Định luật Faraday

Hiểu về Định Luật Faraday

Định luật Cảm ứng Faraday mô tả cách dòng điện tạo ra từ trường và ngược lại, cách từ trường thay đổi tạo ra dòng điện trong vật dẫn. Nhà vật lý người Anh Michael Faraday được công nhận vì đã khám phá ra cảm ứng từ vào năm 1830; tuy nhiên, một nhà vật lý người Mỹ, Joseph Henry, đã độc lập phát hiện ra cùng một thời điểm, theo Đại học Texas . 

Không thể nói quá tầm quan trọng của khám phá Faraday. Cảm ứng từ làm cho động cơ điện, máy phát điện và máy biến áp có thể trở thành nền tảng của công nghệ hiện đại. Bằng cách hiểu và sử dụng cảm ứng, chúng ta có một lưới điện và nhiều thứ chúng ta cắm vào đó.

Định luật Faraday sau đó được đưa vào các phương trình Maxwell toàn diện hơn, theo Michael Dubson, giáo sư vật lý tại Đại học Colorado Boulder. Phương trình Maxwell được phát triển bởi nhà vật lý người Scotland James Clerk Maxwell để giải thích mối quan hệ giữa điện và từ, về cơ bản hợp nhất chúng thành một lực nam châm điện duy nhất và mô tả sóng điện từ tạo nên sóng vô tuyến, ánh sáng nhìn thấy và tia X. 

Điểu hiểu về Định luật Faraday, chúng ta cần tìm hiểu về điện và từ, các mối liên hệ giữa chúng

Điện

Theo Viện Công nghệ Rochester, điện tích là thuộc tính cơ bản của vật chất . Mặc dù rất khó để mô tả nó thực sự là gì, nhưng chúng ta đã khá quen thuộc với cách nó hoạt động và tương tác với các điện tích và trường khác. 

Theo Serif Uran, giáo sư vật lý tại Đại học bang Pittsburg, trường điện từ của một điện tích điểm tương đối đơn giản. Ông mô tả nó tỏa ra như nhau theo mọi hướng, giống như ánh sáng từ bóng đèn trần và giảm cường độ theo bình phương nghịch đảo của khoảng cách (1 / 2 ), phù hợp với Định luật Coulomb. Khi bạn di chuyển ra xa gấp đôi, cường độ trường giảm xuống còn một phần tư, và khi bạn di chuyển ra xa gấp ba lần, cường độ trường giảm xuống còn một phần chín. 

Các proton mang điện tích dương, trong khi các electron mang điện tích âm. Tuy nhiên, các proton chủ yếu là bất động bên trong hạt nhân nguyên tử, vì vậy công việc mang điện tích từ nơi này đến nơi khác do các electron đảm nhiệm. 

Các electron trong vật liệu dẫn điện như kim loại phần lớn tự do di chuyển từ nguyên tử này sang nguyên tử khác dọc theo các dải dẫn của chúng, đó là các quỹ đạo electron cao nhất. Một suất điện động (emf), hoặc hiệu điện thế đủ, tạo ra sự mất cân bằng điện tích có thể làm cho các điện tử di chuyển qua vật dẫn từ vùng có nhiều điện tích âm hơn đến vùng có nhiều điện tích dương hơn. Chuyển động này là những gì chúng ta nhận ra như một dòng điện. 

Từ tính

Để hiểu được định luật cảm ứng Faraday, điều quan trọng là phải có hiểu biết cơ bản về từ trường. So với điện trường, từ trường phức tạp hơn. Trong khi các điện tích âm và dương có thể tồn tại riêng biệt, các cực từ luôn đi theo cặp – một cực bắc và một cực nam, theo Đại học bang San Jose. 

Thông thường, nam châm ở mọi kích cỡ – từ hạt nguyên tử đến nam châm cỡ công nghiệp cho đến hành tinh và ngôi sao – đều là lưỡng cực, nghĩa là chúng đều có hai cực. Chúng tôi gọi các cực này là cực bắc và nam theo hướng mà kim la bàn chỉ vào. Điều thú vị là, vì các cực đối nhau hút và giống như các cực đẩy nhau, cực bắc của Trái đất thực sự là một cực nam vì nó hút các cực bắc của kim la bàn. 

Một từ trường thường được mô tả như là các đường của từ thông . Trong trường hợp của một nam châm thanh, các đường từ thông thoát ra từ cực bắc và uốn cong xung quanh để nhập lại vào cực nam. Trong mô hình này, số lượng đường thông lượng đi qua một bề mặt nhất định trong không gian đại diện cho mật độ thông lượng, hoặc cường độ của trường. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng đây chỉ là một mô hình. Một từ trường là trơn tru và liên tục và thực tế không bao gồm các đường rời rạc. 

Từ trường của Trái đất tạo ra một lượng từ thông cực lớn, nhưng nó bị phân tán trong một thể tích không gian khổng lồ. Do đó, chỉ một lượng nhỏ thông lượng đi qua một khu vực nhất định, dẫn đến trường tương đối yếu. Để so sánh, từ thông từ nam châm tủ lạnh rất nhỏ so với từ thông của Trái đất, nhưng cường độ trường của nó mạnh hơn nhiều lần ở cự ly gần, nơi các đường từ thông của nó dày đặc hơn nhiều. Tuy nhiên, trường nhanh chóng trở nên yếu đi nhiều khi bạn di chuyển ra xa. 

Các thí nghiệm

Nếu chúng ta cho dòng điện chạy qua dây dẫn, nó sẽ tạo ra từ trường xung quanh dây dẫn. Hướng của từ trường này có thể được xác định bằng quy tắc bàn tay phải . Theo khoa vật lý tại Đại học Buffalo State, New York, nếu bạn mở rộng ngón tay cái và cuộn các ngón tay của bàn tay phải lại, ngón tay cái của bạn hướng theo chiều dương của dòng điện và các ngón tay của bạn sẽ cuộn lại theo hướng bắc của từ trường.

Nguồn ảnh: fsu . edu

Nếu bạn uốn dây dẫn thành một vòng, các đường sức từ sẽ uốn cong theo nó, tạo thành hình xuyến. Trong trường hợp này, ngón tay cái của bạn chỉ theo hướng bắc của từ trường đi ra khỏi tâm của vòng dây, trong khi các ngón tay của bạn sẽ hướng theo chiều dương của dòng điện trong vòng dây. 

Theo Viện Công nghệ Rochester, nếu chúng ta cho dòng điện chạy qua một vòng dây trong từ trường, thì sự tương tác của các từ trường này sẽ tạo ra lực xoắn hay còn gọi là mô-men xoắn, khiến nó quay, theo Viện Công nghệ Rochester . 

Tuy nhiên, nó sẽ chỉ quay cho đến khi các từ trường được căn chỉnh. Nếu chúng ta muốn vòng dây tiếp tục quay, chúng ta phải đổi chiều dòng điện, điều này sẽ làm ngược chiều của đường sức từ trong vòng dây. Sau đó, vòng lặp sẽ xoay 180 độ cho đến khi trường của nó được căn chỉnh theo hướng khác. Đây là cơ sở cho động cơ điện. 

Ngược lại, nếu ta quay một vòng dây trong từ trường thì trong trường sẽ sinh ra dòng điện. Chiều của dòng điện sẽ đảo ngược sau mỗi nửa vòng quay, tạo ra dòng điện xoay chiều . Đây là cơ sở cho máy phát điện. 

Ở đây cần lưu ý rằng nó không phải là chuyển động của dây mà là sự đóng mở của vòng dây đối với hướng của trường tạo ra dòng điện. Khi vòng lặp trực diện với trường, lượng từ thông lớn nhất đi qua vòng lặp. Tuy nhiên, khi vòng lặp được bật cạnh trường, không có dòng thông lượng nào đi qua vòng lặp. Chính sự thay đổi lượng thông lượng đi qua vòng dây tạo ra dòng điện.

Một thí nghiệm khác mà chúng ta có thể thực hiện là tạo một dây dẫn thành một vòng và nối các đầu dây với một đồng hồ đo dòng điện, hoặc điện kế. Khi ta đẩy một thanh nam châm xuyên qua vòng dây thì kim trong điện kế sẽ chuyển động, chứng tỏ có dòng điện cảm ứng. Tuy nhiên, một khi chúng ta dừng chuyển động của nam châm, dòng điện trở về 0. Trường từ nam châm sẽ chỉ tạo ra dòng điện khi nó tăng hoặc giảm. Nếu chúng ta kéo nam châm ra ngoài, nó sẽ lại tạo ra dòng điện trong dây, nhưng lần này nó sẽ có chiều ngược lại. 

Nguồn ảnh: livescience

Nếu chúng ta đặt một bóng đèn vào mạch điện, nó sẽ tiêu tán năng lượng điện dưới dạng ánh sáng và nhiệt, và chúng ta sẽ cảm thấy lực cản đối với chuyển động của nam châm khi chúng ta di chuyển nó ra vào vòng dây. Để di chuyển nam châm, chúng ta phải làm một công việc tương đương với năng lượng được sử dụng bởi bóng đèn.

Trong một thí nghiệm khác, chúng ta có thể tạo hai vòng dây, nối các đầu của một vòng dây với pin bằng công tắc, và kết nối các đầu của vòng dây kia với điện kế. Nếu ta đặt hai vòng dây gần nhau theo hướng đối mặt và bật nguồn cho vòng thứ nhất thì điện kế nối với vòng thứ hai sẽ chỉ ra dòng điện cảm ứng rồi nhanh chóng trở về không. 

Điều đang xảy ra ở đây là dòng điện trong vòng đầu tiên tạo ra từ trường, từ trường này tạo ra dòng điện trong vòng thứ hai, nhưng chỉ trong một thời điểm khi từ trường thay đổi. Khi bạn tắt công tắc, đồng hồ sẽ chệch hướng trong giây lát theo hướng ngược lại. Đây là dấu hiệu khác cho thấy rằng chính sự thay đổi cường độ của từ trường chứ không phải cường độ hoặc chuyển động của nó tạo ra dòng điện. 

Giải thích cho điều này là từ trường làm cho các electron trong vật dẫn chuyển động. Chuyển động này là những gì chúng ta gọi là dòng điện. Tuy nhiên, cuối cùng, các electron đạt đến một điểm mà chúng ở trạng thái cân bằng với trường, tại điểm đó chúng sẽ ngừng chuyển động. Sau đó, khi trường bị loại bỏ hoặc tắt, các electron sẽ chảy trở lại vị trí ban đầu của chúng, tạo ra một dòng điện theo hướng ngược lại. 

Định luật Faraday

Bây giờ chúng ta đã có những hiểu biết cơ bản về từ trường, chúng ta đã sẵn sàng để xác định Định luật Cảm ứng Faraday. 

Định luật Faraday cho biết hiệu điện thế cảm ứng trong mạch tỉ lệ với tốc độ biến thiên theo thời gian của từ thông qua mạch đó. Nói cách khác, từ trường thay đổi càng nhanh thì hiệu điện thế trong mạch càng lớn. Chiều của sự thay đổi trong từ trường xác định chiều của dòng điện. 

Ta có thể tăng hiệu điện thế bằng cách tăng số vòng dây trong mạch. Điện áp cảm ứng trong cuộn dây có hai vòng sẽ gấp đôi với một vòng và với ba vòng thì sẽ gấp ba lần. Đây là lý do tại sao các động cơ và máy phát điện thực thường có số lượng cuộn dây lớn. 

Về lý thuyết, động cơ và máy phát điện giống nhau. Nếu bạn quay một động cơ, nó sẽ tạo ra điện, và đặt điện áp vào động cơ điện sẽ làm cho nó quay. Tuy nhiên, hầu hết các động cơ và máy phát điện thực chỉ được tối ưu hóa cho một chức năng. 

Máy biến áp

Một ứng dụng quan trọng khác của Định luật cảm ứng Faraday là máy biến áp do Nikola Tesla phát minh ra. Trong thiết bị này, dòng điện xoay chiều, thay đổi hướng nhiều lần trong một giây, được gửi qua một cuộn dây quấn quanh lõi từ. Điều này tạo ra một từ trường thay đổi trong lõi, do đó tạo ra một dòng điện trong cuộn dây thứ hai quấn quanh một phần khác của cùng một lõi từ. 

Tỷ lệ số vòng trong các cuộn dây xác định tỷ số của điện áp giữa dòng điện đầu vào và đầu ra. Ví dụ, nếu chúng ta lấy một máy biến áp có 100 vòng ở phía đầu vào và 50 vòng ở phía đầu ra, và chúng tôi đặt đầu vào một dòng điện xoay chiều ở 220 volt, đầu ra sẽ là 110 volt. 

Theo Hyperphysics, máy biến áp không thể tăng công suất, là sản phẩm của điện áp và dòng điện, vì vậy nếu điện áp tăng lên thì dòng điện sẽ giảm theo tỷ lệ thuận và ngược lại. Trong ví dụ của chúng tôi, một đầu vào 220 volt ở 10 amps, hoặc 2.200 watt, sẽ tạo ra đầu ra 110 volt ở 20 amps, một lần nữa, 2.200 watt. Trong thực tế, máy biến áp không bao giờ có hiệu suất hoàn hảo, nhưng một máy biến áp được thiết kế tốt thường có tổn thất điện năng chỉ vài phần trăm, theo Đại học Texas .

Máy biến áp tạo ra lưới điện mà chúng ta phụ thuộc vào cho xã hội công nghiệp và công nghệ của chúng ta. Đường dây tải điện xuyên quốc gia hoạt động ở hàng trăm nghìn vôn để truyền tải nhiều năng lượng hơn trong giới hạn mang dòng của dây dẫn. Điện áp này được giảm xuống nhiều lần bằng cách sử dụng máy biến áp tại các trạm biến áp phân phối cho đến khi nó đến nhà của bạn, nơi cuối cùng nó được giảm xuống 220 và 110 volt có thể chạy bếp điện và máy tính của bạn. 


Cảm ơn Bạn đã đọc bài chia sẻ

Chúc Bạn thành công!

Tâm Mr. – Admin

Bài viết được tham khảo từ livescience . com

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai.