Hệ số tự cảm là kiến thức rất quan trọng, có mối liên kết với nhiều kiến thức khác. Tuy nhiên, nó lại khá khó và trừu tượng nên không phải ai cũng biết hiện tượng tự cảm là gì cũng như cách tính, ứng dụng,… của hiện tượng này. Cùng chúng tôi tìm hiểu kỹ hơn về kiến thức này qua những chia sẻ ngay dưới đây nhé.
Hiện tượng tự cảm là gì?
Kiến thức về hiện tượng tự cảm được đề cập đến trong chương trình môn vật lý. Để hiểu rõ được về hiện tượng này, chúng ta cùng tìm hiểu một số khái niệm như sau:
Từ thông riêng của mạch kín
Cho một mạch kín (C) có dòng điện cường độ i chạy qua. Dòng điện cường độ i sẽ gây ra một từ trường và từ trường này lại tiếp tục gây ra một từ thông Φ đi qua (C) gọi là từ thông riêng của mạch.
Ta có công thức tính từ thông riêng của một mạch kín có dòng điện đi qua như sau:
Φ = Li
Trong đó ta có, L chính là một hệ số và hệ số này chỉ phụ thuộc vào kích thước cùng cấu tạo của mạch kín (C). Và L ở đây được gọi là độ tự cảm của (C).
Hiện tượng tự cảm là gì?
Hệ số tự cảm hay còn được gọi là điện cảm. Đây chính là hiện tượng mà cảm ứng điện từ ở trong một mạch điện được gây ra bởi chính sự biến đổi của dòng điện trong mạch đó.
Hiện tượng tự cảm xuất hiện khi trong một mạch điện kín có dòng điện xoay chiều chạy qua. Hay là trong một mạch điện một chiều khi mà ta đóng mạch hoặc ngắt mạch. Từ thông qua mạch sẽ biến thiên khi có cường độ dòng điện trong mạch điện biến thiên.
Hiện tượng tự cảm thực chất chính là một trường hợp riêng biệt của hiện tượng cảm ứng điện từ. Do đó mà nó cũng tuân theo các định luật tổng quát của cảm ứng điện từ. Ví dụ như, chiều của dòng điện cảm ứng trong mạch được gọi là dòng điện tự cảm, và tuân theo định luật Lenz. Nghĩa là nó luôn có xu hướng làm cho dòng điện ở trong mạch đạt trạng thái ổn định. Suất điện động tự cảm có thể được tính bởi công thức tính của định luật cảm ứng điện từ
Hệ số tự cảm là gì?
L được gọi là hệ số tự cảm của mạch điện kín C. Hệ số này chỉ phụ thuộc vào kích thước và cấu tạo của mạch kín C. Sự biến thiên của cường độ dòng điện (I) sẽ sinh ra sự thay đổi của từ thông ở trong mạch điện. Hệ số tự cảm của ống dây cho biết từ thông đi qua ống dây là lớn hay nhỏ khi mà có dòng điện đi qua.
Mỗi cuộn cảm đều sẽ có một độ tự cảm nhất định. Nó có tác dụng ngăn cản dòng điện xoay chiều và chỉ cho phép dòng điện một chiều được đi qua. Hiện tượng này còn được ứng dụng trong một số lĩnh vực cụ thể như điều khiển tín hiệu những thiết bị điện tử, khử nhiễu,… và được sử dụng để chế tạo một số loại máy móc chuyên dụng như máy dò kim loại, máy dao động, máy FM,…
Cách tính hệ số tự cảm
Hệ số tự cảm còn liên quan đến nhiều đại lượng khác, cụ thể như sau:
Cách tính suất điện động tự cảm
Suất điện động tự cảm chính là suất điện động sinh ra dòng điện tự cảm, tỉ lệ với tốc độ biến thiên của cường độ dòng điện trong mạch.
Etc = -L
=> Etc = L
Trong đó:
- Etc: chính là suất điện động tự cảm (V)
- L: chính là hệ số tự cảm của cuộn dây dẫn (H)
- Δi: là độ biến thiên của cường độ dòng điện (A)
- Δt: là thời gian cường độ dòng điện bị biến thiên (s)
- Δi/Δt: là tốc độ biến thiên của cường độ dòng điện (A/s)
Theo như công thức ở trên, suất điện động tự cảm này sẽ có độ lớn tỉ lệ thuận với tốc độ biến thiên cường độ dòng điện i ở trong mạch theo thời gian.
Cách tính hệ số tự cảm của cuộn dây
Trong các thí nghiệm về hiện tượng tự cảm, người ta có sử dụng một cuộn dây hình trụ hay còn được gọi là cuộn cảm. L được gọi là hệ số tự cảm của cuộn dây đó. Khi đó hệ số tự cảm của ống dây hình trụ gồm N vòng dây được tính theo công thức.
L = 410-7
S
Trong đó:
- L: chính là hệ số tự cảm của ống dây (H)
- N: số vòng dây
- l: chiều dài ống dây (m)
- S: là diện tích tiết diện của ống dây (m2).
Ngoài ra, hệ số tự cảm của ống dây còn được tính theo công thức như sau:
L = (N x Φ) / I
Trong đó:
- L: chính là độ tự cảm của cuộn dây (H)
- N: là số vòng dây của một cuộn dây (vòng)
- Φ: là lượng từ thông đi qua cuộn dây (Wb)
- I: là cường độ của dòng điện chạy qua (A)
Đơn vị đo của hệ số tự cảm
Theo hệ đo lường quốc tế SI, đơn vị đo của hệ số tự cảm là Henry, có ký hiệu là H. Nó được lấy theo tên nhà vật lý Joseph Henry (1797-1878), người đã góp phần khám phá ra hiện tượng cảm ứng điện từ. 1 Henry (H) được tính bằng giá trị cảm ứng điện từ của 1 cuộn dây khi có sự thay đổi về độ mạnh yếu của dòng điện 1 Ampe (A) ở trong 1 giây, phát ra suất điện động giá trị 1 Volt (V).
Năng lượng từ trường của ống dây tự cảm
Năng lượng từ trường của ống dây tự cảm chính là loại năng lượng mà đã được tích lũy ở trong ống dây tự cảm khi mà có dòng điện đi qua.
Công thức tính của năng lượng từ trong trong ống dây tự cảm như sau:
W = 
LI2 = 10-7 SI2
Trong đó:
- W: là năng lượng từ trường (J)
- L: là độ tự cảm (H)
- I: là cường độ dòng điện (A)
- l: là chiều dài ống dây (m)
- S: là diện tích tiết diện của ống dây (m2)
Dòng điện tự cảm khi ngắt mạch
Khi chúng ta mở cầu dao của một mạch điện có chứa động cơ điện, thì sẽ thấy hồ quang xuất hiện ở vị trí giữa hai cực của cầu dao. Nguyên nhân của hiện tượng này là khi ngắt mạch làm dòng điện sẽ giảm đột ngột về giá trị là 0. Cho nên, các cuộn dây của mạch điện xuất hiện một dòng điện tự cảm khá lớn. Dòng điện tự cảm này sẽ phóng ra lớp không khí ở vị trí giữa hai cực của cầu dao. Và chính điều này có thể gây nguy hiểm cho hệ thống điện.
Để khử hồ quang điện ở trong quá ngắt mạch, người ta sẽ đặt cầu dao trong dầu, hoặc có thể dùng khí phụt mạnh,… để dập tắt hồ quang.
Hiệu ứng bề mặt
Hiện tượng tự cảm không chỉ xảy ra ở trong một mạch điện kín mà nó còn xảy ra ngay cả trong lòng của một vật dẫn có dòng điện biến đổi chạy qua. Ví dụ, đối với dòng điện cao tần chạy ở trong dây dẫn thì mật độ của dòng điện ở bề mặt ngoài của dây dẫn là rất lớn, còn ở trong lõi dây dẫn, mật độ dòng điện sẽ là rất nhỏ. Hiệu ứng này được gọi với tên gọi là hiệu ứng bề mặt hoặc hiệu ứng da.
Hiện tượng đó có thể được giải thích như sau: Giả sử có một dòng điện cao tần đi từ dưới lên trên như hình. Dòng điện này gây trong lòng dây dẫn một từ trường, với những đường sức cảm ứng từ có chiều giống như ở hình vẽ (quy tắc vặn nút chai). Do dòng điện biến đổi, cho nên từ trường do nó gây ra cũng sẽ biến đổi theo. Nếu như xét trên một tiết diện bất kỳ có chứa trục đối xứng của dây, thì từ thông đi qua tiết diện đó cũng sẽ biến đổi. Do đó, trong các tiết diện cũng sẽ xuất hiện những dòng điện cảm khép kín. Ví dụ như dòng điện ic ở trên hình.
Vậy nên, khi mà dòng điện cao tầng tăng, những dòng điện tự cảm xuất hiện ở trong dây dẫn sẽ chống lại sự gia tăng của phần dòng điện cao tần chạy ở trong ruột của dây. Và làm thuận lợi cho sự gia tăng của phần dòng điện cao tần chạy ở trên bề mặt dây đó. Hay cũng có thể nói cách khác, là dòng điện cao tần thường chỉ chạy ở lớp bề mặt của dây dẫn.
Một số bài tập minh họa về hiện tượng tự cảm
Bài tập 1: Cho một ống dây dẫn hình trụ với chiều dài l = 0.5 m. Ống dây được cuốn thành 1000 vòng, có đường kính mỗi vòng dây là 20 cm. Hãy tính độ tự cảm của ống dây dẫn trên.
Lời giải: Ta có bán kính vòng dây r = 20/2 = 10 cm = 0,1m.
Độ tự cảm của ống dây là:
Đáp án: 0,079 H
Bài tập 2: Một cuộn dây tự cảm có hệ số tự cảm L = 50 mH được mắc nối tiếp với một điện trở R = 20 Ω, và nối vào một nguồn điện mới với suất điện động là 90 V, có điện trở trong không đáng kể. Hãy xác định tốc độ biến thiên của cường độ dòng điện I tại:
a) Thời điểm ban đầu ứng với I = 0.
b) Thời điểm ứng với I = 2 A.
Lời giải:
Trên đây là một số thông tin tổng hợp về hệ số tự cảm. Maytaoamcongnghiep hy vọng những thông tin chia sẻ trên đây có thể giúp cho quý vị hiểu hơn về vấn đề này
