Từ trường, cảm ứng điện từ và máy phát điện xoay chiều

Ở phần đầu của mạch kiến thức điện từ, em đã học tương tác giữa hai nam châm (cùng cực đẩy nhau, khác cực hút nhau), khái niệm từ trường, đường sức từ quanh nam châm và quanh dây dẫn thẳng có dòng điện, cùng quy tắc nắm tay phải. Bài này dùng chính khái niệm từ trường đó để giải thích một hiện tượng mới: bản thân dòng điện cũng có thể được sinh ra từ từ trường, chứ không chỉ ngược lại như em đã quen thuộc trước đây.

Hiện tượng cảm ứng điện từ xảy ra khi số đường sức từ xuyên qua một cuộn dây kín (gọi là từ thông qua cuộn dây) BIẾN THIÊN — thay đổi tăng hoặc giảm theo thời gian — thì trong cuộn dây xuất hiện dòng điện cảm ứng. Điều kiện quan trọng nhất cần nhớ: PHẢI có sự biến thiên của từ thông; nếu từ thông không đổi (ví dụ nam châm đứng yên hẳn bên trong cuộn dây), dù từ trường vẫn tồn tại, sẽ KHÔNG có dòng điện cảm ứng. Từ thông biến thiên có thể do: nam châm chuyển động ra vào cuộn dây, cuộn dây chuyển động tương đối so với nam châm, hoặc dòng điện trong một cuộn dây khác đặt gần đó biến thiên (tăng, giảm, đóng ngắt). Máy phát điện xoay chiều ứng dụng trực tiếp nguyên lí này: một cuộn dây được quay đều trong từ trường của nam châm (hoặc ngược lại, nam châm quay quanh cuộn dây cố định). Khi cuộn dây quay, từ thông xuyên qua nó biến thiên liên tục theo thời gian, sinh ra dòng điện cảm ứng luân phiên đổi chiều — đó chính là dòng điện xoay chiều. Tốc độ quay càng nhanh, từ thông biến thiên càng nhanh, dòng điện cảm ứng sinh ra càng mạnh. Đây chính là nguyên lí đằng sau mọi nhà máy phát điện cung cấp cho lưới điện xoay chiều 220V dùng trong các hộ gia đình Việt Nam — dù nguồn năng lượng quay tua-bin có thể là hơi nước (nhiệt điện), dòng nước (thuỷ điện), hay gió (điện gió), bản chất tạo ra dòng điện luôn là cùng một nguyên lí cảm ứng điện từ. Điều thú vị là hiện tượng cảm ứng điện từ hoạt động theo cả hai chiều: dòng điện có thể được TẠO RA từ chuyển động (như máy phát điện vừa mô tả), và ngược lại, dòng điện cũng có thể TẠO RA chuyển động khi đặt trong từ trường — đây chính là nguyên lí của động cơ điện, thiết bị biến điện năng thành cơ năng mà em thấy trong quạt điện, máy bơm nước. Máy phát điện và động cơ điện vì vậy là hai mặt của cùng một hiện tượng vật lí, chỉ khác nhau ở chiều chuyển hoá năng lượng — một bên biến cơ năng thành điện năng, một bên biến điện năng ngược lại thành cơ năng.