Bài 16. Từ thông. hiện tượng cảm ứng điện từ

Khi số đường sức từ xuyên qua tiết diện của cuộn dây dẫn kín biến thiên thì trong cuộn dây dẫn đó xuất hiện dòng điện cảm ứng. Hãy cho biết có những cách nào làm cho số đường sức từ qua tiết diện của cuộn dây dẫn kín biến thiên?

Xét một vòng dây dẫn kín (C) có diện tích S, được đặt trong từ trường đều $\vec{B}$. Vẽ vectơ đơn vị pháp tuyến $\vec{n}$ của S. Chiều của $\vec{n}$ có thể chọn tuỳ ý. Góc hợp thành bởi $\vec{B}$ và $\vec{n}$ kí hiệu là $\alpha$ (Hình 16.1).

Đại lượng $\mathrm{\Phi }$ gọi là từ thông qua diện tích S.

Đơn vị của từ thông trong hệ SI là vêbe (weber), kí hiệu Wb.

Ta có: $1Wb=1T.1m^2$.

Khi cảm ứng từ $\vec{B}$ vuông góc với mặt phẳng vòng dây thì $\alpha =0$, ta có: $\cos \alpha =1$. Nếu vòng dây có diện tích là $1m^2$, theo biểu thức (16.1), ta có trị số của từ thông bằng độ lớn của cảm ứng từ.

Trong trường hợp này, từ thông qua một đơn vị diện tích của vòng dây trong từ trường có vectơ pháp tuyến của vòng dây đặt song song với vectơ cảm ứng từ và có độ lớn bằng độ lớn cảm ứng từ $\vec{B}$. Do đó, từ thông có thể diễn tả số đường sức từ xuyên qua một diện tích nào đó.

Để làm từ thông biến thiên, có thể biến đổi từng đại lượng B, S, $\alpha$ trong biểu thức (16.1). Hãy đề xuất các cách có thể làm biến thiên từ thông qua tiết diện khung dây dẫn mềm nối với điện kế thành mạch kín trong các trường hợp sau:
Trường hợp 1: Khung dây dẫn đặt cạnh nam châm vĩnh cửu (Hình 16.4).
Trường hợp 2: Khung dây dẫn đặt cạnh nam châm điện (Hình 16.5).

Ở lớp 9, ta đã biết khi số đường sức từ xuyên qua tiết diện của cuộn dây dẫn kín biến thiên thì trong cuộn dây dẫn đó xuất hiện dòng điện cảm ứng và hiện tượng xuất hiện dòng điện cảm ứng này gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ.

Từ kết quả thí nghiệm quan sát được, thực hiện các yêu cầu sau:

Dựa vào công thức từ thông (16.1), ta thấy rằng khi một trong các đại lượng B, S hoặc $\alpha$ thay đổi thì từ thông $\mathrm{\Phi }$ biến thiên.

Các thí nghiệm trên và nhiều thí nghiệm tương tự khác chứng tỏ rằng:

Khi từ thông qua cuộn dây dẫn kín biến thiên thì trong cuộn dây dẫn đó xuất hiện một dòng điện gọi là dòng điện cảm ứng. Hiện tượng xuất hiện dòng điện cảm ứng trong cuộn dây dẫn gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ.

Hiện tượng này chỉ tồn tại trong khoảng thời gian từ thông qua cuộn dây dẫn kín biến thiên.

Để xác định chiều dòng điện cảm ứng trong thí nghiệm 1 (Hình 16.6), ta có thể sử dụng sơ đồ thí nghiệm tương tự như trên Hình 16.8.

Khi dịch chuyển cực Bắc của nam châm lại gần hoặc ra xa cuộn dây dẫn nối với điện kế thì chiều dòng điện cảm ứng qua cuộn dây được mô tả như trong Hình 16.8.

Từ thí nghiệm, ta có nhận xét rằng khi nam châm lại gần cuộn dây (${\vec{B}}_c$ và $\vec{B}$ ngược chiều – Hình 16.8a) thì từ trường của dòng điện cảm ứng trong cuộn dây có xu hướng ngăn cản nam châm lại gần nó; còn khi nam châm ra xa cuộn dây (${\vec{B}}_c$ và $\vec{B}$ cùng chiều - Hình 16.8b) thì từ trường của dòng điện cảm ứng lại có xu hướng ngăn cản nam châm ra xa nó.

Nhận xét trên về chiều của dòng điện cảm ứng có thể phát biểu khái quát: Dòng điện cảm ứng xuất hiện trong mạch kín có chiều sao cho từ trường do nó sinh ra có tác dụng chống lại sự biến thiên của từ thông qua mạch kín đó. Phát biểu này là nội dung định luật Lenz về chiều dòng điện cảm ứng.

Nếu một mạch điện kín có dòng điện thì trong mạch tồn tại suất điện động. Do đó, ta gọi suất điện động sinh ra dòng điện cảm ứng trong mạch kín như trong cuộn dây dẫn (thí nghiệm 1 và thí nghiệm 2) là suất điện động cảm ứng, kí hiệu ${\mathfrak{e}}_c$. Ở các thí nghiệm đó, khi có sự biến thiên của từ thông qua cuộn dây dẫn kín thì trong mạch xuất hiện suất điện động cảm ứng.

Thực nghiệm chứng tỏ rằng: Độ lớn của suất điện động cảm ứng trong mạch kín tỉ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông qua mạch. Phát biểu này được gọi là định luật Faraday về cảm ứng điện từ.

Nếu trong khoảng thời gian $\mathrm{\Delta }t$ đủ nhỏ, từ thông qua mạch kín biến thiên một lượng $\mathrm{\Delta }\mathrm{\Phi }$ thì $\frac{\mathrm{\Delta }\mathrm{\Phi }}{\mathrm{\Delta }t}$ là tốc độ biến thiên của từ thông. Vì vậy, định luật Faraday có thể viết:

Trong hệ SI, hệ số tỉ lệ $k=1$. Nếu kể đến định luật Lenz thì công thức xác định suất điện động cảm ứng được viết dưới dạng:

Trong trường hợp mạch điện là một cuộn dây có N vòng dây thì:

Trong đó $\mathrm{\Phi }$ là từ thông qua diện tích giới hạn bởi một vòng dây.