Chương IV: Những lý thuyết cơ bản của điện từ

IV.1. Định nghĩa Điện từ là hiện tượng liên quan đến sự tạo ra từ trường H dưới sự ảnh hưởng của dòng điện i IV.2. Từ trường tạo bởi dòng điện chạy qua dây dẫn thẳng Ta có dòng điện i chạy qua dây dẫn thẳng dài. Có thể thấy rằng dưới tác động của dòng điện chạy qua, xuất hiện một từ trường H xung quanh dây dẫn. Tại điểm P, cách dây dẫn khoảng cách r, giá trị của từ trường H được tính theo công thức: H = i/2..r Ta thấy rằng:  Dòng điện càng lớn, từ trường H tại P càng lớn  Điểm P càng gần dây dẫn, từ trường tại đó càng lớn. Cường độ dòng điện biểu thị bằng Ampe (A), khoảng cách r bằng mét (m) nên từ trường biểu thị bằng Ampe/mét (A/m). Từ trường tạo ra là hình tròn. Hướng của nó tiếp tuyến với đường tròn có tâm nằm trên dây dẫn và nằm trên mặt phẳng vuông góc với dây dẫn Hướng của từ trường có thể xác định bằng một vài quy tắc:  Quy tắc bàn tay phải: Tưởng tượng rằng bạn nắm dây dẫn bằng tay phải với ngón tay cái chỉ chiều dòng điện. Chiều của từ trường sẽ được chỉ bằng các ngón tay còn lại của tay phải bạn.  Quy tắc vặn nút chai: Tưởng tượng rằng dây dẫn là cái nút chai và cái mở nút chai (cho người thuận tay phải) nằm trong dây dẫn theo chiều dòng điện. Chiều của từ trường H chính là chiều quay tiến vào của cái mở nút chai đó.  Quy tắc Ampere observer: Tưởng tượng rằng một người bé nằm trên dây dẫn, dòng điện chạy từ chân tới đầu. Khi người đó nhìn thắng tới điểm P, hướng của từ trường H là hướng của cánh tay trái người đó. Ghi chú: Nếu dòng điện i chạy vào dây dẫn thẳng là dòng xoay chiều, thì từ trường tạo ra cũng là xoay chiều. Từ trường luôn luôn là hình tròn nhưng hướng của từ trường đảo chiều theo sự thay đổi của dòng điện i. IV.3. Từ trường tạo bởi dòng điện chạy qua vòng dây Ta có dòng điện i chạy qua vòng dây. Có thể tính giá trị từ trường H tại mỗi điểm P nằm trên trục của vòng dây. Giá trị đó được tính bởi công thức sau: H = i.a²/{2.(x² + a²)^3/2} Trong đó a là bán kính vòng dây và x là khoảng cách giữa điểm P và tâm của vòng tròn. Nhớ rằng: o Giá trị từ trường tại tâm của vòng dây O là: H (O) = i/2a Dòng đi qua vòng dây càng lớn thì từ trường tạo ra càng lớn. Với dòng cố định, bán kính vòng dây càng lớn thì từ trường H tại tâm vòng dây càng nhỏ. o Cường độ từ trường trên trục của vòng dây giảm rất nhanh khi chúng ta đi xa tâm của vòng dây. Trên sơ đồ sau cho chúng ta thấy cường độ từ trường H phụ thuộc khoảng cách: Ta thấy rằng ở khoảng cách bằng bán kính vòng dây, Cường độ từ trường giảm khoảng 2/3 (65%). Ngoài ra, sơ đồ dưới cho chúng ta thấy từ trường tạo bởi vòng dây không đồng nhất và hướng của từ trường H thay đổi từ điểm này tới điểm khác. Trên trục của vòng dây, hướng của từ trường H luôn luôn vuông góc với mặt phẳng vòng dây. Ở các điểm khác, hướng của từ trường H lệch so với trục vòng dây. Ta nói rằng từ trường bao gồm thành phần vuông góc và tiếp tuyến. Ở vài điểm, từ trường chỉ có thành phần tiếp tuyến. Ghi chú: Trên trục của vòng dây, hướng của từ trường cũng có thể sử dụng quy tắc vặn nút chai: mở nút chai nằm trên trục của vòng dây, quay theo chiều dòng điện, hướng tiến của nó là hướng của từ trường. Nếu dòng điện i là xoay chiều thì từ trường H cũng là xoay chiều IV.4. Từ trường tạo bởi dòng điện chạy qua cuộn dây phẳng Chúng ta gọi cuộn dây phẳng là cuộn dây bao gồm N vòng dây xếp liền nhau trên cùng một mặt phẳng. Chiều dày của nó rất nhỏ so với đường kính của nó. Từ trường H tạo bởi cuộn dây như vậy xem như là tổng các từ trường tạo bởi từng vòng dây. Từ trường H tạo bởi cuộn dây phẳng giống hệt như một trong những từ trường tạo bởi một vòng dây. Cường độ từ trường trên trục của cuộn dây cũng suy giảm như vậy. Tại tâm của cuộn dây phẳng, giá trị từ trường H được tính như sau: H = N.i/2.a IV.5. Từ trường tạo bởi dòng điện chạy qua ống dây Ta gọi ống dây là cuộn dây được cuốn bởi N vòng dây liên tiếp nhau như các vòng song song tạo ra cuộn dây có chiều dài L dài hơn bán kính của vòng dây. Có thể tính giá trị từ trường H tại mỗi điểm P nằm trên trục của ống dây. Giá trị đó được tính bởi công thức sau: H = N.i.(cos1 – cos) / 2.L Trong trường hợp ống dây rất dài so với bán kính của nó, đối với điểm nằm trong ống dây, ta có thể cho rằng: 1 = 0, 2 =  Cường độ từ trường trong ống dây sẽ là: H = N.i / L Nếu đặt n = N/L, số vòng dây trên một đơn vị chiều dài, H có thể viết: H = n.i Sơ đồ sau cho ta thấy sự thay đổi cường độ từ trường trên trục của ống dây: Chúng ta thừa nhận rằng từ trường H trong ống dây là đều và song song với trục của ống dây. Bên cạnh đó ta cũng thấy rằng cường độ từ trường giảm rất nhanh bên ngoài ống dây. Ghi chú: Trên trục của ống dây, hướng của từ trường cũng có thể sử dụng quy tắc vặn nút chai: mở nút chai nằm trên trục của ống dây, quay theo chiều dòng điện, hướng tiến của nó là hướng của từ trường. Nếu dòng điện i là xoay chiều thì từ trường H cũng là xoay chiều. IV.6. Hiện tượng cảm ứng điện từ Ta đã biết từ các đoạn trước là có thể tạo từ trường bằng cách cho dòng điện chạy qua dây dẫn. Hiện tượng ngược lại cũng có thể. Chúng ta cũng có thể tạo ra dòng điện trong vật liệu dẫn điện khi vật dẫn đưa vào từ trường H. Hiện tượng được gọi là cảm ứng điện từ. Nếu chúng ta có một nam châm vĩnh cửu (tạo từ trường H1) và một ống dây với các đầu dây nối với nhau, có thể tạo ra dòng điện i vào ống dây bằng cách đưa nam châm đến gần ống dây đó. Nếu ta ngừng dịch chuyển nam châm, dòng điện cũng biến mất. Điều đó có nghĩa là sự cảm ứng chỉ xuất hiện khi vật dẫn đưa vào từ trường thay đổi. Thật vậy, khi chúng ta đưa nam châm lại gần ống dây, ống dây được đưa vào từ trường tăng dần. Vậy hiện tượng cảm ứng điện từ chỉ xuất hiện khi ống dây được đưa vào từ trường thay đổi. Cho nên, nếu chúng ta dịch chuyển nam châm ra xa ống dây, chiều dòng điện xuất hiện trong ống dây sẽ ngược lại ban đầu. Theo vấn đề mà chúng ta đã nói ở phần 4, dòng điện cảm ứng trong ống dây cũng tạo ra từ trường H2. Từ trường H2 tạo bởi dòng điện cảm ứng ngược với sự thay đổi của từ trường H1 sinh ra nó. Cho nên nếu cường độ từ trường H1 tăng, từ trường H2 sẽ ngược với H1. Nếu cường độ từ trường H1 giảm, từ trường H2 sẽ cùng chiều với H1. Chúng ta nói dòng điện tạo ra do cảm ứng tạo từ trường trong ống dây chống lại sự thay đổi từ trường sinh ra nó (định luật Lenz) Hiện tượng tương tự cũng có thể thấy khi chúng ta đặt 2 cuộn dây hoặc 2 ống dây gần nhau. Nếu chúng ta cho dòng điện chạy vào cuộn dây, nó tạo ra từ trường H1 tương tự như từ trường tạo bởi nam châm trước đó. Bằng cách dịch chuyển ra xa hoặc lại gần cuộn dây cảm ứng chúng ta sẽ tạo ra ở cuộn dây thứ hai dòng điện cảm ứng. Nếu chúng ta cho dòng điện xoay chiều i1 vào cuộn dây cảm ứng, dòng điện xoay chiều i xuất hiện ở cuộn dây thứ hai. Cả hai dòng điện xoay chiều có cùng tần số. Đó là nguyên lý của máy biến thế. Cuộn dây cảm ứng là cuộn dây sơ cấp, cuộn dây thứ hai là cuộn dây thứ cấp. Mặt khác, dòng điện cảm ứng i trong cuộn dây thứ cấp tạo ra từ trường H2 ngược với từ trường H1 sinh ra nó. Từ trường H2 sẽ ảnh hưởng tới mạch sơ cấp. Chúng ta nói sự tự cảm tương hỗ đã xảy ra giữa mạch sơ và thứ cấp.