Điện cảm là gì? Cấu tạo, phân loại và công thức tính độ tự cảm của cuộn dây

Điện cảm là một trong những hiện tượng quan trọng trong lĩnh vực điện - điện tử, đặc biệt trong dòng điện xoay chiều. Hiểu một cách đơn giản, điện cảm (hay còn gọi là hiện tượng tự cảm) là hiện tượng xuất hiện trong một mạch kín khi dòng điện xoay chiều thay đổi làm phát sinh suất điện động cảm ứng ngược chiều với sự biến thiên của dòng điện.

Trong bài viết dưới đây, Dianyo Powergen sẽ cùng bạn tìm hiểu chi tiết điện cảm là gì, nguyên lý hoạt động, cấu tạo và phân loại giúp bạn có cái nhìn tổng quan và ứng dụng hiệu quả trong thực tế.

Điện cảm là gì?

Theo định nghĩa từ Wikipedia, điện cảm hay còn gọi là hiện tượng tự cảm, là hiện tượng chỉ xuất hiện trong một mạch kín có dòng điện xoay chiều chạy qua khi ta đóng hoặc ngắt mạch. Nói cách khác, sự biến thiên của cường độ dòng điện (I) trong mạch sẽ làm thay đổi từ thông, từ đó sinh ra suất điện động cảm ứng chống lại sự biến đổi của chính dòng điện đó.

Bên cạnh đó, Cuộn cảm (Inductor) là linh kiện tiêu biểu thể hiện hiện tượng điện cảm. Đây là một thành phần bị động hai cực, thường có dạng cuộn dây và lưu trữ năng lượng dưới dạng từ trường. Khi dòng điện trong cuộn dây thay đổi, cuộn cảm sẽ sinh ra một điện áp ngược lại nhằm chống lại sự thay đổi đó.

Công thức tính độ tự cảm của cuộn dây và đơn vị đo điện cảm

Trong lĩnh vực điện - điện tử, điện cảm là đại lượng giúp đánh giá khả năng sinh ra từ trường của một cuộn dây khi có dòng điện chạy qua. 

Công thức tính độ tự cảm của một cuộn dây

Trong kỹ thuật điện - điện tử, điện cảm (ký hiệu là L) là đại lượng đặc trưng cho khả năng của cuộn dây sinh ra từ trường khi có dòng điện chạy qua. Độ điện cảm được xác định bằng tỷ số giữa điện áp cảm ứng (V) và tốc độ thay đổi của dòng điện (A/s). Trong Hệ đơn vị quốc tế (SI), đơn vị đo điện cảm là Henry (H).

Độ tự cảm của cuộn dây được xác định theo công thức:  L = (N x Φ) / I

Trong đó:

• L: Độ tự cảm của cuộn dây (đơn vị Henry - H)

• N: Số vòng dây của cuộn dây (vòng)

• Φ: Lượng từ thông đi qua cuộn dây (Weber - Wb)

• I: Cường độ dòng điện chạy qua cuộn dây (Ampe - A)

Ý nghĩa: Độ tự cảm tỷ lệ thuận với số vòng dây và từ thông, đồng thời tỷ lệ nghịch với cường độ dòng điện. Tức là, cuộn dây có càng nhiều vòng quấn hoặc từ thông càng lớn thì khả năng cảm ứng điện từ càng mạnh.

Đơn vị đo điện cảm (Henry) là gì?

Trong hệ đo lường quốc tế (SI), Henry (ký hiệu H) là đơn vị đo điện cảm. Tên gọi này được đặt theo nhà vật lý Joseph Henry (1797–1878)  người đã có những đóng góp quan trọng trong việc phát hiện hiện tượng cảm ứng điện từ cùng thời với Michael Faraday.

Một Henry (H) được hiểu: Khi dòng điện trong cuộn dây thay đổi 1 Ampe trong 1 giây, nếu tạo ra suất điện động cảm ứng là 1 Volt, thì cuộn dây đó có độ tự cảm là 1 Henry.

Chính khả năng này khiến cuộn cảm trở thành linh kiện không thể thiếu trong các mạch lọc, mạch dao động, mạch nguồn và nhiều thiết bị điện tử công nghiệp, trong đó có máy phát điện công nghiệp.

Quy đổi đơn vị Henry (H) sang các đơn vị khác

Dưới đây là bảng quy đổi giữa Henry và các đơn vị đo điện cảm khác:

Cấu tạo của cuộn cảm

Cuộn cảm được cấu tạo chủ yếu từ dây dẫn (thường là đồng) được cách điện và quấn thành nhiều vòng liên tiếp quanh một lõi. Tùy theo ứng dụng, lõi cuộn cảm có thể là lõi không khí, lõi sắt từ hoặc lõi ferrite. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ tự cảm của cuộn cảm bao gồm:

- Số vòng dây: Càng nhiều vòng dây, điện cảm càng lớn.

- Khoảng cách giữa các vòng dây: Khoảng cách nhỏ giúp từ thông liên kết tốt hơn, tăng hiệu quả cảm ứng.

- Loại lõi: Lõi vật liệu có tính thấm từ cao (như sắt từ, ferrite) giúp điện cảm tăng lên đáng kể.

- Hình dạng và kích thước cuộn: Độ dài, đường kính và hình dáng cuộn dây cũng tác động đến khả năng cảm ứng điện từ.

Trong lý thuyết, cuộn cảm chỉ có điện cảm (L). Tuy nhiên, cuộn cảm thực tế còn có thêm điện trở (R) và điện dung ký sinh (C).

• Điện trở dây xuất hiện do bản thân dây dẫn có điện trở nhất định, gây tổn hao năng lượng.

• Điện dung ký sinh hình thành giữa các vòng dây quấn gần nhau, tạo nên hiện tượng điện dung đi lạc.

Tác dụng chính của cuộn cảm

Cuộn cảm có tác dụng chặn dòng điện xoay chiều (AC) và cho phép dòng điện một chiều (DC) đi qua. Điều này xảy ra vì cuộn cảm tạo ra suất điện động tự cảm khi dòng điện thay đổi, khiến nó cản trở sự biến thiên của dòng điện xoay chiều.

Cuộn cảm còn là thành phần chủ chốt trong các mạch lọc và mạch điều chỉnh tần số, được sử dụng để phân tách tín hiệu theo tần số hoặc kết hợp với tụ điện để tạo ra mạch cộng hưởng, ứng dụng trong các thiết bị như radio, TV, máy thu phát sóng.

Vai trò của cuộn cảm trong điện tử và máy phát điện

Là một linh kiện cơ bản trong lĩnh vực điện tử, cuộn cảm được ứng dụng rộng rãi trong:

- Mạch lọc tín hiệu: Loại bỏ nhiễu, lọc tần số không mong muốn, giúp tín hiệu đầu ra ổn định.

- Ổn định điện áp: Giảm dao động dòng điện, bảo vệ thiết bị điện tử khỏi xung điện áp.

- Thiết bị công suất và nguồn điện: Giúp duy trì dòng điện đều đặn, nâng cao hiệu suất hoạt động của máy phát điện và bộ nguồn chuyển mạch.

- Mạch khử nhiễu (EMI): Loại bỏ nhiễu điện từ trong các thiết bị công nghiệp và dân dụng.

- Ứng dụng trong ô tô và tự động hóa: Dùng trong hệ thống đánh lửa, điều khiển động cơ và cảm biến từ trường.

Cuộn cảm hiện nay được cải tiến có kích thước nhỏ gọn hơn nhưng hiệu suất cao hơn, giúp tối ưu hóa hoạt động của toàn bộ mạch điện trong thiết bị hiện đại.

Phân loại và ứng dụng thực tế của điện cảm

Các loại cuộn cảm được phân loại chủ yếu dựa trên vật liệu lõi, cấu trúc cuộn dây, công suất và dải tần hoạt động. Dưới đây là những loại cuộn cảm phổ biến nhất.

Cuộn cảm lõi rỗng (Air Core Inductor)

Loại cuộn cảm này không có lõi, chỉ gồm dây đồng được quấn trong không khí. Do không có lõi từ, cuộn cảm lõi rỗng không xảy ra hiện tượng tổn hao từ trễ hay bão hòa từ, nhưng độ tự cảm thường nhỏ hơn so với loại có lõi ferrite hoặc sắt từ, sử dụng phổ biến trong các mạch tần số cao như radio, TV hoặc mạch dao động.

Cuộn cảm lõi ferrite (Ferrite Core Inductor)

Đây là loại cuộn cảm được sử dụng nhiều nhất hiện nay nhờ ưu điểm giảm nhiễu điện từ và hiệu suất cao ở tần số trung bình đến cao. Lõi ferrite được làm từ hỗn hợp oxit sắt và các kim loại khác, có tính thấm từ cao và tổn thất thấp, thường được ứng dụng trong bộ nguồn xung, mạch lọc nhiễu, bộ chuyển đổi năng lượng,  máy phát điện công nghiệp.

Cuộn cảm lõi hình xuyến (Toroidal Core Inductor)

Cuộn dây của loại này được quấn quanh lõi hình vòng tròn khép kín, giúp từ thông không bị rò rỉ ra ngoài. Cuộn cảm có lõi hình xuyến là hiệu suất cao và tổn thất thấp, tuy nhiên quá trình sản xuất đòi hỏi kỹ thuật quấn dây chuyên dụng, được dùng trong các mạch công suất lớn, bộ lọc điện và thiết bị biến tần.

Cuộn cảm ống chỉ (Bobbin Based Inductor)

Đây là loại cuộn cảm có dây quấn quanh ống chỉ cách điện, lõi có thể là ferrite hoặc sắt từ. Cấu trúc này giúp cuộn cảm dễ chế tạo, bền và phù hợp với các ứng dụng chuyển đổi năng lượng, được dùng trong bộ nguồn chế độ chuyển mạch (SMPS) và hệ thống cấp điện cho máy phát điện.

Cuộn cảm nhiều lớp (Multi-Layer Inductor)

Loại này có cấu tạo gồm nhiều lớp cuộn dây dẫn xếp chồng lên nhau, được kết nối nối tiếp trong cùng một thân gốm hoặc vật liệu cách điện. Cấu trúc này giúp tăng độ tự cảm trong không gian nhỏ, rất phù hợp với các thiết bị điện tử nhỏ gọn như điện thoại, thiết bị di động và mạch khử nhiễu tần số cao.

Cuộn cảm màng mỏng (Thin Film Inductor)

Đây là loại cuộn cảm siêu nhỏ được chế tạo bằng công nghệ màng mỏng, có giá trị điện cảm rất thấp, thường chỉ ở mức nano Henry (nH). Với kích thước nhỏ, hoạt động ổn định ở tần số cực cao, được ứng dụng trong các mạch RF, cảm biến, thiết bị truyền thông và hệ thống thu phát tín hiệu không dây.

Kết luận

Qua những phân tích trên, có thể thấy điện cảm là gì không chỉ là một khái niệm cơ bản trong lĩnh vực điện – điện tử, mà còn là yếu tố quan trọng giúp ổn định dòng điện, giảm nhiễu và nâng cao hiệu suất hoạt động của các thiết bị điện.

Hiểu rõ nguyên lý, cấu tạo và các loại cuộn cảm giúp kỹ sư và người vận hành lựa chọn đúng linh kiện, đảm bảo hệ thống điện hoạt động ổn định, an toàn và tiết kiệm năng lượng.  Mọi vướng mắc xin vui lòng liên hệ với Dianyo Powergen  để được tư vấn và giải đáp nhanh chóng.