Hiện tượng cảm ứng điện từ là hiện tượng xuất hiện suất điện động hoặc hiệu điện thế trong cơ thể nằm trong từ trường luôn biến đổi. Sức điện động do cảm ứng điện từ cũng phát sinh nếu một vật chuyển động trong từ trường tĩnh và không đều, hoặc quay trong từ trường sao cho các đường của nó cắt nhau thành một vòng kín thay đổi.
Dòng điện cảm ứng
Theo khái niệm "cảm ứng" có nghĩa là sự xuất hiện của một quá trình do tác động của quá trình khác. Ví dụ, một dòng điện có thể được cảm ứng, nghĩa là nó có thể xuất hiện do để vật dẫn tiếp xúc với từ trường theo một cách đặc biệt. Dòng điện như vậy được gọi là cảm ứng. Các điều kiện để hình thành dòng điện do hiện tượng cảm ứng điện từ sẽ được thảo luận ở phần sau của bài viết.
Khái niệm về từ trường
TrướcĐể bắt đầu nghiên cứu hiện tượng cảm ứng điện từ, cần hiểu từ trường là gì. Nói một cách dễ hiểu, từ trường là một vùng không gian trong đó vật liệu từ thể hiện các tác dụng và tính chất từ trường của nó. Vùng không gian này có thể được mô tả bằng cách sử dụng các đường được gọi là đường sức từ. Số lượng các vạch này biểu thị một đại lượng vật lý gọi là từ thông. Các đường sức từ bị đóng lại, chúng bắt đầu ở cực bắc của nam châm và kết thúc ở cực nam.
Từ trường có khả năng tác dụng lên bất kỳ vật liệu nào có từ tính, chẳng hạn như sắt dẫn dòng điện. Trường này được đặc trưng bởi cảm ứng từ, được ký hiệu là B và được đo bằng teslas (T). Cảm ứng từ 1 T là từ trường rất mạnh tác dụng với lực của 1 Niutơn lên một điện tích điểm có kích thước bằng 1 côzơ, bay vuông góc với đường sức từ với tốc độ 1 m / s, tức là 1 T.=1 Ns / (mCl).
Ai là người phát hiện ra hiện tượng cảm ứng điện từ?
Cảm ứng điện từ, trên nguyên tắc của nhiều thiết bị hiện đại, được phát hiện vào đầu những năm 30 của thế kỷ XIX. Việc phát hiện ra hiện tượng cảm ứng điện từ thường là do Michael Faraday (ngày khám phá - 29/8/1831). Nhà khoa học đã dựa trên kết quả thí nghiệm của nhà vật lý và hóa học người Đan Mạch Hans Oersted, người đã phát hiện ra rằng một dây dẫn mà dòng điện chạy qua sẽ tạo ramột từ trường xung quanh chính nó, tức là nó bắt đầu thể hiện các đặc tính từ tính.
Đến lượt
Faraday, phát hiện ra điều ngược lại với hiện tượng do Oersted phát hiện. Ông nhận thấy rằng một từ trường thay đổi, có thể được tạo ra bằng cách thay đổi các thông số của dòng điện trong dây dẫn, dẫn đến sự xuất hiện của sự chênh lệch điện thế ở hai đầu của bất kỳ dây dẫn hiện tại nào. Ví dụ, nếu các đầu này được nối với nhau qua một bóng đèn điện, thì một dòng điện sẽ chạy qua một đoạn mạch như vậy.
Kết quả là Faraday đã phát hiện ra một quá trình vật lý, kết quả là dòng điện xuất hiện trong vật dẫn do sự thay đổi từ trường, đó là hiện tượng cảm ứng điện từ. Đồng thời, đối với sự hình thành dòng điện cảm ứng, không quan trọng cái gì chuyển động: từ trường hay bản thân vật dẫn. Có thể dễ dàng chỉ ra điều này bằng cách tiến hành một thí nghiệm thích hợp về hiện tượng cảm ứng điện từ. Vì vậy, sau khi đặt nam châm bên trong vòng xoắn kim loại, chúng ta bắt đầu di chuyển nó. Nếu bạn kết nối các đầu của hình xoắn ốc thông qua một số chỉ báo của dòng điện vào một mạch, bạn có thể thấy sự xuất hiện của dòng điện. Bây giờ bạn nên để nam châm một mình và di chuyển hình xoắn ốc lên xuống so với nam châm. Chỉ báo cũng sẽ hiển thị sự tồn tại của dòng điện trong mạch.
Thử nghiệm Faraday
Các thí nghiệm của Faraday bao gồm làm việc với một chất dẫn điện và một nam châm vĩnh cửu. Michael Faraday lần đầu tiên phát hiện ra rằng khi một vật dẫn chuyển động bên trong từ trường, sự chênh lệch điện thế phát sinh ở hai đầu của nó. Vật dẫn chuyển động bắt đầu vượt qua các đường sức từ, mô phỏngảnh hưởng của việc thay đổi trường này.
Các nhà khoa học phát hiện ra rằng các dấu tích cực và tiêu cực của sự khác biệt tiềm năng phụ thuộc vào hướng mà vật dẫn di chuyển. Ví dụ, nếu dây dẫn được nâng lên trong một từ trường, thì hiệu điện thế tạo ra sẽ có cực + -, nhưng nếu dây dẫn này được hạ xuống, thì chúng ta sẽ nhận được cực - +. Những thay đổi này trong dấu hiệu của các điện thế, sự khác biệt của nó được gọi là sức điện động (EMF), dẫn đến sự xuất hiện trong một mạch kín của dòng điện xoay chiều, tức là dòng điện liên tục thay đổi hướng của nó theo chiều ngược lại.
Tính năng cảm ứng điện từ do Faraday khám phá
Biết ai là người phát hiện ra hiện tượng cảm ứng điện từ và tại sao lại có dòng điện cảm ứng, chúng ta sẽ giải thích một số đặc điểm của hiện tượng này. Vì vậy, khi vật dẫn di chuyển trong từ trường càng nhanh thì cường độ dòng điện cảm ứng trong mạch càng có giá trị lớn. Một đặc điểm khác của hiện tượng như sau: cảm ứng từ của trường càng lớn, tức là trường này càng mạnh thì hiệu điện thế mà nó có thể tạo ra khi dịch chuyển vật dẫn trong trường càng lớn. Nếu vật dẫn nằm yên trong một từ trường, thì không có EMF nào phát sinh trong đó, vì không có sự thay đổi nào trong các đường cảm ứng từ xuyên qua vật dẫn.
Chiều dòng điện và quy tắc bàn tay trái
Để xác định chiều trong dây dẫn của dòng điện được tạo ra do hiện tượng cảm ứng điện từ, bạn có thểsử dụng cái gọi là quy tắc bên trái. Có thể lập công thức như sau: nếu đặt tay trái sao cho đường sức cảm ứng từ bắt đầu ở cực bắc của nam châm lọt vào lòng bàn tay và ngón cái nhô ra hướng theo chiều chuyển động của dây dẫn trong trường của nam châm, khi đó bốn ngón tay còn lại của bàn tay trái sẽ chỉ ra chiều chuyển động của dòng điện cảm ứng trong dây dẫn.
Có một phiên bản khác của quy tắc này, nó như sau: nếu ngón trỏ của bàn tay trái hướng dọc theo đường cảm ứng từ và ngón cái nhô ra hướng theo hướng của dây dẫn, thì ngón giữa quay 90 độ so với lòng bàn tay sẽ cho biết hướng của dòng điện xuất hiện trong dây dẫn.
Hiện tượng tự cảm ứng
Hans Christian Oersted đã phát hiện ra sự tồn tại của từ trường xung quanh một vật dẫn hoặc cuộn dây có dòng điện. Nhà khoa học cũng phát hiện ra rằng các đặc điểm của lĩnh vực này liên quan trực tiếp đến cường độ của dòng điện và hướng của nó. Nếu dòng điện trong cuộn dây hoặc vật dẫn là biến thiên, thì nó sẽ tạo ra một từ trường không đứng yên, tức là nó sẽ thay đổi. Đến lượt trường xoay chiều này sẽ dẫn đến xuất hiện dòng điện cảm ứng (hiện tượng cảm ứng điện từ). Chuyển động của dòng điện cảm ứng sẽ luôn ngược chiều với dòng điện xoay chiều chạy qua vật dẫn, tức là nó sẽ chống lại sự thay đổi hướng của dòng điện trong vật dẫn hoặc cuộn dây. Quá trình này được gọi là quá trình tự cảm ứng. Sự khác biệt điện kết quảđiện thế được gọi là EMF của quá trình tự cảm ứng.
Lưu ý rằng hiện tượng tự cảm ứng không chỉ xảy ra khi chiều của dòng điện thay đổi mà còn khi nó thay đổi, ví dụ khi tăng do điện trở trong mạch giảm.
Để mô tả vật lý về điện trở gây ra bởi bất kỳ sự thay đổi nào của dòng điện trong mạch do hiện tượng tự cảm ứng, khái niệm điện cảm được đưa ra, được đo bằng henries (để vinh danh nhà vật lý người Mỹ Joseph Henry). Một henry là độ tự cảm mà khi dòng điện thay đổi 1 ampe trong 1 giây, EMF phát sinh trong quá trình tự cảm ứng, bằng 1 vôn.
Dòng điện xoay chiều
Khi một cuộn cảm bắt đầu quay trong từ trường, do hiện tượng cảm ứng điện từ, nó tạo ra dòng điện cảm ứng. Dòng điện này có thể thay đổi, có nghĩa là nó thay đổi hướng một cách có hệ thống.
Dòng điện xoay chiều phổ biến hơn dòng điện một chiều. Vì vậy, nhiều thiết bị hoạt động từ mạng điện trung tâm sử dụng loại dòng điện này. Dòng điện xoay chiều dễ cảm ứng và vận chuyển hơn dòng điện một chiều. Theo quy luật, tần số của dòng điện xoay chiều trong gia đình là 50-60 Hz, tức là trong 1 giây, chiều của nó thay đổi 50-60 lần.
Biểu diễn hình học của dòng điện xoay chiều là một đường cong hình sin mô tả sự phụ thuộc của điện áp vào thời gian. Chu kỳ đầy đủ của đường cong hình sin đối với dòng điện gia dụng là khoảng 20 mili giây. Theo tác dụng nhiệt, dòng điện xoay chiều tương tự như dòng điệnDC, điện áp trong đó là Umax/ √2, trong đó Umaxlà điện áp cực đại trên đường cong hình sin xoay chiều.
Việc sử dụng cảm ứng điện từ trong công nghệ
Việc phát hiện ra hiện tượng cảm ứng điện từ đã tạo ra một sự bùng nổ thực sự trong sự phát triển của công nghệ. Trước phát hiện này, con người chỉ có thể tạo ra điện với số lượng hạn chế bằng cách sử dụng pin điện.
Hiện tại, hiện tượng vật lý này được sử dụng trong máy biến áp điện, trong lò sưởi chuyển đổi dòng điện cảm ứng thành nhiệt và trong động cơ điện và máy phát ô tô.
