổi lại, người đạp phải tốn sức hơn một chút vì lực cản từ tăng.
Vì sao bếp từ không làm nóng được nồi nhôm thường?
Bếp từ làm nóng nồi bằng dòng Fu-cô sinh ra trong đáy nồi khi đặt trong từ trường biến thiên. Đáy nồi bằng vật liệu sắt từ sinh nhiệt hiệu quả, còn nhôm, đồng, thuỷ tinh thường không đáp ứng được. Nhiều nồi nhôm hiện nay có lớp đáy sắt từ để dùng được trên bếp từ.
Góc α trong công thức từ thông đo giữa hai đường nào?
Góc α đo giữa đường sức từ và pháp tuyến của mặt khung, tức đường vuông góc với mặt khung. Khi mặt khung vuông góc với đường sức thì α bằng không và từ thông lớn nhất. Nhầm sang góc giữa đường sức và mặt khung sẽ dẫn tới dùng sin thay cos.
Học sinh có thể tự làm thí nghiệm cảm ứng điện từ không?
Có, với bộ ống dây, nam châm và điện kế ở phòng thí nghiệm của trường, vì không dùng nguồn điện ngoài và dòng cảm ứng rất nhỏ. Quan sát đinamo xe đạp cũng an toàn. Không tháo mở máy phát điện, động cơ hay bếp từ của gia đình để xem bên trong.