Hiện tượng hỗ cảm (hoặc còn được gọi là hiện tượng cặp cộng tác) là sự tương tác giữa một cuộn từ trường trên một cuộn dây khác khi nó tạo ra một điện áp trong cuộn dây liền kề.
Trong hướng dẫn trước đó, chúng ta đã tìm hiểu rằng một cuộn cảm tạo ra một điện thế tự cảm bên trong nó do sự thay đổi của từ trường xung quanh. Khi điện thế này được cảm ứng trong cùng một mạch mà dòng điện chạy qua, ta gọi hiện tượng này là tự cảm ứng (L).
Bạn đang xem: Hiện tượng hỗ cảm là gì
Tuy nhiên, khi điện thế được cảm ứng trong một cuộn dây liền kề mà nằm trong cùng một từ trường, ta gọi hiện tượng này là hiện tượng hỗ cảm (M). Khi hai hoặc nhiều cuộn dây được liên kết từ tính với nhau bằng một từ thông thường, chúng được gọi là cuộn cảm tương hỗ.
Hiện tượng hỗ cảm là hiện tượng quan trọng trong máy biến áp, động cơ, máy phát điện và các thành phần điện khác tương tác với từ trường. Ta có thể định nghĩa hiện tượng cặp cộng tác là dòng điện chạy trong một cuộn dây tạo ra một điện thế trong một cuộn dây liền kề.
Tuy nhiên, độ tự cảm tương hỗ cũng có thể gây ra một số vấn đề vì nó có thể gây ảnh hưởng đến hoạt động của các thành phần lân cận bằng hiện tượng cặp cộng tác điện từ. Do đó, có thể cần áp dụng một số biện pháp sàng lọc điện để làm giảm ảnh hưởng đến điện áp mặt đất.
Hiện tượng cặp cộng tác phụ thuộc rất nhiều vào vị trí tương đối của hai cuộn dây. Nếu hai cuộn dây được đặt gần nhau, gần như toàn bộ từ trường được tạo ra bởi cuộn dây thứ nhất sẽ tương tác với cuộn dây thứ hai để tạo ra một điện thế tương đối lớn và do đó tạo ra một độ tự cảm tương hỗ lớn.
Tương tự, nếu hai cuộn dây cách xa nhau hoặc ở các góc khác nhau, lượng từ trường cảm ứng từ cuộn dây thứ nhất vào cuộn dây thứ hai sẽ yếu hơn, từ đó tạo ra một điện thế cảm ứng nhỏ hơn và do đó hiện tượng hỗ cảm nhỏ hơn. Vì vậy, tác động của hiện tượng hỗ cảm phụ thuộc nhiều vào vị trí hoặc cách xa tương đối (S) giữa hai cuộn dây và điều này được thể hiện trong hình dưới đây.
Hiện tượng hỗ cảm giữa các cuộn dây
Độ tự cảm tương hỗ tồn tại giữa hai cuộn dây có thể được tăng lên rất nhiều bằng cách đặt chúng trên một lõi từ điều khảm thông thường hoặc bằng cách tăng số lượt quấn của một trong hai cuộn dây như trong máy biến áp.
Xem thêm : Spare Time là gì và cấu trúc cụm từ Spare Time trong câu Tiếng Anh
Nếu hai cuộn dây được buộc chặt nhau, cả hai cuộn dây được liên kết chặt với nhau thông qua một lõi từ không từ tính, do đó tổn thất thông qua cặp cộng tác sẽ rất nhỏ. Sau đó, giả sử có khớp nối từ tính hoàn hảo giữa hai cuộn dây, độ tự cảm tương hỗ tồn tại giữa chúng có thể được xác định như sau:
- Ở đâu:
- o là định mức độ thấm của không gian trống (4.π.10 -7 )
- r là định mức độ thấm tương đối của lõi từ điều khảm
- N là số vòng quấn
- A là diện tích mặt cắt ngang trong m 2
- l là chiều dài cuộn tính bằng mét
Cấu tạo hiện tượng hỗ cảm
Ở đây, dòng điện chạy qua cuộn dây một, có tự cảm L 1 tạo ra một từ trường xung quanh nó, một phần của dòng từ trường này đi qua cuộn dây hai, có tự cảm L 2 , tạo ra hiện tượng cặp cộng tác. Cuộn dây một có dòng I 1 và N 1 lượt, trong khi cuộn dây hai có N 2 lượt. Vì vậy, độ tự cảm tương hỗ M 12 của cuộn hai đối với cuộn một phụ thuộc vào vị trí của chúng đối với nhau và có thể tính toán như sau:
Tương tự, từ trường liên kết của cuộn dây một, L 1 khi có dòng I 1 chạy qua cuộn dây hai, L 2 hoàn toàn giống với từ trường liên kết của cuộn dây hai khi cùng một dòng I 1 chạy qua cuộn dây một ở trên, do đó độ tự cảm tương hỗ của cuộn dây một đối với cuộn hai được xác định là M 21 . Hiện tượng hỗ cảm này đúng cho mọi kích thước, số lượt, vị trí tương đối và hướng của hai cuộn dây. Vì vậy, ta có thể viết hiện tượng cặp cộng tác giữa hai cuộn dây như sau: M 12 = M 21 = M.
Từ đó, ta có thể thấy rằng tự cảm của một cuộn cảm là một yếu tố mạch duy nhất, trong khi tự cảm tương hỗ là một hình thức kết hợp giữa hai cuộn cảm hoặc cuộn dây, tùy thuộc vào khoảng cách và sự sắp xếp của chúng, như ta đã thấy trong hướng dẫn về cuộn cảm thông qua lý thuyết cặp cộng tác. Tự cảm riêng lẻ của từng cuộn dây được xác định như sau:
và
Multiplying the two equations above, hiện tượng cặp cộng tác M giữa hai cuộn dây có thể được biểu diễn dựa vào tự cảm của mỗi cuộn dây.
cho chúng ta một biểu thức cuối cùng và phổ biến hơn cho hiện tượng cặp cộng tác giữa hai cuộn dây:
Độ tự cảm tương hỗ giữa các cuộn dây
Tuy nhiên, phương trình trên giả định không có tổn thất thông qua cặp cộng tác (k = 0) và tỷ lệ cặp cộng tác hoàn hảo (k = 1) giữa hai cuộn dây, L 1 và L 2 . Trong thực tế, luôn có một số tổn thất thông qua cặp cộng tác và vị trí tương đối, do đó tỷ lệ cặp cộng tác giữa hai cuộn dây không thể đạt hoặc vượt quá 100%, nhưng có thể rất gần với giá trị này trong một số cuộn dây cảm ứng đặc biệt.
Xem thêm : Mắt Phải Giật Là Điềm Gì? Giải Mã Hiện Tượng Tâm Linh 2023
Nếu một phần trong tổng từ trường liên kết giữa hai cuộn dây, ta gọi phần này là một phần của tổng từ trường liên kết có thể có giữa hai cuộn. Giá trị này được gọi là hệ số cặp cộng tác và được ký hiệu là k.
Hệ số cặp cộng tác
Thường thì, hệ số cặp cộng tác được biểu diễn bằng một số thực nằm giữa 0 và 1 thay vì dưới dạng phần trăm (%), trong đó 0 cho thấy không có cặp cộng tác (không khớp) và 1 cho thấy cặp cộng tác đầy đủ (tương đương 100%).
Nói cách khác, nếu k = 1 thì hai cuộn dây được kết nối hoàn hảo, nếu k > 0,5 thì hai cuộn dây được coi là kết nối chặt chẽ và nếu k < 0,5 thì hai cuộn dây được coi là kết nối lỏng lẻo. Do đó, phương trình trên giả định một cặp cộng tác hoàn hảo và có thể chỉnh sửa để tính toán hệ số cặp cộng tác này, k, và được biểu diễn như sau:
Yếu tố cặp cộng tác giữa các cuộn dây
hoặc là
Khi hệ số cặp cộng tác, k, bằng 1 (đơn vị) để chỉ rằng tất cả các dòng từ trường của một cuộn dây cắt qua tất cả các vòng của cuộn dây thứ hai, tương đương với việc hai cuộn dây được kết nối chặt chẽ với nhau, kết quả sẽ có tổng của hiện tượng cặp cộng tác bằng trung bình hình học của hai tự cảm riêng lẻ của cuộn dây.
Bên cạnh đó, khi tự cảm của hai cuộn dây có giá trị như nhau và bằng L 1 = L 2 , hiện tượng cặp cộng tác tồn tại giữa hai cuộn dây sẽ bằng giá trị của một cuộn dây duy nhất do căn bậc hai của hai giá trị bằng nhau là như nhau.
Ví dụ về hiện tượng cặp cộng tác
Hai cuộn cảm có tự cảm lần lượt là 75mH và 55mH, được đặt cùng nhau trên lõi từ chung sao cho 75% dòng từ trường từ cuộn thứ nhất đi qua cuộn thứ hai. Hãy tính tổng của hiện tượng cặp cộng tác tồn tại giữa hai cuộn dây.
Ví dụ về tự cảm tương hỗ
Khi hai cuộn dây có tự cảm lần lượt là 5H và 4H được quấn đều vào lõi không từ dẫn, ta thấy rằng hiện tượng cặp cộng tác của chúng là 1,5H. Hãy tính hệ số cặp cộng tác tồn tại giữa chúng.
Trong hướng dẫn tiếp theo về cuộn cảm, chúng ta sẽ xem xét cách kết nối các cuộn cảm với nhau theo dạng nối tiếp và ảnh hưởng của việc kết hợp này đến hiện tượng cặp cộng tác, tổng tự cảm và điện áp cảm ứng.
