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 \(\alpha\).

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

Kí hiệu: \(\Phi\) 

Biểu thức: \(\Phi=BScos\alpha\).

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

Khi từ thông qua một cuộn dây kín thay đổi, trong cuộn dây sẽ xuất hiện dòng điện cảm ứng. Hiện tượng này được gọi là cảm ứng điện từ.

Dòng điện cảm ứng chỉ tồn tại trong khoảng thời gian từ thông 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

Định luật Lenz: Chiều của dòng điện cảm ứng có chiều sao cho từ trường do nó tạo ra chống lại sự thay đổi của từ thông qua mạch kín gây ra nó.

3. Định luật Faraday

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

\(e_{c}=-N\dfrac{\Delta\Phi}{\Delta t}\)

Với \(\left|\dfrac{\Delta\Phi}{\Delta t}\right|\) là tốc độ biến thiên của từ thông, $N$ là số 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

Khi đoạn dây MN chuyển động trên hai thanh kim loại trong từ trường đều \(\overset{\rightarrow}{B}\), kim điện kế lệch, chứng tỏ có suất điện động cảm ứng và dòng điện xuất hiện trong mạch.
Khi MN dừng lại, kim điện kế trở về vạch số 0, cho thấy suất điện động chỉ xuất hiện khi dây chuyển động.

→ Dây MN chuyển động đóng vai trò như một nguồn điện, còn hai thanh kim loại chỉ là dây nối tạo mạch.
Ngay cả khi dây MN không nối mạch, nhưng nếu chuyển động cắt các đường sức từ, thì suất điện động cảm ứng vẫn xuất hiện trong nó.

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

+ Khi \(\overrightarrow{v}\) và \(\overrightarrow{B}\) cùng vuông góc với đoạn dây chuyển động, đồng thời \(\overrightarrow{v}\) vuông góc với \(\overrightarrow{B}\) thì

\(\Delta\Phi=B\Delta S=B\left(lv\Delta t\right)\)

 \(\rarr\left|e_{c}\right|=Blv\) 

+ 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:

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

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

Khi đĩa kim loại dao động trong từ trường, nó cắt các đường sức từ, làm xuất hiện suất điện động cảm ứng, từ đó sinh ra dòng điện xoáy (dòng Foucault) trong đĩa.

Theo định luật Lenz, các dòng điện này sinh ra lực cản chuyển động, khiến dao động của đĩa tắt dần nhanh hơn.

Hiện tượng này được ứng dụng trong thực tế để hãm chuyển động:

- Trong cân nhạy, giúp kim cân dừng nhanh hơn.

- Trong phanh điện từ ở xe tải lớn hoặc tàu hỏa, dòng điện xoáy sinh ra khi phanh giúp giảm tốc độ mà không cần ma sát, nhờ đó hạn chế mài mòn cơ học.

2. Làm giảm tác hại của dòng điện xoáy

Trong các thiết bị điện có ống dây có dòng điện xoay chiều, lõi sắt được dùng để tăng cường từ trường. Tuy nhiên, dòng điện xoay chiều tạo ra dòng điện xoáy trong lõi sắt, gây tác hại:

- Làm nóng lõi, có thể gây hư hỏng thiết bị.

- Tạo từ trường ngược, cản trở hoạt động máy (giảm công suất động cơ).

Cách khắc phục:
Người ta không dùng lõi liền khối, mà ghép các lá thép silicon mỏng, có phủ lớp cách điện và xếp song song với đường sức từ → giúp giảm cường độ dòng điện xoáy hiệu quả.

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

Khi dòng điện trong cuộn dây A thay đổi, từ trường của nó cũng thay đổi, làm từ thông qua cuộn dây B biến đổi, gây ra suất điện động cảm ứng trong cuộn B. Nếu B tạo thành mạch kín, sẽ có dòng điện cảm ứng, với chiều xác định theo định luật Lenz.

Suất điện động cảm ứng ở B chỉ xuất hiện khi dòng điện trong A thay đổi. Nếu A được cấp dòng xoay chiều, thì suất điện động cảm ứng ở B sẽ xuất hiện liên tục.

Hiện tượng này được ứng dụng trong máy biến áp, một thiết bị quan trọng trong sản xuất và đời sống.

V. MÔ HÌNH SÓNG ĐIỆN TỪ

1. Điện trường biến thiên và từ trường biến thiên

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: Khi tụ điện tích hoặc phóng điện, điện tích thay đổi, tạo ra một điện trường biến thiên, tương đương với dòng điện dịch. Dòng điện dịch này gây ra từ trường có các đường sức khép kín bao quanh điện trường.

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)

Từ trường biến thiên sinh ra điện trường biến thiên xung quanh và ngược lại, điện trường biến thiên cũng tạo ra từ trường biến thiên. Hai trường này cùng tồn tại, chuyển hóa lẫn nhau, tạo thành một trường thống nhất gọi là điện từ trường.

Tại mỗi điểm trong không gian, vectơ cảm ứng từ \(\overset{\rightarrow}{B}\) luôn vuông góc với vectơ cường độ điện trường \(\overset{\rightarrow}{E}\).

2. Mô hình sóng điện từ

- Theo Maxwell, khi tại một điểm có điện trường biến thiên \(\overset{\rightarrow}{E}\), thì vùng lân cận xuất hiện từ trường biến thiên \(\overset{\rightarrow}{B_{1}}\).
- Sự xuất hiện của \(\overset{\rightarrow}{B_{1}}\) lại tạo ra một điện trường mới \(\overset{\rightarrow}{E_{2}}\), rồi tiếp tục sinh ra \(\overset{\rightarrow}{B_{3}}\), và cứ thế điện trường và từ trường biến thiên liên tục tạo thành một quá trình lan truyền.

\(\rarr\) Quá trình này gọi là sóng điện từ – sự lan truyền của điện từ trường trong không gian.

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

- Vectơ \(\overset{\rightarrow}{E}\) vuông góc với vectơ \(\overset{\rightarrow}{B}\). Cả hai đều 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 \(\lambda\) được xác định bởi công thức:

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

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

Tính chất của sóng điện từ:

- Mang theo năng lượng khi lan truyền.

- Tần số càng cao, khả năng truyền đi càng xa.

- Sóng điện từ tuân theo các hiện tượng như: truyền thẳng, phản xạ, khúc xạ, giao thoa, nhiễu xạ,...