Lý thuyết Suất điện động cảm ứng chi tiết (Vật lý lớp 11)

1. Định nghĩa:

Suất điện động cảm ứng là một khái niệm quan trọng trong lĩnh vực vật lý, đặc biệt là trong lĩnh vực điện từ. Được mô tả bởi định luật Faraday, suất điện động cảm ứng là sự tạo ra điện trường điện từ mà không cần có một nguồn điện từ bên ngoài. Điều này xảy ra khi có sự thay đổi trong dòng điện hoặc từ trường từ môi trường xung quanh.

Khi một dây dẫn bị đặt trong một trường từ có biến động, điện tích tự do trong dây sẽ bị di chuyển và tạo ra một suất điện động theo chiều kim đồng hồ. Ngược lại, nếu trường từ giảm đi, điện tích sẽ chuyển động ngược lại, tạo ra một suất điện động theo chiều ngược lại kim đồng hồ. Điều này là do định luật Faraday 

Suất điện động cảm ứng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều thiết bị và công nghệ hiện đại. Chẳng hạn, trong các máy phát điện, nguyên tắc này được sử dụng để chuyển đổi năng lượng cơ thành năng lượng điện. Các định dạng công nghiệp như việc sử dụng máy phát điện từ gió, năng lượng mặt trời, hay các máy phát điện định kỳ dựa trên nguyên lý này để tạo ra điện năng một cách hiệu quả.

Ngoài ra, suất điện động cảm ứng cũng đóng một vai trò quan trọng trong cảm biến và các hệ thống đo lường. Việc sử dụng các cảm biến dựa trên suất điện động cảm ứng giúp đo lường và theo dõi các biến đổi trong môi trường, từ nhiệt độ đến chuyển động, mang lại nhiều ứng dụng trong đời sống hàng ngày và trong công nghiệp.

Tóm lại, suất điện động cảm ứng không chỉ là một khái niệm lý thuyết trong vật lý, mà còn là nguyên lý cơ bản quyết định hoạt động của nhiều thiết bị và công nghệ quan trọng trong cuộc sống hiện đại.

2. Định luật Fa – ra – đây:

Đúng, định luật cảm ứng Faraday là một trong những nguyên lý quan trọng nhất trong lĩnh vực điện từ. Nó được Michael Faraday phát triển vào những năm 1830. Định luật này mô tả mối quan hệ giữa sự thay đổi của từ trường và sự xuất hiện của dòng điện trong một mạch điện.  Ban đầu định luật được hiểu là: Một lực điện động được sinh ra bởi cảm ứng khi từ trường quanh vật dẫn điện thay đổi. Suất điện động cảm ứng tỷ lệ thuận với độ thay đổi của từ trường thông qua vòng mạch điện.

Công thức định luật Faraday:

m = A.l.t/n.F

Trong đó:

m là khối lượng chất giải phóng ở điện cực (gam)

A là khối lượng mol nguyên tử của chất thu được ở điện cực

n là số electron mà nguyên tử hoặc ion đã cho hoặc nhận

I là cường độ dòng điện (A)

t là thời gian điện phân (s)

F là hằng số Faraday là diện tích của một electron hay điện lượng cần thiết để một mol electron chuyển dời trong mạch ở catot hoặc anot.

Phương trình Maxwell-Faraday là một trong bốn phương trình Maxwell, cùng với phương trình Gauss cho điện, phương trình Gauss cho từ trường, và phương trình Ampère-Maxwell. Phương trình Maxwell-Faraday diễn tả sự xuất hiện của một điện trường quanh một vùng không gian khi một từ trường trong vùng đó thay đổi theo thời gian. Nó được viết dưới dạng phương trình tích phân, thường được biểu diễn như sau:

Trong đó:

$\nabla \times \mathbf{E}$ là rotor của trường điện $\mathbf{E}$, đại diện cho sự vòng xoáy của trường điện.

​ là đạo hàm riêng của trường từ $\mathbf{B}$ theo thời gian, biểu thị sự thay đổi của từ trường theo thời gian.

Phương trình này nói rằng một điện trường sẽ được tạo ra xung quanh một vùng không gian khi có sự thay đổi của từ trường trong vùng đó theo thời gian. Đây là một phản ứng điện từ được gọi là cảm ứng điện từ và là cơ sở cho nhiều ứng dụng trong kỹ thuật điện.

Định luật Faraday là cơ sở lý thuyết cho quá trình này, và nó đã có nhiều ứng dụng quan trọng trong công nghiệp, bao gồm:

– Điều chế kim loại: Sử dụng điện phân để tách kim loại từ các hợp chất của chúng. Ví dụ, điện phân natri clorua (NaCl) để sản xuất natri (Na) và clor (Cl2).

– Chế tạo các phi kim: Điện phân cũng được sử dụng để tạo ra các nguyên tố không kim như hidro (H2) và oxy (O2) từ nước (H2O), hoặc các halogen như fluơ (F2), clo (Cl2) từ các muối halogen.

– Điều chế các hợp chất: Ngoài việc tạo ra các nguyên tố và phi kim, điện phân cũng có thể được sử dụng để sản xuất các hợp chất hóa học quan trọng như natri hydroxide (NaOH), nước oxy già (H2O2), nước gia – vệ (H2SO4).

– Tinh chế kim loại: Sử dụng điện phân để tinh chế kim loại, giúp loại bỏ các tạp chất và cải thiện độ tinh khiết của chúng. Ví dụ, quá trình điện phân dung dịch đồng clorua để sản xuất đồng (Cu) tinh khiết.

– Mạ điện: Trong ngành công nghiệp, điện phân được sử dụng rộng rãi trong quá trình mạ kim loại, nơi một lớp mỏng của một kim loại khác được phủ lên bề mặt của một vật liệu khác, thường để bảo vệ chống ăn mòn hoặc tạo ra hiệu ứng thẩm mỹ.

3. Suất điện động cảm ứng và định luật len – xơ: 

Điều đáng chú ý là Michael Faraday và Heinrich Lenz đều là những nhà khoa học quan trọng trong việc khám phá và định lý các hiện tượng cảm ứng điện từ. Trong quá trình nghiên cứu của mình, Heinrich Lenz đã khám phá ra một định luật quan trọng, được biết đến như định luật Lenz, làm rõ hơn về sự tương tác giữa từ trường và dòng điện cảm ứng.

Định luật Lenz là một khía cạnh quan trọng của hiện tượng cảm ứng điện từ. Nó khẳng định rằng dòng điện cảm ứng phải tạo ra một từ trường có chiều ngược lại với nguyên nhân tạo ra nó. Điều này có nghĩa là khi có sự thay đổi trong từ trường ban đầu, dòng điện cảm ứng sẽ tạo ra một từ trường phản kháng sự thay đổi đó.

Ví dụ, nếu chúng ta xem xét một trường hợp cụ thể như trong hình a, khi cực Bắc của thanh nam châm được đưa vào bên trong ống dây, làm tăng cường từ trường ban đầu, theo định luật Lenz, dòng điện cảm ứng phải tạo ra một từ trường ngược chiều với từ trường của thanh nam châm. Điều này giúp giảm sự tăng cường của từ trường ban đầu. Do đó, chiều của dòng điện cảm ứng sẽ ngược lại với chiều của từ trường ban đầu.

Tương tự, khi cực Bắc của thanh nam châm được dịch chuyển ra xa ống dây, làm giảm từ trường ban đầu, dòng điện cảm ứng phải tạo ra một từ trường cùng chiều với từ trường ban đầu để ngăn chặn sự giảm đó. Điều này làm tăng cường từ trường ban đầu và dòng điện cảm ứng sẽ có chiều giống với từ trường ban đầu.

Do đó, từ định luật Lenz, ta hiểu rằng dòng điện cảm ứng luôn luôn tạo ra một từ trường phản đối sự thay đổi của từ trường ban đầu. Điều này làm cho việc di chuyển thanh nam châm phải tiêu tốn năng lượng. Năng lượng này sau đó được chuyển đổi thành điện năng của dòng điện cảm ứng, theo nguyên lý bảo toàn năng lượng. Điều này là một minh chứng khác về sự tương đương giữa năng lượng cơ học và điện năng.

Nếu  là Dòng điện cảm ứng, có thể biểu diễn toán học như sau: