Cảm Ứng Điện Từ Là Gì? Định Luật Faraday, Lenz Và Ứng Dụng

Cảm ứng điện từ là hiện tượng xuất hiện sức điện động (và dòng điện cảm ứng nếu mạch kín) trong một mạch dẫn khi từ thông đi qua mạch đó biến thiên theo thời gian. Độ lớn sức điện động tỉ lệ với tốc độ biến thiên từ thông (định luật Faraday), còn chiều của nó luôn chống lại nguyên nhân sinh ra nó (định luật Lenz). Hiện tượng này do Michael Faraday công bố năm 1831 và là nguyên lý làm việc của máy phát điện, máy biến áp, động cơ không đồng bộ, biến dòng đo lường, cảm biến tiệm cận, bếp từ. Bài viết trình bày khái niệm từ thông, định luật Faraday – Lenz kèm ví dụ tính, hiện tượng tự cảm, hỗ cảm, dòng điện xoáy, các ứng dụng trong kỹ thuật điện và những hiểu nhầm thường gặp.

Mục lục

• 1. Cảm ứng điện từ là gì?
• 2. Từ thông và các cách làm từ thông biến thiên
• 3. Định luật Faraday và định luật Lenz về cảm ứng điện từ
• 4. Hiện tượng tự cảm và hỗ cảm
• 5. Dòng điện xoáy (dòng Foucault)
• 6. Ứng dụng của cảm ứng điện từ trong kỹ thuật và đời sống
• 7. Các yếu tố quyết định độ lớn sức điện động cảm ứng
• 8. Phân biệt cảm ứng điện từ với các hiện tượng dễ nhầm
• 9. Câu hỏi thường gặp về cảm ứng điện từ

1. Cảm ứng điện từ là gì?

Cảm ứng điện từ là quá trình từ trường biến thiên sinh ra điện trường, biểu hiện thành sức điện động trong dây dẫn. Điều kiện cần là từ thông qua mạch phải thay đổi; một nam châm đứng yên cạnh cuộn dây đứng yên, dù rất mạnh, cũng không sinh ra dòng điện.

Ngày 29/8/1831, Faraday quấn hai cuộn dây trên một vòng sắt và thấy kim điện kế ở cuộn thứ hai lệch đi mỗi khi đóng hoặc ngắt dòng ở cuộn thứ nhất, chứ không lệch khi dòng đã ổn định. Sau đó ông cho thấy đưa nam châm ra vào cuộn dây cũng sinh dòng điện, và chế tạo đĩa Faraday, máy phát điện một chiều đầu tiên. Joseph Henry ở Mỹ phát hiện độc lập hiện tượng này và hiện tượng tự cảm vào khoảng 1831–1832; đơn vị độ tự cảm henry (H) mang tên ông.

2. Từ thông và các cách làm từ thông biến thiên

Từ thông qua một mặt phẳng diện tích S đặt trong từ trường đều B là Φ = B·S·cosα, trong đó α là góc giữa vector cảm ứng từ và pháp tuyến của mặt. Đơn vị từ thông là weber (Wb); 1 Wb = 1 T·m². Với cuộn dây N vòng, từ thông móc vòng là N·Φ.

Từ công thức, có ba cách làm từ thông thay đổi:

• Thay đổi B: dòng điện xoay chiều trong cuộn sơ cấp máy biến áp làm B trong lõi thép biến thiên hình sin; đưa nam châm lại gần hoặc ra xa cuộn dây.
• Thay đổi S: thanh dẫn trượt trên hai ray làm diện tích mạch kín tăng dần; thanh dẫn rotor cắt qua từ trường.
• Thay đổi góc α: khung dây quay đều trong từ trường, đây là cách máy phát điện xoay chiều tạo ra điện áp hình sin.

3. Định luật Faraday và định luật Lenz về cảm ứng điện từ

a. Định luật Faraday

Sức điện động cảm ứng trong cuộn dây N vòng bằng tốc độ biến thiên của từ thông móc vòng: e = −N·ΔΦ/Δt (dạng vi phân e = −N·dΦ/dt). Ví dụ: cuộn dây 200 vòng, từ thông qua mỗi vòng giảm đều từ 0,01 Wb về 0 trong 0,05 s, sức điện động cảm ứng có độ lớn 200 × 0,01 / 0,05 = 40 V.

Với thanh dẫn thẳng dài L chuyển động với vận tốc v vuông góc với từ trường B, công thức tương đương là e = B·L·v. Ví dụ thanh dài 0,5 m chuyển động 10 m/s trong từ trường 0,8 T sinh ra 4 V. Chiều sức điện động xác định bằng quy tắc bàn tay phải: từ trường xuyên vào lòng bàn tay, ngón cái chỉ chiều chuyển động, bốn ngón chỉ chiều dòng cảm ứng.

b. Định luật Lenz

Dòng điện cảm ứng có chiều sao cho từ trường do nó sinh ra chống lại sự biến thiên của từ thông đã sinh ra nó; đó là ý nghĩa dấu trừ trong công thức. Định luật Lenz là hệ quả của bảo toàn năng lượng: muốn lấy điện từ máy phát, phải tốn công cơ học thắng lực cản do dòng cảm ứng sinh ra. Đây cũng là lý do máy phát chạy có tải nặng hơn chạy không tải, và động cơ có sức phản điện động chống lại điện áp nguồn.

4. Hiện tượng tự cảm và hỗ cảm

a. Tự cảm

Khi dòng điện trong một cuộn dây thay đổi, từ thông do chính nó tạo ra cũng thay đổi và sinh ra sức điện động tự cảm e = −L·di/dt, với L là độ tự cảm (H). Năng lượng tích trong từ trường cuộn dây là W = ½·L·I². Hệ quả thực tế: khi ngắt điện đột ngột một cuộn dây có dòng lớn (cuộn hút contactor, van điện từ, cuộn kích từ), di/dt rất lớn tạo ra xung điện áp vài trăm đến hàng nghìn volt, gây tia lửa ở tiếp điểm và phá hỏng transistor điều khiển. Vì vậy cuộn dây DC thường được mắc diode dập ngược, cuộn dây AC được mắc mạch RC hoặc varistor.

b. Hỗ cảm

Khi hai cuộn dây có chung một phần từ thông, dòng biến thiên trong cuộn này sinh sức điện động trong cuộn kia: e₂ = −M·di₁/dt, với M là hệ số hỗ cảm. Máy biến áp là ứng dụng điển hình: lõi thép dẫn gần toàn bộ từ thông từ cuộn sơ cấp sang thứ cấp, điện áp hai cuộn tỉ lệ với số vòng U₁/U₂ ≈ N₁/N₂. Hỗ cảm cũng là nguyên nhân gây nhiễu khi cáp tín hiệu chạy song song sát cáp động lực.

5. Dòng điện xoáy (dòng Foucault)

Khi khối kim loại nằm trong từ trường biến thiên hoặc chuyển động trong từ trường, trong khối kim loại xuất hiện các dòng cảm ứng khép kín gọi là dòng điện xoáy. Chúng có hai mặt:

• Có hại: làm nóng lõi thép máy biến áp, động cơ, gây tổn hao sắt. Cách hạn chế là ghép lõi từ các lá thép kỹ thuật điện mỏng 0,23–0,5 mm có phủ cách điện, thêm silic vào thép để tăng điện trở suất.
• Có lợi: bếp từ, lò nấu chảy kim loại cảm ứng, máy tôi cao tần nung nóng chi tiết bằng chính dòng xoáy; phanh điện từ trên xe tải, tàu hỏa, thang máy dùng dòng xoáy để hãm không ma sát; công tơ điện cơ kiểu cũ dùng đĩa nhôm quay nhờ dòng xoáy.

6. Ứng dụng của cảm ứng điện từ trong kỹ thuật và đời sống

• Máy biến áp đặt vào nguồn một chiều sẽ chỉ có dòng giới hạn bởi điện trở cuộn dây, dễ cháy.
• Biến dòng hở mạch thứ cấp khi đang có dòng sơ cấp sinh điện áp rất cao, nguy hiểm cho người và cách điện.
• Cảm biến tiệm cận cảm ứng không phát hiện nhựa, gỗ, thủy tinh.

Trong động cơ điện, cảm ứng điện từ có mặt ở mọi loại: nó sinh dòng rotor trong động cơ không đồng bộ và sinh sức phản điện động trong mọi động cơ. Xem thêm tổng quan về motor điện để hiểu cách các loại động cơ áp dụng hiện tượng này.

7. Các yếu tố quyết định độ lớn sức điện động cảm ứng

• Số vòng dây N: sức điện động tăng tỉ lệ với số vòng; đây là cách máy biến áp tăng hoặc giảm điện áp.
• Tốc độ biến thiên từ thông: tần số càng cao hoặc chuyển động càng nhanh thì sức điện động càng lớn. Với máy biến áp, U ≈ 4,44·f·N·Φmax, nên cùng điện áp, tần số cao cho phép lõi nhỏ hơn.
• Cảm ứng từ B và diện tích S: lõi thép có độ từ thẩm cao giúp tập trung từ thông, tăng B nhiều lần so với cuộn dây không lõi, nhưng B bị giới hạn bởi bão hòa từ (thép kỹ thuật điện khoảng 1,5–1,8 T).
• Vị trí và góc đặt: từ thông móc vòng giảm khi cuộn dây lệch góc hoặc ở xa nguồn từ trường.

8. Phân biệt cảm ứng điện từ với các hiện tượng dễ nhầm

• Lực điện từ (lực Ampère, lực Lorentz): dòng điện có sẵn trong từ trường bị tác dụng lực, tạo chuyển động. Đây là quá trình ngược với cảm ứng điện từ (chuyển động hoặc từ trường biến thiên tạo ra điện).
• Hiệu ứng Hall: điện áp xuất hiện ngang qua tấm bán dẫn mang dòng điện đặt trong từ trường, đo được cả từ trường không đổi. Cảm biến Hall trong động cơ BLDC và cảm biến dòng điện dùng hiệu ứng này, không phải cảm ứng điện từ.
• Hiệu ứng Faraday (quang từ): sự quay mặt phẳng phân cực ánh sáng khi đi qua vật liệu đặt trong từ trường, dùng trong cảm biến dòng điện cáp quang. Đây là hiện tượng quang học, khác với định luật cảm ứng Faraday.
• Cảm ứng tĩnh điện: sự phân bố lại điện tích trên vật dẫn khi đặt gần vật mang điện, không liên quan tới từ trường.

9. Câu hỏi thường gặp về cảm ứng điện từ

a. Người sắp mua cần hỏi gì, xác minh gì

• Mua máy biến áp, cần xác minh thông số nào liên quan đến cảm ứng điện từ? Điện áp sơ cấp, thứ cấp, tần số định mức 50 Hz hay 60 Hz, công suất kVA và dòng không tải. Máy biến áp thiết kế cho 60 Hz chạy ở lưới 50 Hz sẽ có từ thông lõi tăng khoảng 20%, dễ bão hòa, dòng không tải và nhiệt độ tăng mạnh.
• Mua biến dòng CT cần hỏi gì? Tỉ số biến (ví dụ 200/5 A), cấp chính xác (0,5 cho đo đếm, 5P10 cho bảo vệ), công suất định mức VA phải lớn hơn tổng tải đồng hồ cộng dây dẫn. Dây thứ cấp dài, tiết diện nhỏ làm vượt công suất cho phép và sai số đo tăng.
• Mua cảm biến tiệm cận cảm ứng cần chú ý gì? Khoảng cách phát hiện danh định Sn được đo với tấm thép chuẩn; với nhôm có thể chỉ còn khoảng 30–50% Sn, đồng còn khoảng 25–45%. Cần biết vật cần phát hiện làm bằng gì, loại đầu ra NPN hay PNP, điện áp cấp 10–30 VDC hay 220 VAC.
• Động cơ nhập khẩu ghi 60 Hz dùng lưới 50 Hz được không? Động cơ 60 Hz chạy 50 Hz cùng điện áp sẽ có từ thông tăng khoảng 20%, dòng từ hóa tăng, động cơ nóng hơn, tốc độ giảm còn khoảng 5/6. Cần hỏi nhà sản xuất có dải điện áp – tần số kép hay không, hoặc dùng biến tần cấp đúng tần số.
• Contactor, rơ le có cuộn hút điện áp nào? Cuộn hút là cuộn cảm; cuộn 220 VAC cấp 220 VDC sẽ có dòng rất lớn và cháy vì không còn cảm kháng giới hạn dòng. Cần xác minh điện áp và loại nguồn (AC hay DC) của cuộn hút khớp với mạch điều khiển.
• Thiết bị sạc, bếp từ ghi hiệu suất bao nhiêu? Hiệu suất truyền năng lượng bằng cảm ứng phụ thuộc khe hở và vật liệu. Bếp từ chỉ làm việc tốt với nồi đáy nhiễm từ; sạc không dây cần đặt đúng vị trí cuộn dây.

b. Người đã mua: lắp sao cho đúng, dùng sao cho tối ưu

• Lắp cuộn hút DC, van điện từ DC cần thêm gì? Mắc diode dập ngược song song với cuộn dây (cathode về cực dương) để hấp thụ xung tự cảm khi ngắt. Với cuộn AC, dùng bộ RC hoặc varistor. Không có các phần tử này, tiếp điểm rơ le và transistor đầu ra PLC dễ cháy sau thời gian ngắn.
• Đi dây cáp tín hiệu cạnh cáp động lực thế nào? Tách máng hoặc giữ khoảng cách tối thiểu khoảng 20–30 cm, cắt nhau thì cắt vuông góc, dùng cáp tín hiệu xoắn đôi có chống nhiễu nối đất một đầu. Dòng lớn biến thiên trong cáp động lực, nhất là sau biến tần, cảm ứng nhiễu vào cáp tín hiệu.
• Thay thế hoặc tháo đồng hồ khi CT đang mang tải thế nào? Nối tắt hai đầu thứ cấp CT bằng khối nối tắt trước khi tháo đồng hồ, tháo xong mới gỡ nối tắt. Hở mạch thứ cấp CT khi có dòng sơ cấp sinh điện áp rất cao.
• Lắp cảm biến tiệm cận cảm ứng sao cho ổn định? Đặt vật cần phát hiện trong khoảng 70–80% khoảng cách danh định, chừa khoảng trống kim loại quanh đầu cảm biến theo hướng dẫn (với loại không âm bề mặt), giữ khoảng cách giữa hai cảm biến đặt cạnh nhau để tránh nhiễu lẫn nhau.
• Máy biến áp kêu to, nóng khi chạy không tải có bình thường? Tiếng ù nhẹ 100 Hz do từ giảo của lõi thép là bình thường; kêu to và nóng khi không tải thường do điện áp vào cao hơn định mức làm lõi bão hòa, hoặc lõi bị lỏng. Đo điện áp đầu vào và chỉnh nấc phân áp nếu có.
• Chọn tần số biến tần cho động cơ thế nào để không quá từ thông? Biến tần giữ tỉ số U/f không đổi; nếu cài tần số định mức của động cơ sai (ví dụ cài 60 Hz cho động cơ 50 Hz) thì từ thông sai lệch, động cơ yếu hoặc nóng. Nhập đúng thông số nhãn động cơ vào biến tần.

c. Các lỗi người dùng thường mắc và cách chỉnh sửa

• Nghĩ nam châm mạnh đặt cạnh cuộn dây là sinh ra điện. Chỉ có điện khi từ thông thay đổi: nam châm phải chuyển động, cuộn dây phải quay hoặc dòng tạo từ trường phải biến thiên. Đây cũng là lý do máy biến áp không làm việc với điện một chiều.
• Cấp điện một chiều cho máy biến áp hoặc cuộn hút AC. Không có biến thiên từ thông nên không có sức điện động tự cảm hạn chế dòng; dòng chỉ còn bị giới hạn bởi điện trở nhỏ của dây, cuộn dây nóng và cháy. Cách sửa: dùng đúng loại nguồn ghi trên thiết bị.
• Nhầm hiệu ứng Faraday, hiệu ứng Hall với cảm ứng điện từ. Hiệu ứng Faraday là hiện tượng quang từ; hiệu ứng Hall đo được từ trường không đổi. Cảm biến Hall trong motor BLDC hoạt động khi rotor đứng yên, điều mà cuộn dây cảm ứng không làm được.
• Cho rằng dòng điện xoáy chỉ có hại. Nó gây tổn hao trong lõi thép nhưng lại là nguyên lý của bếp từ, lò cảm ứng, phanh điện từ, cảm biến tiệm cận. Hiểu đúng giúp giải thích vì sao lõi động cơ phải ghép lá thép mà không đúc khối liền.
• Để hở mạch thứ cấp biến dòng. Sai lầm nguy hiểm khi bảo trì tủ điện; điện áp thứ cấp có thể lên hàng nghìn volt, làm thủng cách điện hoặc gây giật. Cách sửa: luôn nối tắt thứ cấp trước khi tháo dây đồng hồ.
• Bỏ qua dấu trừ trong định luật Faraday. Dấu trừ thể hiện định luật Lenz; bỏ qua nó dẫn tới xác định sai chiều dòng cảm ứng, sai cực tính khi đấu song song máy biến áp hoặc đấu cực tính CT cho đồng hồ công suất, làm đồng hồ hiển thị âm.

d. Dành cho sinh viên cơ điện mới vào ngành: nên tìm hiểu gì trước

• Cần nắm khái niệm nào trước khi học cảm ứng điện từ? Từ trường của dòng điện thẳng và ống dây (định luật Ampère, quy tắc nắm tay phải), cảm ứng từ B, từ thông Φ, độ từ thẩm μ của vật liệu. Không hiểu từ thông là gì thì công thức e = −N·dΦ/dt chỉ là ký hiệu.
• Nên học theo thứ tự nào? Từ trường và lực từ, sau đó định luật Faraday – Lenz, tự cảm và hỗ cảm, mạch RL quá độ, rồi tới máy biến áp, máy phát điện xoay chiều và cuối cùng là động cơ không đồng bộ. Mỗi bước dùng lại kiến thức bước trước.
• Thiết bị nào nên tìm hiểu đầu tiên? Máy biến áp nhỏ một pha: tháo một biến áp nguồn hỏng để xem lõi thép lá, cuộn sơ cấp nhiều vòng dây nhỏ, cuộn thứ cấp ít vòng dây to. Sau đó tìm hiểu biến dòng và cảm biến tiệm cận, hai thiết bị gặp hằng ngày trong tủ điện công nghiệp.
• Bài thực hành gợi ý? Nối một cuộn dây vài trăm vòng với đồng hồ đo mV, đưa nam châm vào ra với các tốc độ khác nhau và ghi lại số chỉ; thử thêm lõi sắt. Bài thứ hai: cấp 12 VAC cho cuộn sơ cấp biến áp nhỏ, đo điện áp thứ cấp và so với tỉ số vòng. Bài thứ ba: quan sát xung điện áp khi ngắt cuộn hút rơ le 24 VDC bằng máy hiện sóng, có và không có diode dập.
• Toán học cần gì? Đạo hàm theo thời gian để hiểu dΦ/dt, hàm sin và số phức cho mạch xoay chiều, tích phân để tính năng lượng từ trường. Ở bậc cao hơn là phương trình Maxwell dạng tích phân.
• Học xong nên học tiếp gì? Mạch từ và tổn hao sắt, sơ đồ thay thế máy biến áp, nguyên lý động cơ không đồng bộ 3 pha, máy phát đồng bộ, rồi tới tương thích điện từ (EMC) và chống nhiễu trong tủ điện có biến tần.

Cảm ứng điện từ chỉ cần một điều kiện: từ thông phải biến thiên. Từ điều kiện đơn giản đó sinh ra máy phát, máy biến áp, động cơ không đồng bộ và hàng loạt cảm biến; hiểu đúng định luật Faraday – Lenz giúp giải thích được phần lớn hiện tượng gặp trong tủ điện và động cơ hằng ngày.