Chương 16: Các dòng điện cảm ứng

16–1  Động cơ và máy phát điện

Phát hiện vào năm 1820 rằng có một mối liên hệ chặt chẽ giữa điện và từ là rất thú vị — cho đến lúc đó, hai lĩnh vực này vẫn được coi là hoàn toàn độc lập với nhau. Phát hiện đầu tiên là các dòng điện trong dây dẫn tạo ra từ trường; rồi, cũng trong năm đó, người ta nhận thấy các dây mang dòng điện đặt trong từ trường thì chịu lực tác dụng.

Một trong những điều thú vị mỗi khi có một lực cơ học là khả năng dùng nó trong một động cơ để thực hiện công. Gần như ngay sau phát hiện của họ, người ta bắt đầu thiết kế các động cơ điện dùng các lực tác dụng lên dây mang dòng điện. Nguyên lý của động cơ điện từ được trình bày sơ lược trong Hình 16–1. Một nam châm vĩnh cửu — thường kèm một số miếng sắt non — được dùng để tạo ra một từ trường trong hai khe. Ngang qua mỗi khe có một cực bắc và một cực nam, như hình vẽ. Một cuộn dây đồng hình chữ nhật được đặt với mỗi cạnh bên nằm trong một khe. Khi dòng điện chạy qua cuộn dây, nó chảy theo hai hướng ngược nhau trong hai khe, nên các lực cũng ngược nhau, tạo ra một mômen lực tác dụng lên cuộn dây quanh trục được chỉ trong hình. Nếu cuộn dây được lắp trên một trục để nó có thể quay, nó có thể được nối với các ròng rọc hay bánh răng và có thể thực hiện công.

Cũng ý tưởng ấy có thể được dùng để chế tạo một dụng cụ nhạy cho các phép đo điện. Như vậy, ngay khi định luật về lực được phát hiện, độ chính xác của các phép đo điện đã tăng lên rất nhiều. Thứ nhất, mômen lực của một động cơ như vậy có thể được làm lớn hơn nhiều đối với một dòng điện cho trước bằng cách cho dòng điện quấn quanh nhiều vòng thay vì chỉ một vòng. Sau đó cuộn dây có thể được lắp sao cho nó quay với mômen cản rất nhỏ — hoặc bằng cách đỡ trục của nó trên các ổ đỡ bằng đá quý rất tinh xảo, hoặc bằng cách treo cuộn dây trên một sợi dây rất mảnh hay một sợi thạch anh. Khi đó một dòng điện cực kỳ nhỏ cũng sẽ làm cuộn dây quay, và với các góc nhỏ, độ quay sẽ tỉ lệ với dòng điện. Độ quay có thể được đo bằng cách gắn một kim chỉ vào cuộn dây hoặc, đối với các dụng cụ tinh vi nhất, bằng cách gắn một gương nhỏ vào cuộn dây và quan sát sự dịch chuyển của ảnh của một thang đo. Các dụng cụ như vậy được gọi là điện kế (galvanometer). Vôn kế và ampe kế hoạt động theo cùng nguyên lý.

Các ý tưởng tương tự có thể được áp dụng trên quy mô lớn để chế tạo các động cơ lớn cung cấp công suất cơ học. Cuộn dây có thể được làm quay vòng vòng bằng cách bố trí sao cho các mối nối tới cuộn dây được đảo ngược sau mỗi nửa vòng quay nhờ các tiếp điểm lắp trên trục. Khi đó mômen lực luôn cùng chiều. Các động cơ một chiều nhỏ được chế tạo đúng như vậy. Các động cơ lớn hơn, một chiều hay xoay chiều, thường được chế tạo bằng cách thay nam châm vĩnh cửu bằng một nam châm điện, được cấp năng lượng từ nguồn điện.

Khi nhận ra rằng các dòng điện tạo ra từ trường, người ta lập tức gợi ý rằng, bằng cách nào đó, nam châm cũng có thể tạo ra điện trường. Nhiều thí nghiệm đã được thử. Ví dụ, hai sợi dây được đặt song song với nhau và một dòng điện được cho chạy qua một sợi với hy vọng tìm thấy một dòng điện trong sợi kia. Ý nghĩ là từ trường có thể bằng cách nào đó kéo các electron chạy theo trong sợi dây thứ hai, cho ra một định luật kiểu như “những cái giống nhau thích chuyển động giống nhau”. Với dòng điện lớn nhất sẵn có và điện kế nhạy nhất để phát hiện bất kỳ dòng điện nào, kết quả vẫn là âm tính. Các nam châm lớn đặt cạnh dây dẫn cũng không tạo ra hiệu ứng quan sát được nào. Cuối cùng, Faraday phát hiện vào năm 1840 đặc điểm cốt yếu đã bị bỏ lỡ — rằng các hiệu ứng điện chỉ tồn tại khi có một cái gì đó đang thay đổi. Nếu một trong một cặp dây có dòng điện đang thay đổi, một dòng điện được cảm ứng trong sợi kia, hoặc nếu một nam châm được di chuyển lại gần một mạch điện, sẽ có một dòng điện. Ta nói rằng các dòng điện được cảm ứng. Đây là hiệu ứng cảm ứng do Faraday phát hiện. Nó biến lĩnh vực khá tẻ nhạt về các trường tĩnh thành một lĩnh vực động rất thú vị với một phạm vi to lớn các hiện tượng kỳ diệu. Chương này dành cho việc mô tả định tính một số hiện tượng đó. Như chúng ta sẽ thấy, người ta có thể nhanh chóng đi vào những tình huống khá phức tạp mà khó phân tích định lượng trong mọi chi tiết. Nhưng không sao, mục đích chính của chúng ta trong chương này trước hết là làm quen với các hiện tượng liên quan. Chúng ta sẽ xét đến việc phân tích chi tiết sau.

Chúng ta có thể dễ dàng hiểu một đặc điểm của hiện tượng cảm ứng từ từ những gì đã biết, mặc dù nó chưa được biết vào thời của Faraday. Nó xuất phát từ lực v×B tác dụng lên một điện tích đang chuyển động, lực này tỉ lệ với vận tốc của nó trong một từ trường. Giả sử chúng ta có một sợi dây đi qua gần một nam châm, như trong Hình 16–2, và chúng ta nối hai đầu của sợi dây với một điện kế. Nếu chúng ta di chuyển sợi dây ngang qua đầu của nam châm, kim điện kế sẽ dịch chuyển.

Nam châm tạo ra một từ trường thẳng đứng nào đó, và khi chúng ta đẩy sợi dây ngang qua trường, các electron trong sợi dây cảm nhận một lực sang ngang — vuông góc với trường và với chuyển động. Lực này đẩy các electron dọc theo sợi dây. Nhưng vì sao điều này lại làm điện kế dịch chuyển, trong khi nó ở rất xa lực đó? Bởi vì khi các electron cảm nhận lực từ cố di chuyển, chúng đẩy — bằng lực đẩy điện — các electron ở xa hơn một chút dọc theo sợi dây; các electron này, đến lượt chúng, lại đẩy các electron xa hơn nữa, và cứ thế trong một khoảng cách dài. Một điều kỳ diệu.

Điều đó kỳ diệu đến mức Gauss và Weber — những người đầu tiên chế tạo một điện kế — đã thử xem các lực trong sợi dây sẽ đi được bao xa. Họ giăng một sợi dây ngang qua cả thành phố của họ. Ông Gauss, ở một đầu, nối các dây với một pin (pin đã được biết đến trước máy phát điện) và ông Weber quan sát điện kế dịch chuyển. Họ đã có một cách truyền tín hiệu đi xa — đó là khởi đầu của điện báo! Dĩ nhiên, điều này không liên quan trực tiếp đến hiện tượng cảm ứng — nó liên quan đến cách các sợi dây mang dòng điện, dù các dòng điện được đẩy bởi cảm ứng hay không.

Bây giờ giả sử trong bố trí của Hình 16–2 chúng ta để yên sợi dây và di chuyển nam châm. Chúng ta vẫn thấy một hiệu ứng trên điện kế. Như Faraday đã phát hiện, việc di chuyển nam châm ở dưới sợi dây — theo một chiều — có cùng hiệu ứng như di chuyển sợi dây trên nam châm — theo chiều ngược lại. Nhưng khi nam châm được di chuyển, chúng ta không còn lực v×B nào tác dụng lên các electron trong sợi dây nữa. Đây là hiệu ứng mới mà Faraday đã tìm ra. Ngày nay, chúng ta có thể hy vọng hiểu nó từ một lập luận thuyết tương đối.

Chúng ta đã hiểu rằng từ trường của một nam châm xuất phát từ các dòng điện bên trong của nó. Vì vậy chúng ta kỳ vọng quan sát cùng hiệu ứng nếu thay vì một nam châm trong Hình 16–2 chúng ta dùng một cuộn dây trong đó có một dòng điện. Nếu chúng ta di chuyển sợi dây qua cuộn dây sẽ có một dòng điện qua điện kế, hoặc cũng vậy nếu chúng ta di chuyển cuộn dây qua sợi dây. Nhưng bây giờ có một điều thú vị hơn: Nếu chúng ta thay đổi từ trường của cuộn dây không phải bằng cách di chuyển nó, mà bằng cách thay đổi dòng điện của nó, lại có một hiệu ứng trong điện kế. Ví dụ, nếu chúng ta có một vòng dây gần một cuộn dây, như trong Hình 16–3, và nếu chúng ta giữ cả hai đứng yên nhưng ngắt dòng điện, sẽ có một xung dòng điện qua điện kế. Khi chúng ta bật cuộn dây trở lại, điện kế giật theo chiều ngược lại.

Bất cứ khi nào điện kế trong một tình huống như tình huống trong Hình 16–2, hay trong Hình 16–3, có một dòng điện, đều có một lực đẩy ròng lên các electron trong sợi dây theo một chiều dọc theo sợi dây. Có thể có các lực đẩy theo các hướng khác nhau tại các nơi khác nhau, nhưng lực đẩy theo một chiều thì nhiều hơn chiều kia. Điều quan trọng là lực đẩy được tích phân quanh toàn bộ mạch điện. Chúng ta gọi lực đẩy ròng tích phân này là suất điện động (viết tắt là emf) trong mạch. Chính xác hơn, emf được định nghĩa là lực tiếp tuyến trên một đơn vị điện tích trong sợi dây được tích phân theo chiều dài, một vòng quanh toàn bộ mạch điện. Phát hiện trọn vẹn của Faraday là các emf có thể được tạo ra trong một sợi dây theo ba cách khác nhau: bằng cách di chuyển sợi dây, bằng cách di chuyển một nam châm lại gần sợi dây, hoặc bằng cách thay đổi một dòng điện trong một sợi dây ở gần.

Hãy xét lại cỗ máy đơn giản của Hình 16–1, chỉ khác là bây giờ, thay vì đưa một dòng điện qua sợi dây để làm nó quay, chúng ta hãy quay vòng dây bằng một lực bên ngoài, ví dụ bằng tay hoặc bằng một guồng nước. Khi cuộn dây quay, các dây của nó đang chuyển động trong từ trường và chúng ta sẽ tìm thấy một emf trong mạch của cuộn dây. Động cơ trở thành một máy phát điện.

Cuộn dây của máy phát có một emf cảm ứng từ chuyển động của nó. Độ lớn của emf được cho bởi một quy tắc đơn giản do Faraday phát hiện. (Chúng ta sẽ chỉ phát biểu quy tắc bây giờ và để sau mới xét nó chi tiết.) Quy tắc là: khi từ thông đi qua vòng dây (thông lượng này là thành phần pháp tuyến của B được tích phân trên diện tích của vòng dây) đang thay đổi theo thời gian, emf bằng tốc độ thay đổi của thông lượng. Chúng ta sẽ gọi đây là “quy tắc thông lượng”. Bạn thấy rằng khi cuộn dây của Hình 16–1 được quay, thông lượng qua nó thay đổi. Lúc đầu một ít thông lượng đi qua theo một chiều; rồi khi cuộn dây đã quay 180°, cùng thông lượng đó đi qua theo chiều ngược lại. Nếu chúng ta quay cuộn dây liên tục, thông lượng lúc đầu dương, rồi âm, rồi dương, và cứ thế. Tốc độ thay đổi của thông lượng cũng phải xen kẽ như vậy. Vì thế có một emf xoay chiều trong cuộn dây. Nếu chúng ta nối hai đầu của cuộn dây với các dây bên ngoài qua một số tiếp điểm trượt — gọi là các vành trượt (slip-rings) — (chỉ để các dây không bị xoắn) chúng ta có một máy phát điện xoay chiều.

Hoặc chúng ta cũng có thể bố trí, bằng một số tiếp điểm trượt, sao cho sau mỗi nửa vòng quay, mối nối giữa các đầu cuộn dây và các dây bên ngoài được đảo ngược, để khi emf đảo chiều, các mối nối cũng đảo theo. Khi đó các xung emf sẽ luôn đẩy các dòng điện theo cùng một chiều qua mạch bên ngoài. Chúng ta có cái gọi là máy phát điện một chiều.

Cỗ máy của Hình 16–1 hoặc là một động cơ hoặc là một máy phát điện. Tính thuận nghịch giữa động cơ và máy phát điện được thể hiện đẹp đẽ bằng cách dùng hai “động cơ” một chiều giống hệt nhau thuộc loại nam châm vĩnh cửu, với các cuộn dây của chúng được nối bằng hai sợi dây đồng. Khi trục của một cái được quay bằng cơ học, nó trở thành một máy phát điện và vận hành cái kia như một động cơ. Nếu trục của cái thứ hai được quay, nó trở thành máy phát điện và vận hành cái thứ nhất như một động cơ. Vậy đây là một ví dụ thú vị về một loại tương đương mới của tự nhiên: động cơ và máy phát điện là tương đương. Sự tương đương định lượng, thực ra, không hoàn toàn là ngẫu nhiên. Nó liên quan đến định luật bảo toàn năng lượng.

Một ví dụ khác về một thiết bị có thể hoạt động hoặc để tạo ra các emf hoặc để đáp ứng các emf là ống nghe của một điện thoại tiêu chuẩn — tức là một “tai nghe”. Chiếc điện thoại gốc của Bell gồm hai “tai nghe” như vậy nối với nhau bằng hai sợi dây dài. Nguyên lý cơ bản được chỉ trong Hình 16–4. Một nam châm vĩnh cửu tạo ra một từ trường trong hai “gọng” (yoke) bằng sắt non và trong một màng mỏng được làm chuyển động bởi áp suất âm thanh. Khi màng chuyển động, nó thay đổi lượng từ trường trong các gọng. Vì vậy một cuộn dây quấn quanh một trong các gọng sẽ có thông lượng qua nó thay đổi khi một sóng âm đập vào màng. Vì thế có một emf trong cuộn dây. Nếu hai đầu của cuộn dây được nối với một mạch điện, một dòng điện là biểu diễn điện của âm thanh sẽ được thiết lập.

Nếu hai đầu của cuộn dây của Hình 16–4 được nối bằng hai sợi dây tới một thiết bị giống hệt khác, các dòng điện biến thiên sẽ chảy trong cuộn dây thứ hai. Các dòng điện này sẽ tạo ra một từ trường biến thiên và sẽ tạo ra một lực hút biến thiên lên màng sắt. Màng sẽ rung và tạo ra các sóng âm gần giống với các sóng đã làm chuyển động màng ban đầu. Với vài mẩu sắt và đồng, giọng nói của con người được truyền qua dây!

(Điện thoại gia đình hiện đại dùng một ống thu như cái vừa mô tả nhưng dùng một phát minh cải tiến để có một ống phát mạnh hơn. Đó là “microphone nút than” (carbon-button microphone), nó dùng áp suất âm thanh để làm biến thiên dòng điện từ một pin.)

16–2  Máy biến áp và điện cảm

Một trong những đặc điểm thú vị nhất trong các phát hiện của Faraday không phải là một emf tồn tại trong một cuộn dây đang chuyển động — điều mà chúng ta có thể hiểu được theo lực từ qv×B — mà là một dòng điện đang thay đổi trong một cuộn dây tạo ra một emf trong một cuộn dây thứ hai. Và khá ngạc nhiên là độ lớn của emf cảm ứng trong cuộn dây thứ hai được cho bởi cùng “quy tắc thông lượng”: rằng emf bằng tốc độ thay đổi của từ thông qua cuộn dây. Giả sử chúng ta lấy hai cuộn dây, mỗi cuộn quấn quanh các bó lá sắt riêng (các lá sắt này giúp tạo ra các từ trường mạnh hơn), như trong Hình 16–5. Bây giờ chúng ta nối một trong các cuộn dây — cuộn (a) — với một máy phát điện xoay chiều. Dòng điện thay đổi liên tục tạo ra một từ trường biến thiên liên tục. Trường biến thiên này tạo ra một emf xoay chiều trong cuộn dây thứ hai — cuộn (b). Emf này có thể, ví dụ, tạo ra đủ công suất để thắp sáng một bóng đèn điện.

Emf trong cuộn (b) luân phiên với một tần số, dĩ nhiên, bằng tần số của máy phát gốc. Nhưng dòng điện trong cuộn (b) có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn dòng điện trong cuộn (a). Dòng điện trong cuộn (b) phụ thuộc vào emf cảm ứng trong nó và vào điện trở và điện cảm của phần còn lại của mạch của nó. Emf có thể nhỏ hơn emf của máy phát nếu, chẳng hạn, có ít sự thay đổi thông lượng. Hoặc emf trong cuộn (b) có thể được làm lớn hơn nhiều so với emf trong máy phát bằng cách quấn cuộn (b) với nhiều vòng, vì trong một từ trường cho trước, thông lượng qua cuộn dây khi đó lớn hơn. (Hoặc nếu bạn thích nhìn theo cách khác, emf trong mỗi vòng là như nhau, và vì emf tổng bằng tổng các emf của các vòng riêng biệt, nhiều vòng nối tiếp nhau tạo ra một emf lớn.)

Một tổ hợp hai cuộn dây như vậy — thường với một bố trí các lá sắt để dẫn hướng các từ trường — được gọi là một máy biến áp. Nó có thể “biến đổi” một emf (cũng gọi là một “điện áp”) thành một emf khác.

Ngoài ra còn có các hiệu ứng cảm ứng trong một cuộn dây đơn. Chẳng hạn, trong bố trí của Hình 16–5 có một thông lượng đang thay đổi không chỉ qua cuộn (b), cuộn thắp sáng bóng đèn, mà còn qua cuộn (a). Dòng điện biến thiên trong cuộn (a) tạo ra một từ trường biến thiên bên trong chính nó và thông lượng của trường này liên tục thay đổi, nên có một emf tự cảm ứng trong cuộn (a). Có một emf tác dụng lên bất kỳ dòng điện nào khi nó đang tạo dựng một từ trường — hoặc, nói chung, khi trường của nó đang thay đổi theo bất kỳ cách nào. Hiệu ứng này được gọi là hiện tượng tự cảm.

Khi chúng ta đưa ra “quy tắc thông lượng” rằng emf bằng tốc độ thay đổi của liên kết thông lượng, chúng ta đã không chỉ rõ chiều của emf. Có một quy tắc đơn giản, gọi là quy tắc Lenz, để tìm ra emf đi theo chiều nào: emf cố chống lại mọi sự thay đổi thông lượng. Tức là, chiều của một emf cảm ứng luôn sao cho nếu một dòng điện chảy theo chiều của emf, nó sẽ tạo ra một thông lượng của B chống lại sự thay đổi trong B tạo ra emf. Quy tắc Lenz có thể được dùng để tìm chiều của emf trong máy phát điện của Hình 16–1, hoặc trong cuộn dây biến áp của Hình 16–3.

Đặc biệt, nếu có một dòng điện đang thay đổi trong một cuộn dây đơn (hoặc trong bất kỳ sợi dây nào) sẽ có một emf “ngược” trong mạch. Emf này tác dụng lên các điện tích đang chảy trong cuộn (a) của Hình 16–5 để chống lại sự thay đổi của từ trường, và do đó theo chiều chống lại sự thay đổi của dòng điện. Nó cố giữ dòng điện không đổi; nó ngược chiều với dòng điện khi dòng điện đang tăng, và nó cùng chiều với dòng điện khi dòng điện đang giảm. Một dòng điện trong một cuộn tự cảm có “quán tính”, vì các hiệu ứng cảm ứng cố giữ dòng không đổi, đúng như quán tính cơ học cố giữ vận tốc của một vật không đổi.

Bất kỳ nam châm điện lớn nào cũng sẽ có một độ tự cảm lớn. Giả sử một pin được nối với cuộn dây của một nam châm điện lớn, như trong Hình 16–6, và một từ trường mạnh đã được tạo dựng. (Dòng điện đạt một giá trị ổn định được xác định bởi điện áp của pin và điện trở của dây trong cuộn dây.) Nhưng bây giờ giả sử chúng ta cố ngắt pin bằng cách mở công tắc. Nếu chúng ta thực sự mở mạch, dòng điện sẽ về không rất nhanh, và khi làm vậy nó sẽ tạo ra một emf khổng lồ. Trong hầu hết các trường hợp, emf này sẽ đủ lớn để tạo ra một hồ quang ngang qua các tiếp điểm đang mở của công tắc. Điện áp cao xuất hiện cũng có thể làm hỏng lớp cách điện của cuộn dây — hoặc bạn, nếu bạn là người mở công tắc! Vì những lý do này, các nam châm điện thường được nối trong một mạch như mạch trong Hình 16–6. Khi công tắc được mở, dòng điện không thay đổi nhanh mà vẫn ổn định, thay vào đó chảy qua bóng đèn, được thúc đẩy bởi emf từ độ tự cảm của cuộn dây.

16–3  Lực tác dụng lên các dòng điện cảm ứng

Bạn có lẽ đã thấy màn trình diễn ngoạn mục về quy tắc Lenz được thực hiện bằng thiết bị trong Hình 16–7. Đó là một nam châm điện, đúng như cuộn (a) của Hình 16–5. Một vòng nhôm được đặt trên đầu của nam châm. Khi cuộn dây được nối với một máy phát điện xoay chiều bằng cách đóng công tắc, chiếc vòng bay lên không trung. Lực này, dĩ nhiên, xuất phát từ các dòng điện cảm ứng trong vòng. Việc chiếc vòng bay đi cho thấy các dòng điện trong nó chống lại sự thay đổi của trường qua nó. Khi nam châm đang tạo một cực bắc ở đầu trên của nó, dòng điện cảm ứng trong vòng đang tạo một cực bắc hướng xuống dưới. Vòng và cuộn dây đẩy nhau đúng như hai nam châm với các cực giống nhau đối diện nhau. Nếu một đường cắt xuyên tâm mỏng được thực hiện trên vòng, lực biến mất, cho thấy nó thực sự xuất phát từ các dòng điện trong vòng.

Nếu, thay vì chiếc vòng, chúng ta đặt một đĩa nhôm hoặc đồng ngang qua đầu của nam châm điện của Hình 16–7, nó cũng bị đẩy; các dòng điện cảm ứng lưu chuyển trong vật liệu của đĩa, và lại tạo ra một lực đẩy.

Một hiệu ứng thú vị, có nguồn gốc tương tự, xảy ra với một tấm vật dẫn hoàn hảo. Trong một “vật dẫn hoàn hảo” hoàn toàn không có điện trở đối với dòng điện. Vì vậy nếu các dòng điện được tạo ra trong nó, chúng có thể tiếp tục mãi mãi. Thực ra, emf nhỏ nhất cũng sẽ tạo ra một dòng điện lớn tùy ý — điều này thực sự có nghĩa là không thể có emf nào cả. Bất kỳ cố gắng nào làm cho một từ thông đi qua một tấm như vậy đều tạo ra các dòng điện tạo ra các trường B đối ngược — tất cả với các emf vô cùng nhỏ, nên không có thông lượng nào lọt vào.

Nếu chúng ta có một tấm vật dẫn hoàn hảo và đặt một nam châm điện cạnh nó, khi chúng ta bật dòng điện trong nam châm, các dòng điện gọi là dòng điện xoáy (eddy currents) xuất hiện trong tấm, sao cho không có từ thông nào lọt vào. Các đường sức trường sẽ trông như trong Hình 16–8. Điều tương tự cũng xảy ra, dĩ nhiên, nếu chúng ta đưa một nam châm thanh lại gần một vật dẫn hoàn hảo. Vì các dòng điện xoáy đang tạo ra các trường đối ngược, các nam châm bị đẩy ra khỏi vật dẫn. Điều này làm cho có thể treo một nam châm thanh trong không trung phía trên một tấm vật dẫn hoàn hảo có hình dạng như một cái đĩa, như trong Hình 16–9. Nam châm được treo lơ lửng bởi lực đẩy của các dòng điện xoáy cảm ứng trong vật dẫn hoàn hảo. Không có vật dẫn hoàn hảo ở nhiệt độ thường, nhưng một số vật liệu trở thành vật dẫn hoàn hảo ở nhiệt độ đủ thấp. Chẳng hạn, dưới 3,8°K thiếc dẫn điện hoàn hảo. Nó được gọi là một chất siêu dẫn.

Nếu vật dẫn trong Hình 16–8 không hoàn toàn hoàn hảo sẽ có một ít điện trở đối với dòng của các dòng điện xoáy. Các dòng điện sẽ có xu hướng tắt dần và nam châm sẽ từ từ hạ xuống. Các dòng điện xoáy trong một vật dẫn không hoàn hảo cần một emf để duy trì chúng, và để có một emf, thông lượng phải liên tục thay đổi. Thông lượng của từ trường dần dần thấm vào vật dẫn.

Trong một vật dẫn thường, không chỉ có các lực đẩy từ các dòng điện xoáy, mà còn có thể có các lực sang ngang. Ví dụ, nếu chúng ta di chuyển một nam châm sang ngang dọc theo một bề mặt dẫn điện, các dòng điện xoáy tạo ra một lực cản (lực kéo), vì các dòng điện cảm ứng đang chống lại sự thay đổi vị trí của thông lượng. Các lực như vậy tỉ lệ với vận tốc và giống như một loại lực nhớt.

Các hiệu ứng này thể hiện rõ trong thiết bị trong Hình 16–10. Một tấm đồng hình vuông được treo ở đầu một thanh để làm thành một con lắc. Tấm đồng đung đưa qua lại giữa các cực của một nam châm điện. Khi nam châm được bật, chuyển động của con lắc đột ngột bị chặn lại. Khi tấm kim loại đi vào khe của nam châm, có một dòng điện cảm ứng trong tấm tác dụng để chống lại sự thay đổi thông lượng qua tấm. Nếu tấm là một vật dẫn hoàn hảo, các dòng điện sẽ lớn đến mức chúng sẽ đẩy tấm ra trở lại — nó sẽ nảy ngược ra. Với một tấm đồng có một ít điện trở trong tấm, nên các dòng điện lúc đầu đưa tấm gần như dừng hẳn khi nó bắt đầu đi vào trường. Sau đó, khi các dòng điện tắt dần, tấm từ từ ổn định và đứng yên trong từ trường.

Bản chất của các dòng điện xoáy trong con lắc đồng được chỉ trong Hình 16–11. Cường độ và hình học của các dòng điện khá nhạy với hình dạng của tấm. Nếu, chẳng hạn, tấm đồng được thay bằng một tấm có vài khe hẹp cắt vào nó, như trong Hình 16–12, các hiệu ứng dòng điện xoáy giảm đi một cách đáng kể. Con lắc đung đưa qua từ trường chỉ với một lực cản nhỏ. Lý do là các dòng điện trong mỗi phần của tấm đồng có ít thông lượng hơn để thúc đẩy chúng, nên các hiệu ứng của điện trở của mỗi vòng lớn hơn. Các dòng điện nhỏ hơn và lực cản ít hơn. Tính chất nhớt của lực được thấy càng rõ hơn nếu một tấm đồng được đặt giữa các cực của nam châm của Hình 16–10 rồi thả ra. Nó không rơi; nó chỉ chìm xuống từ từ. Các dòng điện xoáy tạo ra một sức cản mạnh đối với chuyển động — đúng như lực cản nhớt trong mật ong.

Nếu, thay vì kéo một vật dẫn qua một nam châm, chúng ta cố quay nó trong một từ trường, sẽ có một mômen cản từ các hiệu ứng tương tự. Ngược lại, nếu chúng ta quay một nam châm — lộn đầu đuôi — gần một tấm dẫn điện hoặc vòng dẫn, vòng sẽ bị kéo quay theo; các dòng điện trong vòng sẽ tạo ra một mômen có xu hướng quay vòng cùng với nam châm.

Một trường đúng như trường của một nam châm đang quay có thể được tạo ra bằng một bố trí các cuộn dây như trong Hình 16–13. Chúng ta lấy một hình xuyến (torus) bằng sắt (tức là một vòng sắt như một cái bánh vòng) và quấn sáu cuộn dây lên nó. Nếu chúng ta đưa một dòng điện, như trong phần (a), qua các cuộn dây (1) và (4), sẽ có một từ trường theo hướng được chỉ trong hình. Nếu bây giờ chúng ta chuyển dòng điện sang các cuộn dây (2) và (5), từ trường sẽ theo một hướng mới, như trong phần (b) của hình. Tiếp tục quá trình, chúng ta nhận được dãy các trường được chỉ trong phần còn lại của hình. Nếu quá trình được thực hiện trơn tru, chúng ta có một từ trường “quay”. Chúng ta có thể dễ dàng nhận được dãy dòng điện cần thiết bằng cách nối các cuộn dây với một đường dây điện ba pha, đường dây này cung cấp đúng một dãy dòng điện như vậy. “Điện ba pha” được tạo ra trong một máy phát điện dùng nguyên lý của Hình 16–1, ngoại trừ việc có ba vòng dây được gắn chặt với nhau trên cùng một trục theo cách đối xứng — tức là, với một góc 120° từ vòng này tới vòng tiếp theo. Khi các cuộn dây được quay như một khối, emf cực đại trong một vòng, rồi trong vòng tiếp theo, và cứ thế theo một dãy đều đặn. Điện ba pha có nhiều ưu điểm thực tiễn. Một trong số đó là khả năng tạo ra một từ trường quay. Mômen mà một trường quay như vậy tạo ra trên một vật dẫn dễ dàng được chứng minh bằng cách dựng một vòng kim loại trên một bàn cách điện ngay phía trên hình xuyến, như trong Hình 16–14. Trường quay làm vòng quay quanh một trục thẳng đứng. Các yếu tố cơ bản thấy ở đây khá giống các yếu tố đang hoạt động trong một động cơ cảm ứng ba pha thương mại lớn.

Một dạng khác của động cơ cảm ứng được chỉ trong Hình 16–15. Bố trí được chỉ không phù hợp cho một động cơ thực tế hiệu suất cao nhưng sẽ minh họa nguyên lý. Nam châm điện M, gồm một bó lá sắt dát mỏng quấn với một cuộn dây solenoid, được cấp điện xoay chiều từ một máy phát điện. Nam châm tạo ra một thông lượng biến thiên của B qua đĩa nhôm. Nếu chúng ta chỉ có hai thành phần này, như trong phần (a) của hình, chúng ta chưa có một động cơ. Có các dòng điện xoáy trong đĩa, nhưng chúng đối xứng và không có mômen. (Sẽ có một ít sự nung nóng của đĩa do các dòng điện cảm ứng.) Nếu bây giờ chúng ta chỉ che một nửa cực của nam châm bằng một tấm nhôm, như trong phần (b) của hình, đĩa bắt đầu quay, và chúng ta có một động cơ. Hoạt động phụ thuộc vào hai hiệu ứng dòng điện xoáy. Thứ nhất, các dòng điện xoáy trong tấm nhôm chống lại sự thay đổi của thông lượng qua nó, nên từ trường phía trên tấm luôn trễ hơn trường phía trên nửa cực không được che. Hiệu ứng “cực bị che” (shaded-pole) này tạo ra một trường trong miền “bị che” biến thiên rất giống miền “không bị che” ngoại trừ việc nó bị trì hoãn một lượng không đổi theo thời gian. Toàn bộ hiệu ứng như thể có một nam châm chỉ rộng bằng một nửa đang liên tục được di chuyển từ miền không bị che về phía miền bị che. Sau đó các trường biến thiên tương tác với các dòng điện xoáy trong đĩa để tạo ra mômen tác dụng lên nó.

16–4  Công nghệ điện

Khi Faraday lần đầu công bố phát hiện đáng kinh ngạc của ông rằng một từ thông đang thay đổi tạo ra một emf, ông bị hỏi (như bất cứ ai cũng bị hỏi khi khám phá ra một sự thật mới của tự nhiên), “Nó có ích gì?” Tất cả những gì ông tìm thấy là điều kỳ lạ rằng một dòng điện nhỏ xíu được tạo ra khi ông di chuyển một sợi dây gần một nam châm. Điều đó có thể “ích” gì được? Câu trả lời của ông là: “Một đứa trẻ sơ sinh thì có ích gì?”

Thế nhưng hãy nghĩ đến những ứng dụng thực tiễn to lớn mà phát hiện của ông đã dẫn tới. Những gì chúng ta đã mô tả không chỉ là đồ chơi mà trong hầu hết các trường hợp là các ví dụ được chọn để đại diện cho nguyên lý của một cỗ máy thực tiễn nào đó. Chẳng hạn, chiếc vòng quay trong trường quay là một động cơ cảm ứng. Dĩ nhiên, có một số khác biệt giữa nó và một động cơ cảm ứng thực tế. Chiếc vòng có mômen rất nhỏ; nó có thể bị giữ đứng yên bằng tay của bạn. Đối với một động cơ tốt, mọi thứ phải được lắp ráp với nhau mật thiết hơn: không nên có quá nhiều từ trường “lãng phí” ngoài không khí. Thứ nhất, trường được tập trung bằng cách dùng sắt. Chúng ta chưa thảo luận sắt làm điều đó thế nào, nhưng sắt có thể làm từ trường mạnh gấp hàng chục nghìn lần so với chỉ các cuộn dây đồng có thể làm. Thứ hai, các khe hở giữa các miếng sắt được làm nhỏ; để làm được điều đó, một số sắt thậm chí được chế tạo ngay trong chiếc vòng quay. Mọi thứ được bố trí để nhận được các lực lớn nhất và hiệu suất lớn nhất — tức là, sự chuyển đổi công suất điện thành công suất cơ học — đến khi “chiếc vòng” không còn có thể bị giữ đứng yên bằng tay của bạn nữa.

Bài toán đóng các khe hở và làm cho thiết bị hoạt động theo cách thực tiễn nhất này là kỹ thuật (engineering). Nó đòi hỏi nghiên cứu nghiêm túc các bài toán thiết kế, mặc dù không có nguyên lý cơ bản mới nào từ đó các lực được suy ra. Nhưng có một chặng đường dài từ các nguyên lý cơ bản tới một thiết kế thực tiễn và kinh tế. Thế nhưng chính thiết kế kỹ thuật cẩn thận như vậy đã làm cho một thứ to lớn như đập Boulder và mọi thứ đi kèm với nó trở nên khả thi.

Đập Boulder là gì? Một con sông khổng lồ bị chặn lại bởi một bức tường bê tông. Nhưng quả là một bức tường! Được tạo hình với một đường cong hoàn hảo được tính toán rất cẩn thận sao cho lượng bê tông ít nhất có thể sẽ giữ lại cả một con sông. Nó dày lên ở phần đáy theo hình dạng tuyệt vời đó mà các nghệ sĩ thích nhưng các kỹ sư có thể trân trọng vì họ biết rằng sự dày lên như vậy liên quan đến sự tăng của áp suất theo độ sâu của nước. Nhưng chúng ta đang đi lạc khỏi điện.

Sau đó nước của con sông được dẫn vào một ống khổng lồ. Tự thân điều đó đã là một thành tựu kỹ thuật tốt đẹp. Ống dẫn nước vào một “guồng nước” — một tuabin khổng lồ — và làm các bánh xe quay. (Một kỳ công kỹ thuật khác.) Nhưng vì sao quay các bánh xe? Chúng được nối với một mớ đồng và sắt phức tạp tinh vi một cách tuyệt vời, tất cả xoắn lại và đan xen vào nhau. Với hai phần — một phần quay và một phần không quay. Tất cả là một hỗn hợp phức tạp của một vài vật liệu, chủ yếu là sắt và đồng nhưng cũng có một ít giấy và shellac để cách điện. Một thứ quái vật đang quay vòng. Một máy phát điện. Ở đâu đó từ mớ đồng và sắt bước ra vài miếng đồng đặc biệt. Đập, tuabin, sắt, đồng, tất cả được đặt ở đó để làm cho một điều đặc biệt xảy ra với vài thanh đồng — một emf. Sau đó các thanh đồng đi một đoạn ngắn và vòng vài vòng quanh một miếng sắt khác trong một máy biến áp; rồi công việc của chúng kết thúc.

Nhưng quấn quanh cùng miếng sắt đó là một cáp đồng khác không hề có mối nối trực tiếp nào với các thanh từ máy phát điện; chúng chỉ bị ảnh hưởng vì đã đi qua gần nó — để nhận emf của chúng. Máy biến áp chuyển đổi công suất từ các điện áp tương đối thấp cần thiết cho thiết kế hiệu quả của máy phát điện thành các điện áp rất cao tốt nhất cho việc truyền tải năng lượng điện hiệu quả qua các cáp dài.

Và mọi thứ phải vô cùng hiệu quả — không thể có lãng phí, không có tổn thất. Vì sao? Công suất cho một đô thị đang đi qua. Nếu một phân số nhỏ bị mất — một hay hai phần trăm — hãy nghĩ đến năng lượng bị bỏ lại! Nếu một phần trăm công suất bị bỏ lại trong máy biến áp, năng lượng đó sẽ cần được lấy ra bằng cách nào đó. Nếu nó xuất hiện dưới dạng nhiệt, nó sẽ nhanh chóng làm nóng chảy toàn bộ thiết bị. Dĩ nhiên, có một ít sự kém hiệu quả, nhưng tất cả những gì cần là vài cái bơm cho một ít dầu lưu thông qua một bộ tản nhiệt để giữ máy biến áp khỏi nóng lên.

Từ đập Boulder bước ra vài chục thanh đồng — những thanh đồng dài, dài, dài có lẽ dày bằng cổ tay của bạn, đi hàng trăm dặm theo mọi hướng. Những thanh đồng nhỏ mang theo sức mạnh của một con sông khổng lồ. Sau đó các thanh được chia ra để tạo thêm nhiều thanh… rồi tới nhiều máy biến áp hơn… đôi khi tới các máy phát điện lớn tái tạo dòng điện dưới một dạng khác… đôi khi tới các động cơ quay cho các mục đích công nghiệp lớn… tới nhiều máy biến áp hơn… rồi chia và lan tỏa thêm nữa… cho tới khi cuối cùng con sông được trải khắp cả thành phố — quay các động cơ, tạo nhiệt, tạo ánh sáng, vận hành các thiết bị. Phép màu của ánh sáng nóng từ nước lạnh cách đó 600 dặm — tất cả được thực hiện bằng các miếng đồng và sắt được bố trí đặc biệt. Các động cơ lớn để cán thép, hay các động cơ nhỏ xíu cho mũi khoan của nha sĩ. Hàng nghìn bánh xe nhỏ, quay đáp lại sự quay của bánh xe lớn ở đập Boulder. Dừng bánh xe lớn lại, và mọi bánh xe đều dừng; đèn tắt. Chúng thực sự được nối với nhau.

Thế nhưng còn nhiều hơn thế. Cũng các hiện tượng ấy lấy sức mạnh to lớn của con sông và trải nó khắp vùng quê, cho tới khi vài giọt của con sông đang vận hành mũi khoan của nha sĩ, lại xuất hiện trong việc chế tạo các dụng cụ cực kỳ tinh vi… để phát hiện các lượng dòng điện nhỏ đến khó tin… để truyền tải giọng nói, âm nhạc, và hình ảnh… cho các máy tính… cho các cỗ máy tự động có độ chính xác kỳ diệu.

Tất cả điều này là khả thi nhờ các bố trí được thiết kế cẩn thận của đồng và sắt — các từ trường được tạo ra hiệu quả… các khối sắt quay có đường kính sáu feet quay vòng với khe hở 1/16 inch… các tỉ lệ đồng cẩn thận cho hiệu suất tối ưu… các hình dạng kỳ lạ đều phục vụ một mục đích, như đường cong của con đập.

Nếu một nhà khảo cổ học tương lai nào đó khai quật đập Boulder, chúng ta có thể đoán rằng ông ta sẽ ngưỡng mộ vẻ đẹp của các đường cong của nó. Nhưng các nhà thám hiểm từ một nền văn minh lớn nào đó trong tương lai cũng sẽ nhìn vào các máy phát điện và máy biến áp và nói: “Hãy chú ý rằng mọi miếng sắt đều có một hình dạng hiệu quả tuyệt đẹp. Hãy nghĩ đến tư duy đã đi vào từng miếng đồng!”

Đây là sức mạnh của kỹ thuật và của thiết kế cẩn thận trong công nghệ điện của chúng ta. Trong máy phát điện đã được tạo ra một thứ không tồn tại ở bất cứ nơi nào khác trong tự nhiên. Đúng là có các lực cảm ứng ở những nơi khác. Chắc chắn ở một số nơi quanh mặt trời và các ngôi sao có các hiệu ứng của cảm ứng điện từ. Có lẽ cũng vậy (mặc dù chưa chắc chắn) từ trường của trái đất được duy trì bởi một vật tương tự như một máy phát điện hoạt động trên các dòng điện lưu chuyển trong lòng trái đất. Nhưng không nơi nào có các bộ phận được lắp lại với nhau với các phần chuyển động để phát điện như trong máy phát điện — với hiệu suất và sự đều đặn lớn.

Bạn có thể nghĩ rằng việc thiết kế các máy phát điện không còn là một chủ đề thú vị nữa, rằng nó là một lĩnh vực đã chết vì chúng đều đã được thiết kế hết. Các máy phát điện hay động cơ gần như hoàn hảo có thể được lấy từ trên kệ. Ngay cả nếu điều này là đúng, chúng ta vẫn có thể ngưỡng mộ thành tựu tuyệt vời của một bài toán được giải quyết đến gần như hoàn hảo. Nhưng vẫn còn lại nhiều bài toán chưa hoàn thành không kém. Ngay cả các máy phát điện và máy biến áp cũng đang trở lại thành các bài toán. Có khả năng toàn bộ lĩnh vực nhiệt độ thấp và các chất siêu dẫn sẽ sớm được áp dụng vào bài toán phân phối điện năng. Với một yếu tố hoàn toàn mới trong bài toán, các thiết kế tối ưu mới sẽ phải được tạo ra. Các mạng lưới điện của tương lai có thể ít giống với các mạng lưới của ngày nay.

Bạn có thể thấy rằng có vô số ứng dụng và bài toán người ta có thể theo đuổi khi nghiên cứu các định luật cảm ứng. Việc nghiên cứu thiết kế máy điện tự nó là một công việc cả đời. Chúng ta không thể đi rất xa theo hướng đó, nhưng chúng ta nên ý thức được sự thật rằng khi chúng ta đã khám phá ra định luật cảm ứng, chúng ta đã đột ngột nối lý thuyết của mình với một sự phát triển thực tiễn to lớn. Tuy nhiên, chúng ta phải để chủ đề đó cho các kỹ sư và các nhà khoa học ứng dụng quan tâm đến việc làm rõ các chi tiết của các ứng dụng cụ thể. Vật lý chỉ cung cấp cơ sở — các nguyên lý cơ bản áp dụng được, dù thế nào đi nữa. (Chúng ta vẫn chưa hoàn thành cơ sở, vì chúng ta vẫn còn phải xét chi tiết các tính chất của sắt và của đồng. Vật lý có điều để nói về chúng như chúng ta sẽ thấy sau một chút nữa!)

Công nghệ điện hiện đại bắt đầu với các phát hiện của Faraday. Đứa bé vô dụng đã phát triển thành một thần đồng và thay đổi bộ mặt của trái đất theo những cách mà người cha kiêu hãnh của nó không bao giờ có thể tưởng tượng được.