Nếu dòng điện sinh ra từ trường, thì ngược lại, từ trường biến thiên cũng có thể sinh ra dòng điện. Hiện tượng này — cảm ứng điện từ — là nền tảng của gần như toàn bộ ngành điện hiện đại.
Chỉ khi "gió đổi"
Trong vật lý
Số đường sức từ biến thiên
Trong đời thường
Quạt chỉ quay khi có luồng gió thay đổi
Một cánh quạt đứng yên trong gió đều thì không quay. Nó chỉ chuyển động khi luồng gió thay đổi. Tương tự, dòng cảm ứng chỉ sinh ra khi từ thông biến thiên.
Lưu ý: Ẩn dụ chỉ mô tả sự "biến thiên", không phải cơ chế vật lý chính xác.
- Cho nam châm chuyển động lại gần hoặc ra xa cuộn dây → có dòng cảm ứng.
- Cho cuộn dây quay trong từ trường → từ thông biến thiên → dòng cảm ứng đổi chiều liên tục.
- Dòng điện đổi chiều luân phiên như vậy gọi là dòng điện xoay chiều.
- Ở Việt Nam, dòng điện xoay chiều có tần số 50 Hz (đổi chiều 100 lần mỗi giây).
Thí nghiệm tương tác — hãy làm theo từng bước
- 1Đẩy nam châm lại gần cuộn dây: kim điện kế lệch — có dòng cảm ứng.
- 2Kéo nam châm ra xa: kim lệch theo chiều ngược lại.
- 3Giữ nam châm đứng yên: kim trở về 0 — không có dòng cảm ứng.
- 4Di chuyển nhanh hơn: kim lệch mạnh hơn, dòng cảm ứng lớn hơn.
Hiện tượng cảm ứng điện từ
- Nam châm (Bắc đỏ, Nam xanh)
- Kim điện kế (dòng cảm ứng)
- Đường sức từ
- Nam châm
- Đang chuyển động
- Tốc độ
- 1.0×
- Dòng cảm ứng
- Có
Chỉ khi nam châm chuyển động (từ thông biến thiên) mới có dòng cảm ứng. Đứng yên thì kim điện kế về 0.
Suy nghĩ một chút
Vì sao máy biến thế chỉ hoạt động với dòng điện xoay chiều, không hoạt động với dòng một chiều?
Cảm ứng điện từ quanh em
Gần như toàn bộ điện năng ta dùng hằng ngày được sản xuất từ hiện tượng cảm ứng điện từ.
Đạp xe đạp có đinamô (máy phát nhỏ) làm sáng đèn
Khi bánh xe quay, núm đinamô quay theo, làm nam châm quay trước cuộn dây. Từ thông qua cuộn dây biến thiên liên tục nên sinh ra dòng cảm ứng (dòng xoay chiều) thắp sáng bóng đèn. Đạp càng nhanh, đèn càng sáng vì từ thông biến thiên càng nhanh.
Lý thuyết của bài: Từ thông biến thiên → dòng cảm ứng; quay nhanh → dòng lớn.
Máy phát điện ở nhà máy thuỷ điện, nhiệt điện
Tuabin (do nước/hơi nước đẩy) quay một khối nam châm khổng lồ trước nhiều cuộn dây. Từ thông biến thiên liên tục sinh ra dòng xoay chiều cho cả lưới điện quốc gia. Đây là ứng dụng quy mô lớn nhất của cảm ứng điện từ.
Lý thuyết của bài: Cơ năng quay → từ thông biến thiên → điện năng xoay chiều.
Máy biến thế trên cột điện hạ thế từ 22 kV xuống 220 V
Dòng điện xoay chiều ở lưới cao thế đi qua cuộn sơ cấp máy biến thế, tạo từ thông biến thiên trong lõi sắt, sinh suất điện động ở cuộn thứ cấp. Tỉ số vòng dây quyết định hiệu điện thế: nhiều vòng hơn thì điện áp cao hơn. Nhờ vậy hạ thế an toàn cho gia đình.
Lý thuyết của bài: U₁/U₂ = n₁/n₂ với dòng xoay chiều.
Sạc không dây cho điện thoại
Đế sạc có cuộn dây phát tạo từ trường biến thiên tần số cao; cuộn dây trong điện thoại nhận từ thông biến thiên và sinh dòng cảm ứng để nạp pin. Không cần dây dẫn vì năng lượng truyền qua cảm ứng điện từ.
Lý thuyết của bài: Từ thông biến thiên truyền năng lượng giữa hai cuộn dây.
Bếp từ nấu ăn nhanh
Bếp từ tạo từ trường biến thiên tần số cao bên dưới nồi kim loại. Dòng cảm ứng (dòng xoáy) sinh ra ngay trong đáy nồi và toả nhiệt làm nóng thức ăn — nồi nóng chứ không phải mặt bếp, nên bếp từ hiệu suất cao và an toàn hơn.
Lý thuyết của bài: Dòng xoáy cảm ứng trong kim loại toả nhiệt Jun–Len-xơ.
Vì sao từ thông là Φ = B·S·cosθ và vì sao cần "biến thiên"?
Trực giác:Từ thông là "lượng đường sức từ xuyên qua" một diện tích S. Nếu nhiều đường sức đi qua, từ thông lớn. Và dòng cảm ứng chỉ xuất hiện khi lượng này THAY ĐỔI theo thời gian — đứng yên thì không có gì xảy ra.
- 1Đặt một khung dây diện tích S trong từ trường đều B. Số đường sức từ xuyên qua khung càng nhiều thì từ thông Φ càng lớn → Φ tỉ lệ thuận với B và S.
- 2Nếu khung nghiêng một góc θ so với từ trường, diện tích "hiệu dụng" mà đường sức xuyên qua giảm theo cosθ → Φ = B·S·cosθ. Khi khung vuông góc với đường sức (θ = 0), từ thông lớn nhất.
- 3Thực nghiệm Fa-ra-đây: suất điện động cảm ứng tỉ lệ với TỐC ĐỘ biến thiên của từ thông, chứ không phải giá trị của nó. Φ đứng yên → suất điện động bằng 0.
- 4Vì vậy muốn sinh dòng điện, ta phải làm Φ biến thiên: hoặc đổi B, hoặc đổi S, hoặc quay khung để θ thay đổi liên tục.
- 5Quay khung đều trong từ trường làm θ biến thiên tuần hoàn → Φ biến thiên hình sin → dòng điện sinh ra đổi chiều liên tục: đó chính là dòng xoay chiều.
Ý nghĩa: Φ = B·S·cosθ đo "lượng từ thông" xuyên qua khung, và dòng cảm ứng xuất hiện khi lượng đó biến thiên. Đây là cơ sở chế tạo máy phát điện xoay chiều và máy biến thế.