Lý thuyết từ thông, cảm ứng điện từ

I. TỪ THÔNG

1. Định nghĩa

Giả sử một đường cong phẳng kín (C) là chu vi giới hạn một mặt có diện tích S (giả thiết là phẳng) (Hình 23.1). Mặt đó được đặt trong một từ trường đều \(\vec{B}\). Trên đường vuông góc với mặt phẳng S, ta vẽ vectơ \(\vec{n}\) có độ dài bằng đơn vị theo một hướng xác định (tùy ý chọn), \(\vec{n}\) được gọi là vectơ pháp tuyến dương. Gọi a là góc tạo bởi \(\vec{n}\) và \(\vec{B}\), người ta định nghĩa từ thông qua mặt S là đại lượng, kí hiệu Φ, cho bởi:

Φ = BS cosα

Công thức định nghĩa trên đây chứng tỏ rằng từ thông là một đại lượng đại số. Khi chọn α nhọn (cosα > 0) thì Φ > 0 và khi α tù (cosα <0) thì Φ < 0  . Đặc biệt khi α = 90⁰ (cosα = 0) thì  Φ = 0. Nói cách khác khi các đường sức từ song song với mặt phẳng S thì từ thông qua S bằng 0. Trường hợp riêng khi α = 0 thì:

Φ = BS

2. Đơn vị đo từ thông

Trong hệ SI, đơn vị đo từ thông là veebe (Wb). Trong công thức nếu 

S = 1m²

B = 1T thì Φ = 1Wb

+ Từ thông là một đại lượng đại số, dấu của từ thông phụ thuộc vào việc chọn chiều của \(\vec{n}\). Thông thường chọn \(\vec{n}\) sao cho α là góc nhọn, lúc đó Φ   là một đại lượng dương.

II. HIÊN TƯỢNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ

1. Thí nghiệm 

+ Thí nghiệm 1: Thí nghiệm gồm một nam châm và một ống dây có mắc một điện kế nhạy để phát triển dòng điện trong ống dây.

Khi ống dây và nam châm đứng yên thì trong ống dây không có dòng điện. Khi ống dây và nam châm chuyển động tương đối với nhau thì trong thời gian chuyển động, trong ống dây có dòng điện.

Thí nghiệm cho biết từ trường không sinh ra dòng điện. Nhưng khi số đường sức từ qua ống dây thay đổi thì có dòng điện qua ống dây.

+ Thí nghiêm 2: Thí ngiệm gồm mạch điện có một cuộn dây được lồng trong vòng dây có kim điện kế. Khi đóng hoặc ngắt mạch điện hoặc dịch chuyển biến trở ( dòng điện trong mạch thay đổi) thì trong thời gian dòng điện trong mạch thay đổi, trong vòng dây có dòng điện chạy qua, tức  là khi số đường sức từ xuyên qua ống dây biến đổi thì trong vòng dây xuất hiện dòng điện

2. Kết luận

a) Tất cả các thí nghiệm trên đây đều có một đặc điểm chung là từ thông qua mạch kín (C) biến thiên

b) Kết quả của các thí nghiệm ấy và của nhiều thí nghiệm tương tự khác chứng tỏ rằng:

- Mỗi khi từ thông qua mạch kín (C) biến thiên thì trong mạch kín (C) xuất hiện một dòng điện gọi là dòng điện cảm ứng. Hiện tượng xuất hiện dòng điện cảm ứng trong (C) gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ.

- Hiện tượng cảm ứng điện từ chỉ tồn tại trong khoảng thời gian từ thông qua mạch kín biến thiên.

III.ĐỊNH LUẬT LEN - XƠ VỀ CHIỀU DÒNG ĐIỆN CẢM ỨNG

1. Ta hãy khảo sát quy luật xác định chiều dòng điện cảm ứng xuất hiện trong một mạch kín khi từ thông qua mạch kín ấy biến thiên.

Ta quy ước chiều dương trên (C) phù hợp với chiều của đường sức từ của nam châm (hoặc ống dây điện) qua (C) theo quy tắc nắm tay phải ở trên

Ở thí nghiệm Hình 23.3a, từ thông qua (C) tăng: Dòng điện cảm ứng i trong mạch kín (C) có chiều ngược với chiều dương tren (C)

Ở thí nghiệm Hình 23.3b, từ thông qua (C) giảm: Dòng điện cảm ứng i trong mạch kín (C) có chiều trùng với chiều dương trên (C).

2. Để dễ dàng so sánh, ta chú ý rằng khi dòng điện cảm ứng xuất hiện thì cũng sinh ra từ trường, gọi là từ trường cảm ứng. Cần phân biệt từ trường cảm ứng với từ trường của nam châm hay nam châm điện - được gọi là từ trường ban đầu. Chiều của từ trường cảm ứng và chiều dòng điện cảm ứng liên quan chặt chẽ với nhau.

3. Quá trình phân tích các kết quả thí nghiệm mô tả trên hình 23.3 và các thí nghiệm tương tự dẫn tới kết luận sau: Nếu xét các đường sức từ đi qua mạch kín, từ trường cảm ứng ngược chiều với từ trường ban đầu khi từ thông qua mạch kín tăng và cùng chiều với từ trường ban đầu khi từ thông qua mạch kín giảm.

Nói cách khác: Dòng điện cảm ứng xuất hiện trong mạch kín có chiều sao cho từ trường cảm ứng có tác dụng chống lại sự biến thiên của từ thông ban đầu qua mạch kín.

Phát biểu trên là nội dung của định luật Len - Xơ, nó cho phép ta xác định chiều dòng điện cảm ứng xuất hiện trong mạch kín.

4. Trường hợp từ thông qua (C) biến thiên do chuyển động

Khi từ thông qua (C) biến thiên do kết quả của một chuyển động nào đó thì từ trường cảm ứng có tác dụng chống lại chuyển động nói trên.

IV. DÒNG ĐIỆN FU - CÔ (FOUCAULT)

Thực nghiệm chứng tỏ rằng dòng điện cảm ứng cũng xuất hiện trong các khối kim loại khi những khối này chuyển động trong một từ trường hoặc được đặt trong một từ trường biến thiên theo thời gian. Những dòng điện cảm ứng đó được gọi là dòng điện Fu- cô. Dòng điện Fu- cô là dòng điện cảm ứng nên nó cũng chống lại chuyển động tương đối của khối kim loại và tác dụng nhiệt làm nóng khối kim loại đó.

Dòng Fu - co có thể gây tác dụng có hại ( chẳng hạn, làm nóng máy biến áp) hoặc có lợi ( chẳng hạn, ứng dụng trong bộ phận phanh điện từ của một số ô tô, hoặc dùng để đốt nóng kim loại trong một số lò tôi kim loại).