Hiện tượng tự cảm là gì? Khái niệm này chắc không còn xa lạ gì trong lĩnh vực điện, đặc biệt trong mạch điện xoay chiều. Để vận hành chúng trong những ứng dụng hiệu quả nhất thì việc đầu tiên chúng ra phải hiểu hết được về nó. Vậy nên bài viết này sẽ đi sâu và kỹ càng hơn để giúp các bạn hiểu hơn nhé.
1. Hiện tượng tự cảm là gì?
Hiện tượng tự cảm xuất hiện trong một mạch kín có dòng điện xoay chiều chạy qua, hoặc trong một mạch điện một chiều khi ta đóng mạch hoặc ngắt mạch.
Hiện tượng tự cảm dễ thấy nhất là ở các mạch điện xoay chiều. Trong đó cuộn cảm là bộ phận quan trọng trong các mạch điện xoay chiều, mạch dao động, máy biến áp.
2. Thí nghiệm về hiện tượng tự cảm
Dựa vào hình trên, chúng ta có 2 thí nghiệm được đưa ra:
Thí nghiệm 1
Khóa K1 và K2 đóng, K3 mở. Khi đóng khóa K, đèn 2 sáng lên ngày còn đèn 1 sáng lên chậm hơn đèn 2. Hiện tượng này xảy ra là vì:
- Khi đóng khóa K, dòng điện qua ống dây tăng lên đột ngột trong một khoảng thời gian ngắn làm cho từ trường qua ống dây tăng lên, từ thông qua cuộn dây tăng lên.
- Trong khoảng thời gian từ thông qua cuộn dây biến thiên sinh ra dòng điện cảm ứng theo định luật Lenxơ, dòng điện cảm ứng có chiều chống lại sự tăng của từ thông
- Hai sự việc trên sẽ khiến cường độ dòng điện bị giảm khi đi qua đèn 1, làm đèn 1 sáng chậm hơn so với đèn 2.
Thí nghiệm 2
Khóa K1, K3 đóng, K2 mở. Khi ngắt khóa K, đèn 3 đang tắt bỗng sáng vụt lên rồi tắt ngay. Vì:
- Khi ngắt khóa K, dòng điện đột ngột giảm trong khoảng thời gian ngắn khiến từ trường qua cuộn dây L giảm, từ thông qua cuộn dây L biến thiên giảm.
- Từ thông qua cuộn dây L biến thiên giảm, sinh ra dòng điện cảm ứng qua cuộn dây có chiều chống lại sự giảm khiến dòng điện cảm ứng này qua đèn 3 làm đèn 3 sáng vụt lên.
- Sau khoảng thời gian ngắt mạch không còn sự biến thiên từ thông, khiến dòng điện cảm ứng mất đi làm đèn 3 vụt tắt.
3. Suất điện động tự cảm là gì?
Hệ số tự cảm
Từ thông: Φ = Li. Với L là hệ số tự cảm.
Trong thí nghiệm về hiện tượng tự cảm, người ta sử dụng một cuộn dây được gọi là cuộn cảm, L sẽ được gọi là hệ số tự cảm của cuộn dây.
Khi đó hệ số tự cảm của ống dây hình trụ gồm N vòng dây:
Trong đó:
- L: hệ số tự cảm cuộn ống dây
- n: số vòng dây trên một đơn vị chiều dài của ống (n = N/l)
- l: chiều dài ống dây (m)
- S: tiết diện của ống dây (m2)
Đơn vị của hệ số tự cảm: Henri (H)
Suất điện động tự cảm
Suất điện động gây nên dòng điện tự cảm được gọi là suất điện động tự cảm. Theo định luật cơ bản của hiện tượng cảm ứng điện từ, biểu thức của suất điện động tự cảm là:
Trong đó:
- etc : suất điện động tự cảm
- L: hệ số tự cảm
- ∆i: Độ biến thiên cường độ dòng điện (A)
- ∆t: Thời gian biến thiên cường độ dòng điện (s)
- Δi/Δt: tốc độ biến thiên cường độ dòng điện (A/s)
Dấu “-“ giống như công thức tính suất điện động cảm ứng theo định luật Faraday chỉ chiều dòng điện cảm ứng tuân theo định luật Lenxơ.
Về mặt độ lớn, suất điện động tự cảm được tính theo biểu thức.
4. Hiệu ứng bề mặt
Hiện tượng tự cảm không chỉ xảy ra ngay trong lòng một dây dẫn có dòng điện biến đổi chạy qua.
Có một thí nghiệm đã cho mọi người thấy rằng: khi cho dòng điện cao tần chạy qua một dây dẫn thì do hiện tượng tự cảm. Dòng điện đó hầu như không chạy trong lòng dây ấy mà chỉ chạy ở lớp ngoài của nó. Và hiệu ứng này được đặt tên là hiệu ứng ngoài da.
Đề giải thích hiện tượng này, bạn hãy quan sát hình sau:
- Ví dụ dòng điện cao tần đi từ dưới lên trên, gây trong lòng dây dẫn một từ trường với các đường sức cảm ứng có chiều như hình vẽ. Sự biến đổi của dòng điện khiến từ trường nó gây ra cũng thay đổi theo. Nếu xét một tiết diện bất kì chứa trục đối xứng của dây, thì từ thông gửi qua tiết diện đó cũng biến đổi. Vì vậy trong các tiết diện đó xuất hiện những dòng điện tự cảm khép kín như dòng điện ic trên hình.
- Như vậy, khi dòng điện cao tần tăng, các dòng điện tự cảm xuất hiện trong dây dẫn chống lại sự tăng của phần dòng điện cao tần chạy trong ruột của dây, và làm thuận lợi cho sự tăng của phần dòng điện cao tần chạy ở bề mặt của dây đó. Nói cách khác, dòng điện cao tần hầu như chỉ chạy ở lớp bề mặt của dây dẫn.
- Trong trường hợp dòng cao tần giảm (Hình b), người ta cũng chứng minh được kết quả như vậy.
Một ứng dựng quan trọng của hiệu ứng ngoài da là sự tôi kim loại ở lớp ngoài, ứng dụng cho các chi tiết máy như biên trục máy, bánh răng khía,… với kỹ thuật lớp ngoài thật cứng, nhưng bên trong có độ mềm dẻo thích hợp.
>>> Xem thêm: Cuộn cảm là gì? công dụng và phân loại
