Dòng điện Fuco là gì? Tác hại và Ứng dụng trong thực tế

Dòng điện fuco là gì?

#1 Thí nghiệm

Foucault là người đã phát minh ra dòng điện Fuco, ông làm thí nghiệm như sau:

• Đầu tiên ông quay một đĩa kim loại quanh một trục không ma sát, đĩa quay một lúc lâu.
• Sau đó ông lặp lại thí nghiệm trên, nhưng đặt đĩa kim loại trong một từ trường mạnh. Đĩa quay nhanh chóng dừng lại khi được đưa vào từ trường và đồng thời nóng lên.
• Thí nghiệm trên có thể giải thích như sau:

Khi các hạt tích điện chuyển động tự do trong kim loại (cụ thể là electron), chuyển động, cùng với đĩa, trong từ trường sẽ chịu lực Lorentz gây ra bởi từ trường, làm lệch quỹ đạo chuyển động. Điều này cũng có nghĩa các hạt điện tích sẽ chuyển động tương đối so với đĩa tạo ra dòng điện xoáy, dòng điện Foucault trong đĩa. Khi đó dòng điện này bị cản trở bởi điện trở của đĩa và sinh ra nhiệt lượng làm nóng đĩa. Theo như định luật bảo toàn năng lượng, động năng của đĩa đang quay sẽ được chuyển hóa thành nhiệt năng của nó, khi đó đĩa buộc phải quay chậm lại khi nóng lên.

Thí nghiệm dòng điện Fuco

Ta cũng có thể thực hiện một thí nghiệm khác như sau:

• Cho tấm kim loại (đồng hay nhôm) dao động trong từ trường của nam nhân.
• Ta sẽ thấy tấm kim loại chỉ dao động trong khoảng thời gian ngắn rồi dừng lại.
• Cho một tấm kim loại có rãnh xẻ dao động giữa hai cực của nam châm, khi đó nó sẽ dao động được lâu hơn.

Thí nghiệm dòng điện Fuco

#2 Định nghĩa dòng điện Fuco

Dòng điện Fuco có tên đầy đủ là dòng điện Foucault hay còn gọi là dòng điện xoáy (eddy current) là một dòng điện sinh ra khi ta đặt một vật dẫn điện vào trong một từ trường biến đổi theo thời gian hay vật dẫn chuyển động cắt ngang từ trường. Nó được phát hiện ra bởi một nhà vật lý người Pháp Léon Foucault (1819-1868) nhờ một từ trường biến thiên.

Nguyên nhân vật lý gây nên dòng điện Fuco là lực Lorentz hay lực điện tương đối tính tác động lên các hạt tích điện có thể chuyển động tự do trong vật dẫn. Nó luôn chống lại nguyên nhân gây ra nó, theo như định luật Lenz. Dòng điện sẽ tạo ra một cảm ứng từ có từ thông ngược nhằm chống lại sự biến thiên của từ thông tạo ra nó. Hoặc tương tác với từ trường tạo ra nó gây ra lực cơ học luôn chống lại chuyển động của vật dẫn.

Bên cạnh đó, dòng điện Foucault cũng là một hiệu ứng vật lý, trong nhiều hiệu ứng liên quan đến cảm ứng điện từ, có chung bản chất với hiệu ứng bề mặt trong các dây dẫn điện xoay chiều. Được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống.

Định nghĩa dòng điện Fuco

Tính chất dòng điện Fuco

Dòng điện Fuco có tính chất xoáy và lực Lorentz là nguyên nhân sinh ra nó. Khi các hạt điện tích (electron) chuyển động tự do trong vật dẫn và chuyển động cùng vật dẫn. Trong từ trường sẽ ảnh hưởng với lực Lorentz do từ trường gây ra sẽ làm lệch quỹ đạo chuyển động.

Điều này có nghĩa các hạt tích điện cũng có thể chuyển động tương đối cùng với vật dẫn tạo ra dòng điện xoáy, chính là dòng điện Fuco. Nhưng nó lại bị cản lại bởi điện trở của vật dẫn nên đã sinh ra nhiệt lượng làm nóng vật dẫn. Khi đó sẽ xảy ra định luật bảo toàn năng lượng, động năng của vật dẫn sẽ được chuyển hóa thành nhiệt năng và làm cho vật nóng lên.

Cách tính dòng điện fuco

Ta xét trường hợp: Một vòng dây dẫn điện được đặt trong từ trường. Khi đó mức hiệu điện thế được tạo ra sẽ tỷ lệ với độ biến thiên từ thông trên vòng dây  .

Theo như tích phân của định luật cảm ứng Faraday, ta có:

Dòng điện được tạo ra trong dây dẫn điện lúc này là dòng điện Fuco, theo định luật Ohm thì tỷ lệ nghịch với điện trở R của dây:

Khi có mức cường độ từ trường không biến thiên, B là bao phủ tiết diện cắt ngang của dây dẫn, S, thì có từ thông được tính bằng công thức:

Nếu như tiết diện S của dây dẫn không biến đổi, ta có công thức tính độ biến thiên của từ thông là:

Dòng điện Fuco có công thức là:

Còn nếu như từ trường biến đổi  dẫn đến . Từ đó ta sẽ được công thức tính tổng quát của dòng điện Fuco như sau:

Ứng dụng của dòng điện Fuco

Trong thực tế, dòng điện Fuco được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực của cuộc sống cụ thể như:

Đệm từ trường

Được sử dụng trong tàu cao tốc để làm giảm ma sát hay tăng tốc độ của tàu. Nó được giải thích như sau: Khi ta đặt một vật dẫn trong từ trường tăng dần từ trên cao xuống, khi vật rơi xuống sẽ có từ thông đi qua tăng lên, tạo thành một dòng điện Fuco làm kháng lại sự rơi này.

Luyện kim

Những người thợ sẽ tiến hành cho dòng điện xoay chiều ở tần số cao đi qua cuộn dây. Khi đó từ trường biến đổi mạnh sẽ được sinh ra trong lò và làm xuất hiện dòng điện Foucault. Đồng thời nó sẽ tỏa ra một nhiệt lượng có thể nấu chảy được kim loại. Đây là phương pháp có thể tránh được các phản ứng hóa học xảy ra.

Bếp từ (bếp điện cảm ứng)

Bên trong bếp sẽ tạo ra một từ trường biến đổi ở trên bề mặt với khoảng cách chỉ vài milimet. Tuy nhiên bếp phải sử dụng các loại nồi chuyên dụng có phần đáy được làm bằng kim loại để khi nằm trong từ trường nó có thể nóng lên, làm chín thức ăn.

Đồng hồ đo điện

Một ứng dụng nữa của dòng điện Foucault là có thể làm chi kim đồng hồ ở bên trong đồng hồ đo điện tắt nhanh dao động. Khi gắn vào đầu kim một chiếc đĩa kim loại nhỏ, chiếc đĩa này sẽ được đặt bên trong từ trường mà nam châm vĩnh cửu sinh ra. Khi kim chuyển động thì đĩa kim loại này cũng sẽ bị chuyển động theo và từ thông xuyên qua đĩa sẽ làm xuất hiện dòng điện Foucault.

Tại đây, dòng điện sẽ tương tác với từ trường nam châm và gây ra một lực chống lại đãi kim loại chuyển động và làm đồng hồ dừng lại.

Thiết bị giảm tốc (phanh xe)

Với đặc điểm có thể làm dừng lại các chuyển động, dòng điện Foucault còn được ứng dụng để làm phanh hãm cho các loại phương tiện như xe đạp, xe máy, xe đẩy hay thậm chí cả tàu cao tốc, cầu trục. Ưu điểm của phương pháp này là phanh nhanh, không bị hao mòn các linh kiện, giúp giảm chi phí bảo dưỡng.

Ứng dụng trong ngành y tế

Dòng điện Fuco được ứng dụng trong xe đạp để xác định bệnh thiếu máu cơ tim. Cấu tạo của chiếc xe gồm có một bánh xe bằng đồng nằm ở giữa hai cực của nam châm điện. Khi đạp sẽ tạo ra dòng điện Foucault và sinh ra lực cản, đơn vị tính bằng KGm hay Ws

Người bệnh sẽ đạp xe với các mức tăng dần, mỗi lần thử nghiệm sẽ kéo dài từ 3 đến 5 phút. Sau mỗi lượt, người bệnh sẽ được đo điện tâm đồ và hệ thống HA.

Bên cạnh đó dòng điện còn được ứng dụng trong máy phát điện, microphone hay được dùng để dò kim loại.

Tác hại của dòng điện Fuco

Tuy được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống nhưng dòng điện Fuco cũng có thể gây hại. Dưới đây là các tác hại và cách làm giảm tác hại của dòng điện:

Dòng điện Fuco gây hại do đâu

Như đã biết, dòng điện có thể làm cho vật nóng lên. Do đó các nhà máy biến thế và động cơ điện, dòng điện có thể làm cho thiết bị nóng nhanh hơn và gây hao phí một phần năng lượng. Bởi các nhà máy này có phần lõi sắt được đặt trong từ trường biến đổi. Điều này có thể khiến cho hiệu suất hoạt động của máy bị giảm đi nhiều.

Cách làm giảm tác hại của dòng điện Fuco

Dòng điện Fuco có đặc điểm là tỷ lệ thuận với diện tích của khối vật dẫn. Hay hiểu theo một cách đơn giản hơn, khối vật dẫn có điện tích càng lớn thì dòng điện Fuco sẽ càng lớn. Bên cạnh đó, dựa trên nguyên nhân làm xuất hiện dòng Fuco, ta thấy rằng khi điện trở của vật dẫn càng tăng lên thì dòng Fuco sẽ giảm đi.

Từ đó, người ta đã có những phương pháp có thể làm giảm tác hại của dòng Fuco như:

• Theo vì để nguyên khối vật dẫn, người ta sẽ chia nhỏ các tấm kim loại mỏng được sơn tĩnh điện và ghép chúng lại với nhau. Khi thực hiện phải đảm bảo các lát cắt song song với chiều của từ trường.
• Khi dòng điện Fuco chạy trong lõi sắt của máy biến thế, do diện tích tiếp xúc nhỏ và điện trở của tấm loại cao. Nên dòng điện Fuco sẽ bị giảm xuống một cách đáng kể.
• Ngoài ra người ta có thể làm tăng điện trở của vật dẫn bằng cách sử dụng tôn lõi silic hoặc gốm ferit.

Trên đây là những thông tin liên quan đến dòng điện Fuco mà chúng tôi muốn chia sẻ đến bạn. Mong rằng bài viết sẽ đem lại cho bạn nhiều thông tin bổ ích. Mọi thắc mắc hay những đóng góp ý kiến vui lòng liên hệ với AME Group để được hỗ trợ.