Dòng điện Foucault – Wikipedia tiếng Việt

Dòng điện Foucalt hay còn gọi là dòng điện xoáy (tiếng Anh: eddy current) là hiện tượng 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. Nhà vật lý người Pháp Léon Foucault (1819-1868) là người đầu tiên đã chứng minh sự tồn tại của các dòng điện cảm ứng trong vật dẫn nhờ tác dụng của một từ thông biến thiên.

Nguyên nhân vật lý gây nên dòng điện Foucault chính là lực Lorentz hay lực điện tương đối tính tác động ảnh hưởng lên những hạt tích điện hoàn toàn có thể hoạt động tự do trong vật dẫn .Dòng điện Foucault luôn chống lại nguyên do gây ra nó, theo định luật Lenz. Nó tạo ra một cảm ứng từ có từ thông ngược nhằm mục đích chống lại sự biến thiên của từ thông đã tạo ra nó ; hoặc tương tác với từ trường tạo ra nó gây ra lực cơ học luôn chống lại hoạt động của vật dẫn .

Dòng điện Foucault cũng là một hiệu ứng vật lý, trong nhiều hiệu ứng liên quan đến cảm ứng điện từ, có nhiều ứng dụng hay ý nghĩa thực tiễn. Nó cũng có chung bản chất với hiệu ứng bề mặt trong các dây dẫn điện xoay chiều.

Thí nghiệm của Foucault[sửa|sửa mã nguồn]

Foucault đã làm thí nghiệm sau để tò mò ra dòng điện mang tên ông .

1. Ông quay một đĩa kim loại quanh một trục không ma sát. Đĩa quay một lúc lâu.
2. Ông lặp lại thí nghiệm trên, nhưng đặt đĩa kim loại trong một từ trường mạnh. Đĩa nhanh chóng dừng lại khi được đưa vào từ trường, và đồng thời bị nóng lên.

Thí nghiệm trên có thể giải thích như sau: Các hạt tích điện có thể chuyển động tự do trong đĩa 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 là các hạt tích điện này sẽ chuyển động tương đối so với đĩa tạo ra dòng điện xoáy, dòng điện Foucault, trong đĩa. Dòng điện này bị cản trở bởi điện trở của đĩa và sinh ra nhiệt lượng làm nóng đĩa. Theo định luật bảo toàn năng lượng, động năng của đĩa đang quay được chuyển hóa thành nhiệt năng của nó, và đĩa buộc phải quay chậm lại khi nóng lên.

Công thức tính[sửa|sửa mã nguồn]

Xem xét một vòng dây dẫn điện nằm trong từ trường. Hiệu điện thế sinh ra dọc theo vòng dây tỷ lệ với biến thiên từ thông,

, qua vòng dây đó, theo dạng tích phân của định luật cảm ứng Faraday:

U = d ϕ d t { \ displaystyle U = { \ frac { d \ phi } { dt } } }

Dòng điện chạy trong dây, dòng điện Foucault, theo định luật Ohm, tỷ lệ nghịch với điện trở,

, của dây:

I = U R = d ϕ d t × R { \ displaystyle I = { \ frac { U } { R } } = { \ frac { d \ phi } { dt \ times R } } }

Nếu cường độ từ trường đồng nhất,

, trên toàn tiết diện cắt ngang của vòng dây dẫn (tiết diện vuông góc với từ trường),

, thì từ thông

là:

ϕ
=
S
×
B

{\displaystyle \phi =S\times B\,}

Xem thêm: Dịch vụ chống thấm giá rẻ – Nhận chống thấm nhà ở triệt để 100%

Trong trường hợp tiết diện vòng dây,

không thay đổi, biến thiên từ thông,

, là:

d ϕ d t = S × d B d t { \ displaystyle { \ frac { d \ phi } { dt } } = S \ times { \ frac { dB } { dt } } }

Nên dòng Foucault là :

I = S × d B d t × R { \ displaystyle I = S \ times { \ frac { dB } { dt \ times R } } }

Trong trường hợp từ trường biến đổi điều hòa (

B
=

B

0

×
sin
⁡
(
ω
t
)

{\displaystyle B=B_{0}\times \sin(\omega t)\,}

, do đó

d
B

d
t

=

B

0

×
ω
×
cos
⁡
(
ω
t
)

{\displaystyle {\frac {dB}{dt}}=B_{0}\times \omega \times \cos(\omega t)}

), ta có:

I = S × B 0 × ω × cos ⁡ ( ω t ) R { \ displaystyle I = { \ frac { S \ times B_ { 0 } \ times \ omega \ times \ cos ( \ omega t ) } { R } } }

Trong các máy biến thế và động cơ điện, lõi sắt của chúng nằm trong từ trường biến đổi. Trong lõi có các dòng điện Foucault xuất hiện. Do hiệu ứng Joule-Lenz, năng lượng của các dòng Foucault bị chuyển hóa thành nhiệt làm máy nhanh bị nóng, một phần năng lượng bị hao phí và làm giảm hiệu suất máy.

Để giảm mối đe dọa này, người ta phải giảm dòng Foucault xuống. Muốn vậy, người ta tăng điện trở của những lõi. Người ta không dùng cả khối sắt lớn làm lõi mà dùng nhiều lá sắt mỏng dính được sơn cách điện và ghép lại với nhau sao cho những lát cắt song song với chiều của từ trường. Dòng điện Foucault do đó chỉ chạy trong từng lá mỏng mảnh. Vì từng lá đơn lẻ có kích cỡ nhỏ, do đó có điện trở lớn, nên cường độ dòng điện Foucault trong những lá đó bị giảm đi nhiều so với cường độ dòng Foucault trong cả khối sắt lớn. Vì vậy, nguồn năng lượng điện bị hao phí cũng giảm đi. Đó là nguyên do tại sao những máy biến thế truyền thống cuội nguồn thường dùng những lõi tôn silic ( sắt silic ) được cán mỏng mảnh bởi chúng có điện trở suất sẽ làm giảm thiểu tổn hao do dòng Foucault ; hoặc những lõi biến thế lúc bấy giờ sử dụng những vật tư từ mềm đặc biệt quan trọng là kim loại tổng hợp tinh thể nano có điện trở suất cao. Trong kỹ thuật cao tần và siêu cao tần, người ta bắt buộc phải sử dụng lõi dẫn từ là những vật tư gốm ferit có điện trở suất cao làm tổn hao Foucault được giảm thiểu .
Dòng Foucault không phải là chỉ có hại. Nó cũng được sử dụng trong nhiều nghành nghề dịch vụ, ví dụ điển hình như luyện kim, đệm từ trường, phanh từ trường … Dưới đây liệt kê 1 số ít ứng dụng :

Source: https://thomaygiat.com
Category : Điện Nước