Cảm ứng điện từ
Cảm ứng điện từ xảy ra khi từ thông qua một mạch điện thay đổi. Từ trường có thể rất mạnh mà vẫn không tạo suất điện động cảm ứng nếu từ thông liên kết với mạch không đổi theo thời gian.
Từ thông: đại lượng phải thay đổi
Φ = BA cos θ
Với từ trường đều và một vòng phẳng, Φ = BA cosθ, trong đó θ là góc giữa B⃗ và pháp tuyến của mặt vòng, không phải góc với chính mặt phẳng. Từ thông thay đổi khi B thay đổi, diện tích thay đổi, vòng quay, hoặc vòng đi vào vùng có từ trường khác.
Định luật Faraday
emf = −N dΦ/dt
Định luật Faraday: emf = −N dΦ/dt. Độ lớn suất điện động tăng theo số vòng N và tốc độ biến thiên từ thông. Dấu trừ mã hóa chiều theo định luật Lenz, không đơn giản có nghĩa “điện áp âm”. Nam châm và cuộn dây cùng đứng yên cho từ thông không đổi thì không có cảm ứng liên tục chỉ vì từ trường đang tồn tại.
Tính suất điện động từ biến thiên từ thông
Định luật Lenz và bảo toàn năng lượng
Định luật Lenz nói hiệu ứng từ của dòng cảm ứng chống lạisự thay đổi của từ thông, không nhất thiết chống lại từ trường ban đầu. Nếu từ thông theo một chiều đang tăng, trường cảm ứng chống lại sự tăng; nếu đang giảm, trường cảm ứng có xu hướng duy trì nó. Vì vậy phải thực hiện công cơ học khi đẩy nam châm vào cuộn dây dẫn điện: phản lực cảm ứng đảm bảo bảo toàn năng lượng.
Suất điện động do chuyển động là cùng một vật lý
emf = BLv
Các điện tích tự do trong vật dẫn chuyển động chịu lực từ và bị tách. Với thanh dài L chuyển động vuông góc với B đều ở tốc độ v, hình học lý tưởng cho emf = BLv. Đây không phải định luật tách biệt mà là cùng hiện tượng cảm ứng nhìn từ sự thay đổi từ thông liên kết với mạch.
Quy trình đáng tin cậy cho bài toán cảm ứng
Quy trình: ① xác định vòng và pháp tuyến mặt; ② chọn chiều có dấu của từ thông ngoài; ③ hỏi từ thông ấy đang tăng hay giảm; ④ sau đó mới dùng Lenz để suy ra trường và dòng cảm ứng. Lỗi phổ biến là luôn chống lại chính B ngoài. Nếu từ thông hướng lên đang giảm, trường cảm ứng phải hướng lên để chống sự giảm. Cũng phải giữ hệ số cosθ trong Φ = BA cosθ.
Ví dụ có lời giải
1. Từ thông qua vòng
Vòng diện tích 0,020 m² có mặt phẳng vuông góc với B = 0,30 T. Tìm Φ.
Lời giải
Pháp tuyến song song B nên θ = 0, Φ = BA = 6,0 × 10⁻³ Wb.
2. Độ lớn theo Faraday
Cuộn 200 vòng có từ thông mỗi vòng đổi 3,0 mWb trong 0,050 s.
Lời giải
|emf| = N|ΔΦ|/Δt = 12 V.
3. Chiều theo Lenz
Cực bắc của nam châm tiến lại gần cuộn dây dọc theo trục. Mặt gần của cuộn dây ứng xử như cực nào?
Lời giải
Từ thông tới đang tăng nên cuộn dây chống sự tăng; mặt gần trở thành cực bắc để đẩy cực bắc đang tới.