29.1. Thí nghiệm cảm ứng

Một máy phát điện không cần nối với pin để làm xuất hiện dòng điện. Điều cần tìm là điều kiện khiến một mạch kín phát sinh . Các thí nghiệm của Michael Faraday tại Anh và Joseph Henry tại Hoa Kỳ vào thập niên 1830 cho thấy điều kiện ấy gắn với sự thay đổi của từ trường qua cuộn dây.

Nam châm và cuộn dây

Nối một cuộn dây với điện kế (galvanometer). Khi nam châm đặt gần cuộn dây nhưng đứng yên, kim điện kế không lệch. Không có nguồn nào trong mạch nên dòng điện bằng không. Khi đưa nam châm lại gần hoặc kéo nam châm ra xa, kim chỉ dòng điện trong lúc nam châm chuyển động. Giữ nam châm đứng yên rồi di chuyển cuộn dây cũng tạo ra dòng điện trong thời gian chuyển động.

Ta gọi dòng điện ấy là dòng cảm ứng. làm dòng điện cảm ứng xuất hiện được gọi là suất điện động cảm ứng.

Hình 29.1a–b so sánh nam châm đứng yên với nam châm đang chuyển động. Ở hình 29.1c, nam châm được thay bằng cuộn dây thứ hai nối với pin. Nếu hai cuộn đứng yên tương đối với nhau thì cuộn thứ nhất không có dòng. Khi di chuyển một cuộn lại gần hoặc ra xa cuộn kia, dòng cảm ứng xuất hiện trong cuộn thứ nhất.

Ở hình 29.1d, giữ cả hai cuộn đứng yên và thay đổi dòng điện trong cuộn thứ hai bằng cách đóng hoặc mở công tắc. Cuộn thứ nhất chỉ có một xung dòng trong lúc dòng điện ở cuộn thứ hai đang thay đổi. Như vậy, chuyển động tương đối giữa nam châm và cuộn dây không phải điều kiện duy nhất. Dòng cảm ứng còn xuất hiện khi dòng điện trong cuộn thứ hai biến thiên, dù hai cuộn không dịch chuyển.

Thay đổi từ trường, hình dạng và vị trí cuộn dây

Một khảo sát khác đặt cuộn dây trong vùng giữa hai cực nam châm điện có thể điều chỉnh từ trường. Điện kế cho các kết quả sau:

1. Khi nam châm điện chưa có dòng điện và từ trường bằng không, điện kế không chỉ dòng.
2. Khi bật nam châm điện, từ trường tăng và điện kế chỉ một dòng điện thoáng qua.
3. Khi từ trường đạt giá trị ổn định, dòng điện cảm ứng giảm về không.
4. Khi cuộn dây nằm ngang và bị bóp nhỏ diện tích, dòng chỉ xuất hiện trong lúc cuộn biến dạng. Khi kéo cuộn trở lại hình dạng ban đầu, dòng xuất hiện trong chiều ngược lại, cũng chỉ trong lúc diện tích đang đổi.
5. Khi xoay cuộn một góc nhỏ quanh trục ngang, điện kế chỉ dòng trong lúc xoay. Chiều dòng giống trường hợp diện tích giảm. Xoay cuộn trở lại tạo dòng ngược chiều trong lúc xoay.
6. Khi giật cuộn dây ra khỏi vùng từ trường, dòng xuất hiện trong lúc chuyển động. Chiều dòng giống trường hợp diện tích cuộn giảm.
7. Khi tháo bớt vòng dây, dòng cảm ứng xuất hiện trong lúc tháo. Khi quấn thêm vòng dây, dòng xuất hiện theo chiều ngược lại.
8. Khi tắt nam châm điện, dòng cảm ứng xuất hiện thoáng qua theo chiều ngược chiều dòng khi bật nam châm.
9. Thực hiện bất kỳ thay đổi nào nhanh hơn thì dòng cảm ứng lớn hơn.
10. Nếu thay cuộn bằng vật liệu khác và có điện trở khác nhưng giữ nguyên hình dạng, cường độ dòng cảm ứng tỉ lệ nghịch với điện trở toàn mạch. gây ra dòng không phụ thuộc vật liệu cuộn dây, mà phụ thuộc hình dạng mạch và từ trường.

Điểm chung của các thao tác là qua cuộn dây thay đổi. Từ thông có thể đổi vì từ trường biến thiên theo thời gian, hoặc vì cuộn dây chuyển động trong một từ trường không đều. Trong từng thí nghiệm, cảm ứng tỉ lệ với tốc độ thay đổi từ thông. Chiều của nó phụ thuộc vào từ thông đang tăng hay giảm. Nếu từ thông không đổi thì suất điện động cảm ứng bằng không.

Ứng dụng: Kích thích từ xuyên sọ

Trong kỹ thuật kích thích từ xuyên sọ, một cuộn dây đặt gần đầu người được cấp dòng điện biến thiên. Dòng điện ấy tạo từ trường biến thiên, làm xuất hiện trong mô dẫn điện của não và kích hoạt hoạt động điện ở vùng nằm dưới cuộn dây. Bác sĩ có thể quan sát phản ứng của người được kích thích, chẳng hạn chuyển động của cơ, để khảo sát chức năng thần kinh.

Từ nhà máy điện đến ổ cắm

Máy phát điện tại nhà máy biến đổi một dạng năng lượng khác thành điện năng bằng cách làm qua các cuộn dây thay đổi. Nguồn năng lượng ban đầu có thể là thế năng hấp dẫn của nước, năng lượng hóa học từ nhiên liệu hóa thạch hoặc năng lượng hạt nhân. cảm ứng tạo hiệu điện thế giữa hai cực máy phát và cấp điện cho ổ cắm, đèn đọc sách cùng nhiều thiết bị khác.

cảm ứng có nguồn gốc từ lực phi tĩnh. Cần phân biệt điện trường tĩnh do điện tích tạo ra với điện trường không tĩnh do từ trường biến thiên tạo ra. Sự phân biệt này sẽ trở nên thiết yếu khi xét các định luật tổng quát của điện từ trường.

Tài liệu tham khảo

Young & Freedman, University Physics with Modern Physics, ấn bản 15, mục 29.1, trang 954–955.