Năm 1831, Michael Faraday quấn dây quanh một vòng sắt và phát hiện điều cả châu Âu đang rình: từ trường sinh ra điện. Nhưng kèm một chữ nếu làm nên toàn bộ định luật:
EMF = −N·dΦ/dtSuất điện động không tỉ lệ với từ thông Φ — nó tỉ lệ với tốc độ thay đổi của từ thông. Nam châm mạnh cỡ nào mà nằm im trong cuộn dây thì đồng hồ vẫn chỉ đúng số 0.
Đọc đồ thị hai cái gai
Nam châm rơi qua cuộn: từ thông tăng khi nó lao vào, đạt đỉnh lúc ở giữa, giảm khi nó thoát ra. Đạo hàm của “lên rồi xuống” là một gai dương và một gai âm — và khoảnh khắc nam châm nằm chính giữa cuộn, nơi từ thông lớn nhất, EMF lại bằng 0, vì lớn nhất nghĩa là đang không đổi. Đề thi rất thích điểm này.
Kéo tốc độ thả và xem cuộc mặc cả: nhanh gấp đôi, gai cao gấp đôi nhưng hẹp đi một nửa. Diện tích mỗi gai không suy suyển — nó bằng N·ΔΦ, tổng từ thông nam châm mang qua, thứ không phụ thuộc bạn vội hay thong thả. Tốc độ chỉ quyết định món hàng được giao dồn dập hay rải rác.
Còn dấu trừ là một định luật riêng
Dấu trừ trong công thức mang tên Lenz: dòng cảm ứng luôn chống lại thay đổi đã sinh ra nó. Nam châm lao vào — cuộn dây tạo từ trường đẩy ra; nam châm rút đi — cuộn dây níu lại. Không phải phép lịch sự: đó là bảo toàn năng lượng mặc đồng phục điện từ. Nếu dấu ngược lại, nam châm rơi qua cuộn sẽ được hút vào nhanh thêm, sinh điện càng nhiều, rơi càng nhanh — cỗ máy vĩnh cửu miễn phí, và vũ trụ không phát hành loại vé đó.
Thí nghiệm đáng tận mắt: thả nam châm neodymium xuống ống đồng — vật liệu không hề bị nam châm hút. Nó rơi chậm như qua mật ong: mỗi centimet ống là một “cuộn dây” đang tuân lệnh Lenz, cản đúng cái chuyển động sinh ra dòng trong nó. Phanh điện từ của tàu cao tốc và cân phân tích phòng thí nghiệm hãm dao động bằng đúng nguyên lý này — phanh không má phanh, không mòn.
Từ hai cái gai đến lưới điện
Máy phát điện chỉ là demo này chạy công nghiệp: thay vì thả nam châm một lần,
người ta quay nam châm liên tục cạnh cuộn dây — từ thông lên xuống mãi,
hai cái gai nối thành hình sin bất tận. Con số 50 Hz trên lưới điện Việt Nam
là tốc độ quay đó bị đóng đinh: rotor các nhà máy từ thuỷ điện Hoà Bình tới
tuabin gió ngoài khơi đều xoay khớp nhịp nhau quanh đúng tần số ấy. Mỗi lần
bật công tắc, bạn đang nhận trực tiếp −dΦ/dt từ một nam châm đang quay cách
đó hàng trăm cây số.
Trường hợp biên: máy phát chỉ nặng tay khi có người dùng điện
Quay thử một dynamo chưa cắm gì: nhẹ tênh, vì cuộn dây hở mạch — từ thông vẫn lên xuống nhưng không có dòng nào chạy, Lenz không có gì để chống. Cắm bóng đèn vào là tay quay nặng lên tức thì, và bật thêm đèn lại nặng thêm: lực cản cơ học tỉ lệ đúng với công suất điện đang rút ra. Đây là bảo toàn năng lượng sờ được bằng bắp tay — và là lý do đạp xe phát điện là bài tập nặng đến thế: mỗi watt bóng đèn là một watt bắp đùi. Toàn bộ lưới điện vận hành trên hiệu ứng này theo thời gian thực: mỗi chiếc điều hoà bật lên ở Hà Nội làm rotor Hoà Bình nặng thêm một chút, và van nước phải mở thêm tương ứng. Còn muốn đổi 50 Hz ấy thành điện áp tuỳ ý cho từng nhà thì cần người bạn đồng hành của mọi máy phát: máy biến áp.