Trong mạch điện, cuộn cảm tạo ra một sức điện động (EMF) tự cảm ứng do từ trường biến thiên. Khi EMF được tạo ra trong cùng một mạch có dòng điện thay đổi, hiệu ứng này được gọi là tự cảm (L), đôi khi còn được gọi là back-EMF vì cực của nó ngược với điện áp đặt vào.
Khi EMF được tạo ra trong một thành phần lân cận nằm trong cùng một từ trường, EMF được cho là do cảm ứng lẫn nhau (M). Cảm ứng lẫn nhau là nguyên tắc hoạt động cơ bản của máy biến áp, động cơ, rơle, v.v. Tự cảm là một trường hợp đặc biệt của cảm ứng lẫn nhau, và vì nó được tạo ra trong một mạch đơn lẻ, chúng ta thường gọi đơn giản là độ tự cảm.
Xem thêm: Cuộn cảm là gì (ví dụ link nội bộ)
Đơn vị đo lường cơ bản cho độ tự cảm là Henry (H), theo tên của Joseph Henry. Nó cũng có đơn vị Webers trên mỗi Ampe (1 H = 1 Wb / A).
Định luật Lenz cho biết rằng một EMF cảm ứng tạo ra một dòng điện theo hướng chống lại sự thay đổi từ thông gây ra EMF đó. Do đó, chúng ta có thể định nghĩa độ tự cảm một cách chính xác như sau: Một cuộn dây sẽ có độ tự cảm là một Henry khi một EMF một volt được tạo ra trong cuộn dây đó khi dòng điện chạy qua cuộn dây thay đổi với tốc độ một ampe trên giây.
Nói cách khác, một cuộn dây có độ tự cảm (L) là một Henry (1H) khi dòng điện chạy qua cuộn dây thay đổi với tốc độ một ampe trên giây (A/s). Sự thay đổi này gây ra điện áp một volt (VL). Biểu diễn toán học của tốc độ thay đổi dòng điện qua cuộn dây theo thời gian được cho là:
Công thức tính tốc độ biến thiên dòng điện qua cuộn cảm theo thời gian, một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ tự cảm.
Trong đó: di là sự thay đổi của dòng điện tính bằng Ampe và dt là thời gian để dòng điện này thay đổi tính bằng giây. Điện áp cảm ứng trong một cuộn dây (VL) với độ tự cảm L Henries do sự thay đổi dòng điện này được biểu thị như sau:
VL = -L (di/dt)
Lưu ý rằng dấu âm cho thấy điện áp cảm ứng chống lại sự thay đổi dòng điện qua cuộn dây theo thời gian (di/dt).
Từ phương trình trên, độ tự cảm của cuộn dây có thể được trình bày như sau:
L = -VL / (di/dt)
Mục Lục
Độ Tự Cảm Của Cuộn Dây và Các Yếu Tố Ảnh Hưởng
Trong đó:
- L là độ tự cảm, đơn vị Henries (H)
- VL là điện áp trên cuộn dây, đơn vị Volts (V)
- di/dt là tốc độ thay đổi của dòng điện, đơn vị Amperes trên giây (A/s)
Độ tự cảm (L) là thước đo khả năng của cuộn cảm trong việc chống lại sự thay đổi của dòng điện chạy qua mạch. Giá trị của nó càng lớn (tính bằng Henries), tốc độ thay đổi dòng điện càng thấp.
Như đã biết, cuộn cảm là thiết bị lưu trữ năng lượng dưới dạng từ trường. Cuộn cảm được tạo thành từ các vòng dây riêng lẻ kết hợp lại thành cuộn dây. Nếu số vòng dây trong cuộn dây tăng lên, thì với cùng một dòng điện chạy qua, từ thông cũng sẽ tăng lên.
Do đó, bằng cách tăng số vòng dây trong cuộn dây, độ tự cảm của cuộn dây sẽ tăng lên. Mối quan hệ giữa độ tự cảm (L) và số vòng dây (N) cho một cuộn dây đơn lớp đơn giản có thể được biểu diễn như sau:
L = NΦ / I
Công thức tính độ tự cảm dựa trên số vòng dây và từ thông
Trong đó:
- L là độ tự cảm, đơn vị Henries (H)
- N là số vòng dây
- Φ là từ thông, đơn vị Webers (Wb)
- I là dòng điện, đơn vị Amperes (A)
Biểu thức này cũng có thể được định nghĩa là liên kết từ thông (NΦ) chia cho dòng điện, tương đương với giá trị của dòng điện chạy qua mỗi vòng của cuộn dây. Lưu ý rằng phương trình này chỉ áp dụng cho vật liệu từ tính tuyến tính.
Ví dụ minh họa về độ tự cảm
Ví dụ 1: Một cuộn dây lõi không khí gồm 500 vòng dây đồng tạo ra từ thông 10mWb khi dòng điện một chiều 10 ampe chạy qua. Tính độ tự cảm của cuộn dây tính bằng milli-Henries.
Áp dụng công thức: L = NΦ / I = (500 * 0.01) / 10 = 0.5 H = 500 mH.
Ví dụ 2: Tính giá trị của EMF tự cảm ứng được tạo ra trong cùng một cuộn dây sau một thời gian 10mS nếu dòng điện giảm từ 10A về 0A một cách tuyến tính.
Hình ảnh mô tả sự thay đổi dòng điện và ảnh hưởng đến EMF tự cảm ứng trong cuộn dây.
Sử dụng công thức VL = -L (di/dt), ta có: di = 0 – 10 = -10 A và dt = 0.01 s.
VL = -0.5 * (-10 / 0.01) = 500 V.
Các yếu tố cấu tạo ảnh hưởng đến độ tự cảm
Độ tự cảm của cuộn dây, hay chính xác hơn là hệ số tự cảm, phụ thuộc vào đặc tính cấu tạo của nó, bao gồm kích thước, chiều dài, số vòng dây, v.v. Có thể tạo ra cuộn cảm có hệ số tự cảm rất cao bằng cách sử dụng lõi có độ từ thẩm cao và số vòng dây lớn. Đối với một cuộn dây, từ thông được tạo ra trong lõi bên trong của nó được tính bằng công thức:
Φ = B * A
Trong đó:
- Φ là từ thông
- B là mật độ từ thông
- A là diện tích
Nếu lõi bên trong của một cuộn dây điện từ dài có số vòng N trên mỗi mét chiều dài, và là lõi không khí, thì cảm ứng từ trong lõi của nó được tính bằng công thức:
B = μ0 N I
Công thức liên quan đến độ từ thẩm của không khí, số vòng dây và dòng điện để xác định cảm ứng từ trong cuộn dây.
Bằng cách thay thế các biểu thức này vào phương trình đầu tiên, ta có công thức tính độ tự cảm cho một cuộn dây lõi không khí (điện từ) như sau:
L = (μ0 N2 A) / l
Trong đó:
- L là độ tự cảm, đơn vị Henries (H)
- μ0 là độ từ thẩm của không gian tự do (4π x 10-7 H/m)
- N là số vòng dây
- A là diện tích lõi bên trong (πr2), đơn vị m2
- l là chiều dài của cuộn dây, đơn vị mét (m)
Vì độ tự cảm của cuộn dây là do từ thông xung quanh nó, từ thông càng mạnh thì độ tự cảm càng lớn. Một cuộn dây có nhiều vòng sẽ có độ tự cảm cao hơn so với một cuộn dây có ít vòng. Do đó, phương trình trên cho thấy độ tự cảm L tỷ lệ với bình phương số vòng dây N2.
Ngoài việc tăng số vòng dây, ta cũng có thể tăng độ tự cảm bằng cách tăng đường kính cuộn dây hoặc làm cho lõi dài hơn. Trong cả hai trường hợp, cần nhiều dây hơn để xây dựng cuộn dây và do đó, có nhiều dòng lực hơn để tạo ra EMF yêu cầu.
Độ tự cảm của cuộn dây có thể tăng hơn nữa nếu cuộn dây được quấn trên lõi sắt từ (ví dụ: vật liệu sắt mềm) thay vì lõi không khí hoặc lõi rỗng không từ tính. Nếu lõi bên trong được làm bằng vật liệu sắt từ như sắt mềm, coban hoặc niken, độ tự cảm của cuộn dây sẽ tăng lên đáng kể vì với cùng một dòng điện, từ thông tạo ra sẽ mạnh hơn nhiều. Điều này là do vật liệu tập trung các dòng lực mạnh hơn thông qua vật liệu lõi sắt từ mềm.
Nếu vật liệu lõi có độ từ thẩm tương đối lớn hơn 1000 lần so với không gian trống (ví dụ: sắt mềm hoặc thép), thì độ tự cảm của cuộn dây sẽ lớn hơn 1000 lần. Do đó, độ tự cảm của một cuộn dây tăng tỷ lệ thuận với độ từ thẩm của lõi.
Sau đó, đối với một cuộn dây quấn quanh một lõi, phương trình độ tự cảm trên cần được sửa đổi để bao gồm độ từ thẩm tương đối (μr) của vật liệu lõi:
L = (μr μ0 N2 * A) / l
Nếu cuộn dây được quấn trên lõi sắt từ, độ tự cảm lớn hơn sẽ dẫn đến độ từ thẩm của lõi thay đổi theo mật độ từ thông. Tuy nhiên, tùy thuộc vào loại vật liệu sắt từ, từ thông lõi bên trong có thể nhanh chóng đạt đến độ bão hòa, tạo ra giá trị tự cảm phi tuyến tính. Vì mật độ từ thông xung quanh một cuộn dây phụ thuộc vào dòng điện chạy qua nó, độ tự cảm L cũng trở thành một hàm của dòng điện (i).
Ứng Dụng Của Tự Cảm
Tự cảm là một thuộc tính quan trọng trong nhiều ứng dụng điện và điện tử. Nó được sử dụng trong các mạch lọc, mạch dao động, bộ nguồn và nhiều thiết bị khác. Việc hiểu rõ về tự cảm và các yếu tố ảnh hưởng đến nó là rất quan trọng đối với các kỹ sư và kỹ thuật viên điện tử.
Trong các mạch lọc, cuộn cảm được sử dụng để chặn các tín hiệu tần số cao và cho phép các tín hiệu tần số thấp đi qua. Trong các mạch dao động, cuộn cảm được sử dụng để tạo ra các tín hiệu dao động ở tần số cụ thể. Trong các bộ nguồn, cuộn cảm được sử dụng để lưu trữ năng lượng và cung cấp năng lượng ổn định cho các thiết bị điện tử.
Ngoài ra, hiện tượng tự cảm còn là nguyên lý hoạt động cơ bản của máy biến áp, động cơ và máy phát điện.
Kết luận
Tự cảm là một khái niệm quan trọng trong điện từ học và có nhiều ứng dụng thực tế. Việc hiểu rõ về các yếu tố ảnh hưởng đến độ tự cảm giúp chúng ta thiết kế và sử dụng các mạch điện tử một cách hiệu quả hơn. Tóm lại, độ tự cảm không chỉ là một thông số kỹ thuật, mà còn là chìa khóa để mở ra nhiều ứng dụng trong thế giới công nghệ hiện đại.