Trong thế giới hiện đại, hầu hết mọi thiết bị từ máy phát điện, biến áp đến động cơ đều vận hành dựa trên sức mạnh của điện từ. Mà trung tâm của điều này đó chính là hiện tượng cảm ứng điện từ, được Micheal Faraday phát hiện vào năm 1831 - là nền tảng lý thuyết giúp cho chúng ta hiểu cách từ trường chuyển hóa thành dòng điện. Trong bài viết dưới đây, Bảo An sẽ giúp bạn khám phá được khái niệm, cơ chế vật lý và các ví dụ minh họa để bạn nắm rõ và ứng dụng hiện tượng này vào thực tế.
Hiện tượng cảm ứng điện từ là gì? Hiện tượng cảm ứng điện từ là hiện tượng xuất hiện một suất điện động, và thường là một dòng điện cảm ứng ở bên trong mạch kín, khi có sự biến thiên từ thông xuyên qua mạch đó.
Diễn giải theo một cách khác, dòng điện cảm ứng chỉ xuất hiện khi từ thông qua mạch kín thay đổi, và điều này xảy ra trong thời gian mạch chịu sự biến thiên của từ trường.
Hình 1: Khái niệm hiện tượng cảm ứng điện từ
2. Cơ sở vật lý của hiện tượng cảm ứng điện từ
2.1. Từ thông (Φ)
- Khái niệm: Từ thông là đại lượng biểu diễn số lượng đường sức từ đi qua một mặt diện tích xác định. Khi có càng nhiều đường sức từ đi qua thì từ thông càng lớn.
- Công thức tính: Từ thông được xác định bằng công thức như sau:
Φ = B.S.cosθ
Trong đó:
- B: cảm ứng từ (đơn vị là Tesla - T)
- S: điện tích (đơn vị m2)
- θ: góc giữa vector B và pháp tuyến của mặt diện tích S
- Đơn vị của từ thông là Weber (Wb), tương ứng với volt.giây (V.s)
Ví dụ cụ thể: Một nam châm đặt gần một đĩa kim loại phẳng (hình tròn) có bán kính 5cm, từ trường B = 8,9 T vuông góc với đĩa.
Từ thông của đường sức từ đi qua mặt đĩa trên được tính như sau: Φ = B.S.cosθ = 8.9T x π x (0,05m)2 ~ 1,4.10-2 Wb
2.2. Định luật Faraday về cảm ứng điện từ
- Nội dung định luật Faraday: Khi từ thông thay đổi theo thời gian, trong mạch kín sẽ sinh ra một suất điện động cảm ứng (EMF), tạo nên dòng điện.
- Biểu thức của định luật Faraday: ε = -dΦ/dt, trong đó
- ε: suất điện động cảm ứng trong mạch kín
- dΦ, dt: lần lượt là độ biến thiên của từ thông và sự thay đổi của thời gian.
Trong trường hợp cuộn dây có N vòng, hiệu điện thế cảm ứng là: ε = -N.dΦ/dt
Dấu âm thể hiện "phản hồi âm" từ biến thiên của từ thông.
2.3. Định luật Lenz
- Ý nghĩa: Dòng điện cảm ứng sinh ra sẽ có chiều sao cho từ trường do chính nó tạo ra chống lại nguyên nhân gây ra sự thay đổi từ thông (tăng thì chống tăng, giảm thì chống giảm)
- Đây là cơ chế nhằm bảo toàn năng lượng. Nếu không, khi dòng điện sinh ra sẽ tạo ra năng lượng "miễn phí" và do đó không đúng với định luật bảo toàn năng lượng.
3. Các cách tạo ra cảm ứng điện từ & ví dụ dễ hiểu
3.1. Di chuyển nam châm lại gần hoặc ra xa cuộn dây
- Cơ chế: Khi nam châm được đưa đến gần hoặc rút ra khỏi cuộn dây kín, từ thông xuyên qua cuộn dây sẽ thay đổi, từ đó sinh ra xuất điện động và xuất hiện dòng điện cảm ứng.
- Ví dụ thực tế:
-
Thí nghiệm của Faraday: Dùng nam châm và cuộn dây nối với galvanometer; mỗi khi chuyển động, kim trên thiết bị dao động ngay lập tức.
-
Đèn LED sáng lên: Lắc nam châm qua cuộn dây sẽ tạo đủ suất điện cảm ứng để làm sáng một LED nhỏ
3.2. Quay cuộn dây trong từ trường đều
- Cơ chế: Khi cuộn dây quay trong từ trường không đổi, góc và do đó từ thông xuyên qua biến thiên liên tục sinh ra dòng điện xoay chiều theo định luật Faraday.
- Ví dụ thực tế:
- Máy phát điện: Hầu hết máy phát trong nhà máy điện sử dụng nguyên tắc này, cuộn dây quay trong từ trường tạo thành điện xoay chiều.
- Bicycle dynamo: Nam châm nhỏ quay khi bánh xe chuyển động, tạo ra dòng điện cấp cho đèn xe đạp.
3.3. Thay đổi cường độ từ trường xuyên qua mạch kín
- Cơ chế: Thay đổi dòng điện xoay chiều trong cuộn sơ cấp (máy biến áp, sạc không dây) tạo ra từ trường biến thiên tạo ra suất điện động cảm ứng trong cuộn thứ cấp
- Ví dụ minh họa:
- Biến áp: Dòng điện biến thiên ở cuộn sơ cấp tạo từ trường biến thiên truyền qua lõi, cảm ứng vào cuộn thứ cấp để thay đổi điện áp.
- Bếp từ (induction hob): Cuộn dây dưới mặt bếp phát ra từ trường biến thiên, sinh dòng xoáy (eddy currents) trong đáy nồi, sinh nhiệt trực tiếp.
- Sạc không dây & RFID: Sóng RF từ đầu đọc tạo từ trường biến thiên → cảm ứng vào ăng-ten thẻ/thông tin để cấp điện và truyền dữ liệu.
4. Ứng dụng thực tế của hiện tượng cảm ứng điện từ
4.1. Máy phát điện, động cơ điện và máy biến áp
- Máy phát điện (generators): Chuyển hóa cơ năng thành điện năng bằng cách quay cuộn dây trong từ trường, tạo ra suất điện động xoay chiều theo định luật Faraday.
- Động cơ điện: Hoạt động theo chiều ngược lại – dùng dòng điện trong cuộn dây để sinh từ trường, tạo mô-men quay nhờ cảm ứng điện từ.
- Biến áp (transformer): Dùng nguyên tắc cảm ứng điện từ để truyền năng lượng giữa hai cuộn dây, điều chỉnh điện áp (lên hoặc xuống) mà không cần kết nối điện trực tiếp.
4.2. Sạc không dây & RFID
- Sạc không dây (wireless charging): Dùng cảm ứng cộng hưởng giữa cuộn dây trong sạc và thiết bị – phổ biến ở điện thoại, bàn chải điện, xe điện, cho phép truyền điện không cần dây cắm.
- Thẻ RFID/ thẻ từ: Khi đưa qua đầu đọc, trường RF biến thiên tạo dòng cảm ứng trong cuộn của thẻ, cấp điện để chip hoạt động và phản hồi thông tin.
4.3. Bếp điện từ và hia nhiệt cảm ứng
- Bếp điện từ (induction hob): Dòng điện xoay chiều trong cuộn bếp tạo từ trường biến thiên → sinh dòng xoáy trong đáy nồi kim loại → sinh nhiệt nhanh, hiệu quả cao.
- Gia nhiệt cảm ứng (induction heating): Trong công nghiệp dùng để hàn, nấu chảy, brazing nhờ hiện tượng tương tự trên các kim loại.
4.4. Cảm biến tiệm cận & khóa từ
- Cảm biến tiệm cận: Dùng cuộn cảm và từ trường để phát hiện kim loại hoặc vật dẫn gần đó (thiết bị đóng/mở, tự động hóa).
- Khóa từ: Sử dụng từ trường và cảm ứng điện từ để cho phép hoặc ngăn chặn động cơ trong hệ thống an ninh, thường hay gặp ở thang máy, cửa từ.
4.5. Thiết bị y tế: MRI (chụp cộng hưởng từ)
- MRI: Tận dụng cảm ứng điện từ với từ trường mạnh và sóng RF để kích thích proton trong cơ thể, thu tín hiệu cảm ứng từ các coil – tạo ra ảnh chi tiết cấu trúc mô mềm, không dùng tia X.
Hình 2: Ứng dụng thực tế của cảm ứng điện từ
5. Phân biệt cảm ứng điện từ với các hiện tượng điện từ khác
5.1. Khác biệt với từ trường sinh ra bởi dòng điện
- Từ trường sinh ra bởi dòng điện là hiện tượng khi dòng điện chạy qua dây dẫn, tạo ra một từ trường tĩnh xung quanh dây; cường độ phụ thuộc trực tiếp vào giá trị dòng điện (định luật Ampère - Biot - Savart)
- Trong khi đó, cảm ứng điện từ là hiện tượng ngược lại: từ trường biến thiên tạo ra suất điện động trong mạch (định luật Faraday), thường dẫn đến dòng điện cảm ứng.
- Tổng kết:
- Dòng điện → từ trường (định luật Ampère).
- Từ trường biến thiên → dòng điện (định luật Faraday).
5.2. Phân biệt với hiện tượng điện trường biến thiên sinh ra từ trường (sóng điện từ)
- Theo phương trình Maxwell–Faraday, một từ trường thay đổi theo thời gian tạo ra không chỉ điện trường mà còn là nguồn của sóng điện từ.
- Cảm ứng điện từ thường dừng ở việc sinh suất điện động trong vòng dây kín. Ngược lại, trong sóng điện từ, điện và từ trường tương hỗ biến thiên liên tục rồi truyền trong môi trường tự do dưới dạng sóng, vd như: sóng radio, sóng ánh sáng
- Tóm lại:
- Cảm ứng điện từ: Dòng điện cảm ứng xuất hiện trong mạch kín do từ thông biến thiên.
- Sóng điện từ: Điện và từ trường biến thiên lan truyền mà không cần mạch kín, theo phương trình Maxwell với đều đổi giữa hai trường.
Kết luận: Hiện tượng cảm ứng điện từ là quá trình khi từ trường biến đổi xuyên qua mạch kín sẽ sinh ra một suất điện động, từ đó tạo ra dòng điện cảm ứng, ây là nền tảng giúp ta chuyển hóa cơ năng và từ trường thành điện năng một cách hiệu quả. Phát hiện của Faraday không chỉ mở đầu cho kỷ nguyên của máy phát điện, biến áp, động cơ điện, mà còn hiện diện trong các tiện ích như bếp từ, sạc không dây, thẻ từ/RFID, và cả những công nghệ y tế tiên tiến như MRI. Nhờ cơ chế này, thế giới không chỉ có thể hiện đại hóa hệ thống truyền tải và phân phối điện, mà còn cải thiện chất lượng cuộc sống, ừ việc nấu ăn tiện lợi, sạc thiết bị không dây đến chẩn đoán sức khỏe không xâm lấn. Nói tóm lại, cảm ứng điện từ là “trái tim” của kỹ thuật điện hiện đại, và sẽ tiếp tục kiến tạo nền tảng cho những tiến bộ công nghệ tương lai.
Câu hỏi thường gặp (FAQ)
FAQ 1: Hiện tượng cảm ứng điện từ là gì và vì sao xảy ra?
Hiện tượng này xảy ra khi từ thông xuyên qua mạch kín biến thiên theo thời gian, sinh ra một suất điện động (EMF). Nếu mạch kín, EMF này tạo ra dòng điện cảm ứng. Đây là bản chất của định luật Faraday–Lenz: suất điện động tỉ lệ với tốc độ biến thiên từ thông, và dòng điện cảm ứng có chiều chống lại nguyên nhân sinh ra nó
FAQ 2: Suất điện động (EMF) là gì và nó khác gì với điện áp?
EMF (electromotive force) là lực đẩy điện tử, tức là sự khác biệt điện thế sinh ra do cảm ứng điện từ. Khi gắn mạch kín, EMF biến thành dòng điện; khi mở mạch, EMF trở thành điện áp giữa hai đầu mạch. Theo định luật, EMF = - dΦ/dt, nghĩa là nó xuất hiện do biến thiên từ thông chứ không phải do nguồn như pin.
FAQ 3: Làm thế nào để xác định chiều dòng điện cảm ứng?
Chiều của dòng điện cảm ứng xác định bằng định luật Lenz, theo đó dòng sinh ra sẽ chống lại sự thay đổi từ thông. Ta có thể sử dụng quy tắc bàn tay phải (quy tắc corkscrew) hoặc quy tắc ngón tay trái để xác định chiều EMF trong cuộn dây.
FAQ 4: Có bao nhiêu cách tạo ra cảm ứng điện từ?
Có ba cách chính:
- Di chuyển nam châm so với cuộn dây, khiến từ thông thay đổi.
- Quay cuộn dây trong từ trường cố định, tạo từ thông biến thiên qua mỗi vòng dây.
- Biến thiên cường độ từ trường bên trong mạch kín, ví dụ như thay đổi dòng AC trong biến áp hoặc máy phát.
FAQ 5: Liệu cảm ứng điện từ có sinh ra năng lượng “miễn phí” không?
Không. Định luật Lenz đảm bảo rằng dòng điện cảm ứng luôn có chiều chống lại biến thiên từ thông, tức là hệ phải tiêu hao năng lượng (dạng cơ năng, nhiệt năng, hoặc điện năng). Nếu không, nó sẽ vi phạm nguyên lý bảo toàn năng lượng.
