6 · Magnetism and electromagnetism

Từ tính đến lưới điện

Một nam châm chuyển động, dòng điện xuất hiện trong dây cách xa hàng kilomet. Phần này xây dựng chuỗi kiến thức đó: nam châm vĩnh cửu và từ trường, hiệu ứng từ của dòng điện, lực động cơ với quy tắc bàn tay trái, cảm ứng trong cuộn dây và máy phát điện, và (P) máy biến áp giúp truyền tải năng lượng điện khắp cả nước.

Vật lý Quốc tế Edexcel GCSE 4PH1, Phần 6 (phát biểu 6.1–6.20P). Các phát biểu có hậu tố P là phần mở rộng chỉ dành cho Vật lý.

Từ tính

Nam châm đẩy các cực cùng loại và hút các cực khác loại, đồng thời hút vật liệu từ (sắt, thép, niken, coban). Vật liệu cứng từ (thép) giữ được từ tính — nam châm vĩnh cửu; mềm (sắt) dễ từ hóa và khử từ — lõi điện từ. Đường sức từ hướng từ N sang S bên ngoài nam châm (không bao giờ cắt nhau); từ tính được cảm ứng trong vật liệu từ đặt trong từ trường. Giữa hai mặt cực khác loại rộng, phẳng, khe ở giữa có từ trường gần như đều; bỏ qua hiệu ứng mép ở đó.

Điện từ học và hiệu ứng động cơ

Dòng điện trong vật dẫn sinh ra từ trường xung quanh nó — dạng vòng tròn đồng tâm, quy tắc nắm tay phải. (P) Nam châm điện: cuộn dây (solenoid) quấn quanh lõi sắt mềm, có thể bật/tắt và điều chỉnh được. (P) Mô hình từ trường của dây dẫn thẳng, cuộn phẳng và solenoid.

Dây dẫn mang dòng điện đi ngang qua từ trường sẽ chịu tác dụng của lực — hiệu ứng động cơ, được ứng dụng trong động cơ một chiều (cuộn quay + bộ đổi chiều) và loa. Dự đoán hướng bằng quy tắc bàn tay trái: ngón trỏ là Từ trường, ngón giữa là Dòng điện, ngón cái là Chuyển động. Lực tăng khi từ trường mạnh hơn hoặc dòng điện lớn hơn, và đảo chiều nếu một trong hai đại lượng đảo chiều.

Ví dụ minh họa (dùng quy tắc bàn tay trái). Một dây dẫn nằm giữa cực N bên trái và cực S bên phải, nên từ trường hướng sang phải. Dòng điện chảy vào trang giấy. Đưa ngón trỏ sang phải và ngón giữa vào trang giấy: ngón cái chỉ xuống xuống dưới, do đó dây dẫn bị đẩy xuống dưới. Đảo ngược dòng điện thì lực hướng lên; đảo ngược cả dòng điện và hoán vị cực thì lại hướng xuống.

Cảm ứng điện từ

Điện áp được cảm ứng trong vật dẫn hoặc cuộn dây khi nó di chuyển xuyên qua từ trường hoặc khi từ thông qua nó thay đổi. Điện áp cảm ứng lớn hơn khi chuyển động nhanh hơn, từ trường mạnh hơn, số vòng dây nhiều hơn và (đối với máy phát điện) tốc độ quay nhanh hơn. Máy phát điện quay nam châm bên trong cuộn dây (hoặc cuộn dây bên trong nam châm) — độ lớn và tần số của dòng điện xoay chiều cảm ứng phụ thuộc vào tốc độ quay.

(P) Máy biến áp thay đổi điện áp xoay chiều bằng hai cuộn dây trên lõi sắt:

Máy biến áp tăng áp nâng cao điện áp (và giảm dòng điện) phục vụ truyền tải — điện áp cao nghĩa là dòng điện thấp, do đó năng lượng tiêu hao dưới dạng nhiệt trong cáp giảm đáng kể; máy biến áp giảm áp đưa về mức an toàn để sử dụng.

Ví dụ đã giải. Một máy biến áp có 200 vòng dây sơ cấp và 50 vòng dây thứ cấp; điện áp sơ cấp là 230 V. Điện áp thứ cấp là $V_s = 230 \times 50/200 = 57.5$ V — đây là máy hạ thế. Nếu dòng điện sơ cấp là 0.5 A: thì dòng điện thứ cấp là $I_s = 230 \times 0.5/57.5 = 2.0$ A.

Ví dụ minh họa (P) (truyền tải). Nhà máy điện sản xuất 100 MW ở 25 kV. Máy biến áp tăng thế nâng mức này lên 400 kV.

• Tỷ số vòng cuộn: $N_s/N_p = 400/25 = 16$, do đó cuộn sơ cấp 500 vòng cần cuộn thứ cấp $500 \times 16 = 8000$ vòng.
• Dòng điện (hiệu suất 100%): ở 25 kV là $I = P/V = 100\,000\,000/25\,000 = 4000$ A; ở 400 kV là $I = 100\,000\,000/400\,000 = 250$ A.
• Tổn thất dây dẫn: công suất nhiệt sinh ra trong dây dẫn là $P = I^2R$. Đối với dây dẫn có tổng điện trở $2.0\ \Omega$: ở 400 kV là $P = 250^2 \times 2.0 = 125\,000$ W $= 125$ kW; ở 25 kV sẽ là $4000^2 \times 2.0 = 32\,000\,000$ W $= 32$ MW, gần bằng một phần ba công suất của nhà máy điện.

Dòng điện trong dây dẫn nhỏ hơn 16 lần, nên tổn thất nhiệt giảm đi $16^2 = 256$ lần: năng lượng lãng phí ít hơn rất nhiều.

Lỗi thường gặp

• Dùng bàn tay phải cho hiệu ứng động cơ. Quy tắc bàn tay trái cho biết lực tác dụng lên dòng điện; quy tắc nắm bàn tay phải cho biết từ trường xung quanh dây dẫn.
• Nói rằng lực động cơ lớn nhất khi dây dẫn song song với từ trường. Lúc đó không có lực; lực lớn nhất khi dây dẫn vuông góc với từ trường.
• Nói rằng điện áp cảm ứng xuất hiện trong cuộn dây đứng yên cạnh nam châm đứng yên. Phải có chuyển động hoặc từ trường phải thay đổi.
• (P) Nói rằng máy biến áp hoạt động trên dòng điện một chiều. Nó cần dòng điện xoay chiều, vì chỉ có dòng điện biến thiên mới tạo ra từ trường biến thiên trong lõi.
• (P) Nói rằng máy biến áp tăng thế làm tăng công suất. Chúng nâng cao điện áp và giảm dòng điện; tối đa công suất vẫn giữ nguyên.
• (P) Lật ngược tỷ số vòng cuộn. Kiểm tra: nhiều vòng cuộn thứ cấp hơn có nghĩa là điện áp thứ cấp cao hơn.

Tự kiểm tra

1. Nêu hai điểm khác biệt giữa vật liệu từ cứng và từ mềm.
2. Các đường sức từ bên ngoài nam châm chỉ theo hướng nào?
3. Mô tả cách tạo ra từ trường đều bằng hai thanh nam châm.
4. Dòng điện trong dây dẫn tạo ra gì xung quanh nó?
5. Nêu ba ngón tay của quy tắc bàn tay trái.
6. Nêu hai yếu tố làm tăng lực tác dụng lên dây dẫn mang dòng điện trong từ trường.
7. Nêu hai cách tạo ra điện áp cảm ứng trong cuộn dây.
8. Nêu hai yếu tố làm tăng độ lớn của điện áp cảm ứng.
9. (P) Máy biến áp hạ thế có 1000 vòng dây sơ cấp và 100 vòng dây thứ cấp; điện áp đầu vào là 230 V. Tính điện áp đầu ra.
10. (P) Tại sao điện năng được truyền tải ở điện áp cao?

Đáp án: 1 cứng vẫn giữ từ tính (nam châm vĩnh cửu, thép); mềm dễ mất từ tính (tạm thời, sắt — lõi nam điện); 2 từ N đến S; 3 mặt rộng, phẳng, cực N và S trải rộng qua khe hẹp; trường từ ở trung tâm xấp xỉ đều ngoài rìa; 4 một trường từ dạng vòng tròn đồng tâm (quy tắc nắm tay phải); 5 ngón trỏ Trường, ngón giữa Dòng điện, ngón cái Chuyển động; 6 trường mạnh hơn; dòng điện lớn hơn.

Đáp án tiếp theo: 7 di chuyển cuộn dây hoặc nam châm để cuộn dây cắt các đường sức từ, hoặc thay đổi từ thông qua cuộn dây đứng yên; 8 chuyển động nhanh hơn; nam châm mạnh hơn; nhiều vòng dây hơn; 9 (P) $V_s = 230 \times 100/1000 = 23$ V; 10 (P) điện áp cao giúp giảm dòng điện cho cùng một công suất; nhiệt lượng tỏa ra trên cáp là $I^2R$, nên tổn hao giảm mạnh trên quãng đường dài.