| Điện từ hoặc cảm ứng từ là việc sản xuất một suất điện động (tức là điện áp) trên một dây dẫn điện trong từ trường thay đổi.
Michael Faraday thường được ghi nhận là người phát hiện ra cảm ứng vào năm 1831 và James Clerk Maxwell đã mô tả một cách toán học nó như là định luật cảm ứng của Faraday. Định luật của Lenz mô tả hướng của trường cảm ứng. Định luật Faraday sau đó được khái quát hóa để trở thành phương trình Maxaday Faraday, một trong bốn phương trình Maxwell trong lý thuyết điện từ của ông.
Cảm ứng điện từ đã tìm thấy nhiều ứng dụng, bao gồm các thành phần điện như cuộn cảm và máy biến áp, và các thiết bị như động cơ điện và máy phát điện.
Lịch sử [ chỉnh sửa ]
Sơ đồ bộ máy vòng sắt của Faraday. Sự thay đổi trong từ thông của cuộn dây bên trái tạo ra dòng điện trong cuộn dây bên phải. [2]
Cảm ứng điện từ được phát hiện bởi Michael Faraday, xuất bản năm 1831. [3][4] Nó được Joseph Henry phát hiện độc lập vào năm 1832. [5] [6]
Trong cuộc trình diễn thử nghiệm đầu tiên của Faraday (ngày 29 tháng 8 năm 1831), ông quấn hai sợi dây quanh hai mặt đối diện của vòng sắt hoặc "hình xuyến" (cách sắp xếp tương tự như hiện đại Máy biến áp hình xuyến). [ cần trích dẫn ] Dựa trên hiểu biết của mình về nam châm điện, ông dự đoán rằng, khi dòng điện bắt đầu chảy trong một dây, một loại sóng sẽ truyền qua vòng và gây ra một số hiệu ứng điện ở phía đối diện. Anh ta cắm một dây vào điện kế, và xem nó khi anh ta kết nối dây kia với pin. Anh ta nhìn thấy một dòng điện thoáng qua, mà anh ta gọi là "sóng điện", khi anh ta kết nối dây với pin và một cái khác khi anh ta ngắt kết nối nó. [7] Cảm ứng này là do sự thay đổi của từ thông xảy ra khi pin bị kết nối và ngắt kết nối. [2] Trong vòng hai tháng, Faraday tìm thấy một số biểu hiện khác của cảm ứng điện từ. Ví dụ, anh ta thấy dòng điện thoáng qua khi anh ta nhanh chóng trượt một thanh nam châm vào và ra khỏi một cuộn dây và anh ta tạo ra một dòng điện (DC) ổn định bằng cách xoay một đĩa đồng gần nam châm thanh bằng một dây dẫn điện trượt ("Đĩa của Faraday "). [8]
Faraday giải thích cảm ứng điện từ bằng cách sử dụng một khái niệm mà ông gọi là các đường lực. Tuy nhiên, các nhà khoa học vào thời điểm đó đã bác bỏ rộng rãi các ý tưởng lý thuyết của ông, chủ yếu là vì chúng không được hình thành về mặt toán học. [9] Một ngoại lệ là James Clerk Maxwell, người đã sử dụng các ý tưởng của Faraday làm cơ sở cho lý thuyết điện từ định lượng của ông. khía cạnh thay đổi thời gian của cảm ứng điện từ được biểu thị dưới dạng phương trình vi phân, mà Oliver Heaviside gọi là định luật Faraday mặc dù nó hơi khác so với công thức ban đầu của Faraday và không mô tả EMF chuyển động. Phiên bản của Heaviside (xem phương trình MaxwellTHER Faraday bên dưới) là hình thức được công nhận ngày nay trong nhóm phương trình được gọi là phương trình Maxwell.
Năm 1834, Heinrich Lenz đã xây dựng luật được đặt theo tên ông để mô tả "thông lượng qua mạch". Định luật của Lenz đưa ra hướng của EMF cảm ứng và dòng điện phát sinh từ hiện tượng cảm ứng điện từ.
Định luật cảm ứng của Faraday và định luật Lenz [ chỉnh sửa ]
Mặt cắt ngang của một cuộn điện từ có dòng điện không đổi chạy qua nó. Các đường sức từ được chỉ định, với hướng của chúng được hiển thị bằng mũi tên. Từ thông tương ứng với 'mật độ của các đường trường'. Từ thông do đó dày đặc nhất ở giữa điện từ và yếu nhất bên ngoài nó.
Định luật cảm ứng của Faraday sử dụng từ thông Φ B qua một vùng không gian được bao quanh bởi một vòng dây . Từ thông được xác định bởi một tích phân bề mặt: [12]
trong đó d A là một phần tử của bề mặt Σ được bao quanh bởi vòng dây, B là từ trường. Sản phẩm chấm B · d A tương ứng với lượng từ thông cực nhỏ. Nói một cách trực quan hơn, từ thông qua vòng dây tỷ lệ thuận với số lượng dòng từ thông đi qua vòng.
Khi từ thông qua bề mặt thay đổi, định luật cảm ứng của Faraday nói rằng vòng dây có được một lực điện động (EMF). [note 1] Phiên bản phổ biến nhất của định luật này nói rằng lực điện động cảm ứng trong bất kỳ mạch kín nào đều bằng nhau đến tốc độ thay đổi của từ thông được bao quanh bởi mạch: [16][17]
trong đó
{ displaystyle { mathcal {E}}}
{ mathcal {E}} EMF và Φ B là từ thông. Hướng của suất điện động được đưa ra theo định luật Lenz, trong đó tuyên bố rằng một dòng điện cảm ứng sẽ chạy theo hướng sẽ chống lại sự thay đổi tạo ra nó. [18] Điều này là do dấu âm trong phương trình trước. Để tăng EMF được tạo ra, một cách tiếp cận phổ biến là khai thác liên kết từ thông bằng cách tạo ra một cuộn dây được quấn chặt, bao gồm các vòng quay giống hệt nhau N mỗi vòng có cùng một từ thông đi qua chúng. Kết quả EMF sau đó là N lần so với một dây đơn. [19][20]
Tạo EMF thông qua một biến thể của từ thông thông qua bề mặt của vòng dây có thể đạt được theo nhiều cách:
từ trường B thay đổi (ví dụ: từ trường xen kẽ hoặc di chuyển một vòng dây về phía nam châm thanh nơi trường B mạnh hơn),
vòng dây bị biến dạng và bề mặt thay đổi,
hướng của bề mặt d A thay đổi (ví dụ: quay một vòng dây vào một từ trường cố định),
bất kỳ sự kết hợp nào của phương trình Maxwell ở Faraday ở trên [ chỉnh sửa ]
Nói chung, mối quan hệ giữa EMF
{ displaystyle { mathcal {E}}}
{ displaystyle { mathcal {E}}} trong một vòng dây bao quanh một bề mặt và điện trường E trong dây được đưa ra bởi
trong đó d là một yếu tố tạo đường viền của bề mặt, kết hợp điều này với định nghĩa từ thông
|
