Dòng điện Fuco: Khám phá Tác hại và Ứng dụng thực tế

Estimated read time 13 min read
Spread the love

Dòng điện Fuco

Có thể bạn quan tâm

    Dòng điện Fuco là gì?

    Thí nghiệm

    Foucault là người đã phát minh ra dòng điện Fuco, ông đã thực hiện thí nghiệm độc đáo. Đầu tiên, ông quay một đĩa kim loại quanh một trục không ma sát, đĩa quay lâu. Sau đó, ông lặp lại thí nghiệm, nhưng đặt đĩa kim loại trong một từ trường mạnh. Khi đó, đĩa quay nhanh chóng dừng lại và đồng thời nóng lên. Thí nghiệm này có thể giải thích như sau: Khi các hạt tích điện chuyển động tự do trong kim loại, chuyển động cùng với đĩa trong từ trường, chúng sẽ chịu lực Lorentz do từ trường gây ra, làm lệch quỹ đạo chuyển động. Điều này dẫn đến việc 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 sẽ chuyển hóa thành nhiệt năng, khiến đĩa quay chậm lại khi nóng lên.

    Thí nghiệm Dòng điện Fuco

    Thí nghiệm dòng điện Fuco

    Ta cũng có thể thực hiện một thí nghiệm khác như sau: Cho tấm kim loại dao động trong từ trường của nam châm. Ta sẽ thấy tấm kim loại chỉ dao động trong khoảng thời gian ngắn rồi dừng lại. Tuy nhiên, khi đặt một tấm kim loại có rãnh xẻ dao động giữa hai cực của nam châm, ta sẽ thấy nó có thể dao động được lâu hơn.

    Định nghĩa dòng điện Fuco

    Dòng điện Fuco, còn được gọi là dòng điện Foucault hay dòng điện xoáy (eddy current), là một dòng điện sinh ra khi ta đặt một vật dẫn điện trong một từ trường biến đổi theo thời gian hoặc khi vật dẫn chuyển động cắt ngang từ trường. Được phát hiện bởi nhà vật lý người Pháp Léon Foucault nhờ một từ trường biến thiên.

    Nguyên nhân vật lý gây ra 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. Dòng điện Fuco luôn chống lại nguyên nhân gây ra nó, theo định luật Lenz. Nó 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. Nó được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống.

    Định nghĩa dòng điện Fuco

    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 chuyển động tự do trong vật dẫn và chuyển động cùng với vật dẫn, trong từ trường sẽ ảnh hưởng với lực Lorentz do từ trường gây ra, làm lệch quỹ đạo chuyển động.

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

    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 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 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 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 rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống, bao gồm:

    Đệm từ trường

    Được sử dụng trong tàu cao tốc để làm giảm ma sát hoặc tăng tốc độ của tàu. 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

    Người thợ sẽ tiến hành cho dòng điện xoáy 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 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 và làm chín thức ăn.

    Đồng hồ đo điện

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

    Tại đây, dòng điện sẽ tương tác với từ trường nam châm và gây ra một lực chống lại động cơ 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 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 linh kiện và 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. Chiếc xe 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 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 và dùng để dò kim loại.

    Tác hại của dòng điện Fuco

    Dòng điện Fuco, mặc dù có nhiều ứng dụng hữu ích, cũng có thể gây hại. Dưới đây là các tác hại và cách làm giảm tác hại của dòng điện:

    Tác hại do dòng điện Fuco gây ra

    Như đã biết, dòng điện có thể làm cho vật nóng lên. Do đó, các nhà máy biến thế và động cơ điện có thể trở nên nóng hơn nhanh chóng 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 làm giảm hiệu suất hoạt động của máy.

    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. Nghĩa là khối vật dẫn có điện tích càng lớn, dòng điện Fuco càng lớn. Bên cạnh đó, điện trở của vật dẫn càng tăng, dòng điện Fuco sẽ giảm.

    Từ đó, ta có những phương pháp để giảm tác hại của dòng điện Fuco như sau:

    • Chia nhỏ các tấm kim loại mỏng và ghép chúng lại với nhau để tăng diện tích tiếp xúc với từ trường.
    • Sử dụng lõi sắt có diện tích tiếp xúc nhỏ và điện trở cao trong máy biến thế để làm giảm dòng điện Fuco.
    • Sử dụng tôn lõi silic hoặc gốm ferit để làm tăng điện trở của vật dẫn.

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

    More From Author