Cảm ứng điện từ, dòng điện xoay chiều và máy biến áp

Từ thông 🔊

Từ thông qua một mặt phẳng diện tích \(S\) đặt trong từ trường đều:

với \(\alpha\) là góc giữa vectơ cảm ứng từ \(\vec B\) và pháp tuyến \(\vec n\) của mặt phẳng. Đơn vị: vêbe (Wb), 1 Wb = 1 T.m². Với khung dây N vòng: \(\Phi = NBS\cos\alpha\).

Hiện tượng cảm ứng điện từ – định luật Faraday và Lenz 🔊

Khi từ thông qua mạch kín biến thiên, trong mạch xuất hiện dòng điện cảm ứng. Hiện tượng này gọi là cảm ứng điện từ. Từ thông có thể biến thiên do thay đổi B, S hoặc góc α (nam châm chuyển động lại gần/ra xa cuộn dây, khung quay …).

Định luật Faraday: độ lớn suất điện động cảm ứng tỉ lệ với tốc độ biến thiên từ thông:

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 sinh ra nó. (Nam châm lại gần → cuộn dây đẩy ra; nam châm ra xa → cuộn dây hút lại.) Đây là biểu hiện của định luật bảo toàn năng lượng.

Dòng điện Foucault (dòng xoáy) xuất hiện trong khối kim loại đặt trong từ trường biến thiên – ứng dụng trong bếp từ, phanh điện từ; có hại trong lõi máy biến áp (khắc phục bằng các lá thép mỏng ghép cách điện).

Dòng điện xoay chiều – máy phát điện 🔊

Khung dây N vòng, diện tích S quay đều với tốc độ góc \(\omega\) trong từ trường đều B (trục quay vuông góc với \(\vec B\)) thì xuất hiện suất điện động xoay chiều hình sin:

Điện áp và dòng điện xoay chiều: \(u = U_0\cos(\omega t + \varphi_u)\), \(i = I_0\cos(\omega t + \varphi_i)\). Tần số \(f = \dfrac{\omega}{2\pi}\); ở Việt Nam lưới điện có \(f = 50\) Hz.

Giá trị hiệu dụng (số chỉ của vôn kế, ampe kế xoay chiều; số ghi trên thiết bị):

Điện từ trường: từ trường biến thiên sinh ra điện trường xoáy và ngược lại; điện từ trường lan truyền trong không gian dưới dạng sóng điện từ với tốc độ \(c = 3.10^8\) m/s trong chân không.

Máy biến áp và truyền tải điện năng 🔊

Máy biến áp gồm lõi thép và hai cuộn dây (sơ cấp \(N_1\), thứ cấp \(N_2\)), hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ – chỉ hoạt động với dòng điện xoay chiều.

• \(N_2 > N_1\): máy tăng áp; \(N_2 < N_1\): máy hạ áp.

Công suất hao phí trên đường dây: \(\Delta P = \dfrac{P^2 R}{U^2}\). Tăng điện áp truyền tải lên n lần thì hao phí giảm \(n^2\) lần – vì vậy nhà máy dùng máy tăng áp trước khi truyền tải đi xa.