Từ thông là gì? khái niệm, công thức và ứng dụng thực tế trong kỹ thuật điện

Trong lĩnh vực kỹ thuật điện và vật lý, khái niệm từ thông xuất hiện rất thường xuyên, đặc biệt khi nhắc đến máy phát điện, máy biến áp hay các hệ thống cảm biến điện từ. Tuy nhiên, nhiều người dù đã nghe qua lại chưa thật sự hiểu rõ từ thông là gì, công thức tính từ thông hay vai trò của nó trong các thiết bị điện.

Hãy cùng TTTT Global tìm hiểu chi tiết về hiện tượng vật lý quan trọng này trong bài viết dưới đây!

1. Từ thông là gì? Bản chất vật lý và đơn vị đo

1.1. Khái niệm từ thông

Từ thông (Magnetic flux) là đại lượng vật lý biểu thị số lượng đường sức từ đi qua một bề mặt nhất định. Nói cách khác, từ thông cho biết mức độ “xuyên qua” của từ trường đối với một diện tích khép kín.

Trong kỹ thuật, từ thông được ký hiệu là Φ (phi) và là đại lượng tích phân của mật độ từ trường (B) qua diện tích (S) mà từ trường đi qua:

Φ=B×S×cos⁡(α)Φ = B \times S \times \cos(α)Φ=B×S×cos(α)Trong đó:

• B là mật độ từ thông (đơn vị: Tesla, ký hiệu T),
• S là diện tích bề mặt (đơn vị: m²),
• α là góc giữa đường sức từ và pháp tuyến của bề mặt.

Khi góc α = 0° hoặc 0°, tức là từ trường song song với pháp tuyến, ta có từ thông cực đại. Ngược lại, nếu α = 90°, đường sức từ vuông góc với pháp tuyến, từ thông bằng 0 (còn gọi là từ thông cực tiểu).

1.2. Đơn vị của từ thông

Đơn vị đo chuẩn quốc tế của từ thông là Weber (Wb).

1 Weber = 1 Tesla × 1 mét vuông (Wb = T·m²).

Trong thực tế, đơn vị Tesla (T) thường được dùng để biểu thị mật độ từ thông. Ví dụ, một nam châm mạnh có thể tạo ra từ trường cỡ 1 Tesla, trong khi Trái Đất chỉ tạo ra từ trường khoảng 50 microtesla.

1.3. Hiểu từ thông qua ví dụ đơn giản

Giả sử bạn có một cuộn dây đồng được đặt gần một nam châm vĩnh cửu. Khi từ trường xuyên qua diện tích vòng dây, nó tạo ra một lượng từ thông Φ. Nếu bạn di chuyển nam châm lại gần, từ thông tăng lên; khi kéo ra xa, từ thông giảm đi.

Sự thay đổi từ thông này chính là nguyên nhân sinh ra dòng điện cảm ứng – nền tảng của mọi máy phát điện và máy biến áp trong thực tế.

2. Từ thông cực đại – Công thức và mối liên hệ với dòng điện cảm ứng

2.1. Khi nào từ thông đạt cực đại?

Từ thông cực đại xảy ra khi đường sức từ đi thẳng góc với bề mặt diện tích (nghĩa là α = 0° hoặc α = 0°). Khi đó:

Φmax=B×SΦ_{max} = B \times SΦmax​=B×STrường hợp này thường xuất hiện khi cuộn dây nằm song song với hướng từ trường, giúp lượng đường sức từ xuyên qua bề mặt là lớn nhất.

Ngược lại, khi α = 90°, từ trường vuông góc với pháp tuyến → từ thông bằng 0, hay còn gọi là từ thông cực tiểu.

2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến từ thông

Có bốn yếu tố chính ảnh hưởng đến giá trị của từ thông:

1. Cường độ từ trường (B): Nam châm càng mạnh, từ thông càng lớn.
2. Diện tích bề mặt (S): Cuộn dây có diện tích lớn hơn → nhận được nhiều đường sức từ hơn.
3. Góc giữa từ trường và pháp tuyến (α): Càng gần 0° → từ thông càng lớn.
4. Số vòng dây (N): Trong mạch điện có N vòng, từ thông toàn phần sẽ là:
5. Φtoaˋn pha^ˋn=N×ΦΦ_{toàn\ phần} = N \times ΦΦtoaˋn pha^ˋn​=N×Φ

2.3. Mối liên hệ giữa từ thông và cảm ứng điện từ

Một trong những định luật nổi tiếng nhất liên quan đến từ thông là Định luật cảm ứng điện từ Faraday, phát biểu rằng:

Khi từ thông qua một mạch kín biến thiên theo thời gian, trong mạch sẽ xuất hiện một suất điện động cảm ứng.

Hay viết gọn lại:

E=−dΦdtE = - \frac{dΦ}{dt}E=−dtdΦ​Dấu (-) thể hiện quy tắc Lenz, nghĩa là dòng điện cảm ứng luôn sinh ra từ trường chống lại sự thay đổi của từ thông.

Hiện tượng này chính là nền tảng của nguyên lý máy phát điện: khi rô-to quay, từ thông qua cuộn dây liên tục thay đổi → tạo ra dòng điện xoay chiều.

3. Ứng dụng của từ thông trong kỹ thuật và đời sống

Từ thông không chỉ là một khái niệm lý thuyết trong sách vật lý, mà còn có vô số ứng dụng thực tiễn trong công nghiệp, thiết bị điện và đời sống hàng ngày.

3.1. Tạo ra dòng điện xoay chiều trong máy phát điện

Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của từ thông là tạo ra dòng điện cảm ứng trong máy phát điện.

Khi cuộn dây quay trong từ trường, từ thông qua cuộn dây thay đổi liên tục, dẫn đến dòng điện xoay chiều (AC) xuất hiện. Đây là nguyên lý hoạt động cơ bản của:

• Máy phát điện tua-bin thủy điện
• Máy phát điện gió
• Máy phát dự phòng công nghiệp

Từ thông trong trường hợp này chính là cầu nối giữa cơ năng và điện năng, giúp biến chuyển động quay thành dòng điện sử dụng trong đời sống.

3.2. Ứng dụng trong máy biến áp

Trong máy biến áp (Transformer), từ thông đóng vai trò trung gian truyền năng lượng điện từ cuộn sơ cấp sang cuộn thứ cấp.

Khi dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn sơ cấp, nó tạo ra từ trường biến thiên, dẫn đến từ thông thay đổi xuyên qua lõi sắt và cuộn thứ cấp.

Kết quả là, một điện áp cảm ứng xuất hiện ở cuộn thứ cấp — đây chính là nguyên lý giúp biến đổi điện áp cao thành điện áp thấp (hoặc ngược lại) trong mạng lưới điện quốc gia.

3.3. Bếp điện từ và thiết bị gia dụng thông minh

Bếp điện từ là ví dụ sinh động khác của hiện tượng cảm ứng điện từ từ thông.

Khi dòng điện chạy qua cuộn dây đồng dưới mặt bếp, nó tạo ra từ trường biến thiên liên tục. Từ trường này xuyên qua đáy nồi kim loại, cảm ứng ra dòng điện xoáy (eddy current) làm phát nhiệt trực tiếp, giúp đun nóng thức ăn nhanh chóng và tiết kiệm điện.

Tương tự, các thiết bị như sạc không dây, ổ cắm cảm ứng, hệ thống sưởi từ… cũng dựa trên nguyên lý biến thiên từ thông để truyền năng lượng mà không cần tiếp xúc vật lý.

3.4. Cảm biến đo lưu lượng chất lỏng

Trong công nghiệp, các máy đo lưu lượng điện từ (Electromagnetic Flow Meter) sử dụng từ thông để đo vận tốc dòng chảy của chất lỏng.

Nguyên lý hoạt động:

• Khi chất lỏng dẫn điện di chuyển trong ống được đặt trong từ trường, một suất điện động cảm ứng sẽ xuất hiện.
• Giá trị điện áp này tỷ lệ thuận với tốc độ dòng chảy, từ đó hệ thống có thể tính toán lưu lượng chính xác.

Ứng dụng này phổ biến trong xử lý nước, sản xuất hóa chất, dầu khí và thực phẩm.

Công ty TNHH TTTT Global

Địa chỉ: Landmark 4, Vinhomes Central Park, 720A Điện Biên Phủ, P.Thạnh Mỹ Tây, TP.HCM, Việt Nam

Website: https://ttttglobal.com/

Email: info@ttttglobal.com

Điện thoại: 0286 2728334