Dòng điện Foucault – Ứng dụng trong cuộc sống của dòng Foucault

Dòng điện Fuco được chứng minh bới nhà vật lý người Pháp Léon Foucault. Khi ông…

Mục lục nội dung

• Định nghĩa về dòng điện Fuco
  • Tính chất dòng điện Fuco
  • Cách tính dòng điện Fuco
• Những tác hại do dòng điện Fuco gây ra
  • Dòng điện Fuco gây hại do đâu
  • Cách giảm tác hại dòng điện Fuco
• Các ứng dụng dòng điện Fuco trong cuộc sống
  • Đệm từ trường
  • Luyện kim
  • Bếp từ (hay bếp điện cảm ứng)
  • Đồng hồ đo điện
  • Thiết bị giảm tốc (phanh hay thắng)
  • Trong y tế
  • Một số ứng dụng khác

Dòng điện Fuco được chứng minh bới nhà vật lý người Pháp Léon Foucault. Khi ông làm thí nghiệm bằng cách quay một đĩa kim loại rồi đưa vào một từ trường mạnh, đĩa lập tức dừng lại và nóng lên. Tại sao lại như thế, đã có hiện tượng gì xảy ra?

Định nghĩa về dòng điện Fuco

Dòng điện Foucalt (Fuco, Fu-cô) hay dòng điện xoáy là dòng điện được sinh ra khi ta đặt một vật dẫn điện chuyển động cắt ngang từ trường hay vật dẫn điện được đặt vào một từ trường biến đổi theo thời gian.

Tính chất dòng điện Fuco

Dòng điện Fuco có tính chất xoáy và nguyên nhân sinh ra dòng điện Fuco là do lực Lorentz. Các hạt tích điện (electron) chuyển động tự do trong trong vật dẫn, chuyển động cùng với vật dẫn. Khi ở trong từ trường sẽ chịu tác động của lực Lorentz do từ trường gây ra, sẽ làm lệch quỹ đạo chuyển động. Như thế có nghĩa là các hạt tích điện cũng chuyển động tương đối cùng với vật dẫn tạo ra dòng điện xoáy chính là dòng điện Fuco. Nhưng dòng điện này bị cản lại bởi điện trở của vật dẫn nên đã sinh ra nhiệt lượng làm nóng vật dẫn. Khi đó có định luật bảo toàn năng lượng, động năng của vật dẫn sẽ được chuyển hóa thành nhiệt năng và như thế vật dẫn nóng lên.

Thí nghiệm về dòng điện Fu-Cô Cách tính dòng điện Fuco

Xét trong trường hợp một vòng dây dẫn điện đặt trong từ trường. Hiệu điện thế được sinh ra tỷ lệ với biến thiên từ thông dọc theo vòng dây, , theo tích phân của định luật cảm ứng Fatimtho.vny:

Dòng điện sinh ra trong dây dẫn điện là dòng điện Fuco, nếu theo định luật Ohm thì tỷ lệ nghịch với điện trở R của dây:

Khi cường độ từ trường đồng nhất, B, bao phủ tiết diện cắt ngang của vòng dây dẫn, S, thì từ thông  là:

Nếu như tiết diện S của vòng dây không thay đổi, thì công thưc tính biến thiên từ thông.

Dòng điện Fuco có công thức là

Còn nếu như từ trường biến đổi:  dẫn đến  . Ta sẽ có công thức tính dòng điện Fuco như sau:

Những tác hại do dòng điện Fuco gây ra

Dòng điện Fuco sinh ra nhiệt, nên cùng với lợi ích sẽ có những tác hại.

Dòng điện Fuco gây hại do đâu

Với các máy biến thế và động cơ điện, lõi sắt của chúng sẽ nằm trong từ trường biến đổi. Khi đó sẽ xuất hiện dòng điện Fuco trong lõi, nhưng vì hiệu ứng Joule-Lenz. Năng lượng của dòng điện Fuco sẽ chuyển hóa thành nhiệt năng và làm máy bị nóng lên. Làm cho một phần năng lượng của máy bị hao phí và giảm hiệu suất máy.

Cách giảm tác hại dòng điện Fuco

Vì tác hại là do dòng điện Fuco nên để giảm tác hại thì phải tìm cách giảm dòng Fuco xuống. Như vậy là phải tăng điện trở cho các lõi. Để đạt được như thế, các nhà sản xuất đã không dùng cả khối sắt lớn làm lõi mà dùng cách ghép nhiều lá sắt mỏng sơn cách điện lại với nhau. Chỉ cần làm sao để các lát cắt song song với chiều của từ trường. Như thế dòng điện Fuco chỉ chạy trong từng lá mỏng và điện trở sẽ tăng lên. Cùng với đó cường độ dòng điện Foucault trong các lá đó cũng bị giảm đi nhiều so với trong cả khối sắt lớn. Nhu vậy, năng lượng điện bị thất thoát cũng sẽ giảm đi.

Máy biến thế sinh ra dòng điện Foucault

Chính vì thế trong các máy biến thế truyền thống được dùng các lõi tôn silic, đã được cán mỏng. Bởi chúng sẽ có điện trở lớn làm giảm thiểu hao phí do dòng Foucault gây ra. Ngày nay các lõi biến thể thường được dùng các vật liệu mềm như từ hợp kim tinh thể nano có điện trở suất rất cao.

Ngày nay, trong kỹ thuật cao tần và siêu cao tần, bắt buộc phải sử dụng lõi dẫn từ là các vật liệu từ gốm ferit có điện trở suất rất cao làm giảm thiểu tối đa hao phí do dòng điện Fuco sinh ra.

Các ứng dụng dòng điện Fuco trong cuộc sống

Dòng điện Fuco là một hiệu ứng vật lý, nên trong các lĩnh vực liên quan đến cảm ứng điện từ, có thể áp dụng được nhiều ứng dụng hay trong cuộc sống.

Đệm từ trường

Đây là ứng dụng trong chạy tàu cao tốc, nó làm giảm ma sát và tăng tốc độ của tàu. Điều này được giải thích do, khi ta dặt một vật dẫn trên từ trường tăng dần từ cao xuống thấp. Khi vật rơi xuống thì sẽ có từ thông qua nó tăng lên và sẽ tạo dòng điện Fuco để kháng lại sự rơi này. Và khi vật được làm bằng chất siêu dẫn, có điện trở gần như bằng không, thì sẽ tạo ra một dòng điện Foucault hoàn hảo. Qua đó tạo ra lực điện đủ lớn để triệt tiêu hoàn toàn trọng lực đối kháng. Như thế là đã tạo ra đệm từ trường, nâng vật nằm cân bằng trên không trung.

Luyện kim

Do kim loại rất dễ phản ứng với các chất trong không khí nên nấu chảy kim loại trong môi trường chân không sẽ tránh được các phản ứng hóa học với kim loại. Xung quanh lò luyện kim sẽ được cuốn dây điện, kim loại được đặt vào trong lò và hút hết không khí ra. Dòng điện xoay chiều có tần số cao chạy qua cuộn dây. Từ trường biến đổi mạnh được sinh ra trong lò và làm xuất hiện dòng điện Fuco. Nhiệt lượng tỏa ra lớn đến mức có thể nấu chảy kim loại. Cuộn dây cuốn quanh lò là cuộn dây rỗng có nước làm mát ở bên trong, như vậy dòng điện cao tần sẽ chỉ dẫn trên lớp vỏ ngoài.

Bếp từ (hay bếp điện cảm ứng)

Ngày nay bếp từ là vật dụng rất phổ biến trong phòng bếp, nhất là ở các chung cư. Bếp từ tạo ra, trên bề mặt bếp chỉ khoảng cách vài milimét một từ trường biến đổi. Nồi nấu phải là hàng chuyên dụng có đáy nồi được làm bằng kim loại khi nằm trong từ trường này sẽ nóng lên, giúp nấu chín thức ăn. Bếp từ có ưu điểm là tốc độ đun nấu nhanh, bếp không nóng chỉ có nồi nóng. Điều chỉnh nhiệt độ và các chế độ nấu nướng cũng rất dễ thực hiện và chính xác.

Bếp từ một trong các ứng dụng phổ biển của dòng Fu-Cô Đồng hồ đo điện

Dòng điện Fu-cô được ứng dụng để làm tắt nhanh dao động của kim đồng hộ trong đồng hồ đo điện. Bằng cách gắn vào đầu của kim một đĩa kim loại nhỏ, đĩa này đặt trong từ trường của nam châm vĩnh cửu. Khi kim chuyển động đĩa kim loại bị chuyển động theo, từ thông xuyên qua đĩa làm xuất hiện dòng điện Fu-cô. Theo định luật Lenz, dòng điện tương tác với từ trường nam châm gây ra lực chống lại sự chuyển động của đĩa làm kim dừng lại.

Thiết bị giảm tốc (phanh hay thắng)

Việc có thể dừng lại những chuyển động nên dòng điện Fu-cô được áp dụng dùng làm phanh hãm cho xe tải, cần trục, tàu hỏa cao tốc, hay thậm chí xe đẩy, xe đạp,… Các bánh xe sẽ lắp thêm đĩa kim loại. Khi giảm tốc độ, từ trường mạnh được đưa vào các đĩa này bằng một nam châm vĩnh cửu ôm qua đĩa. Ưu điểm của phương pháp này là rất phanh. Phanh không bị hao mòn, qua đó giảm chi phí bảo dưỡng. Và việc điều chỉnh giảm tốc cũng được thực hiện chính xác hơn phanh ma sát thông thường.

Trong y tế

Trong y tế, ứng dụng dòng điện Foucault để xác định bệnh thiếu máu cơ tim. Người bệnh sẽ ngồi trên xe đạp và đạp xe các mức tăng dần, mỗi lần thử nghiệm khoảng 3 đến 5 phút. Người bệnh được đo điện tâm đồ và đo hệ số HA sau mỗi lượt thử. Xe đạp có một bánh bằng đồng nằm giữa hai cực của một nam châm điện, khi bệnh nhân đạp xe sẽ tạo ra dòng điện Fuco, và sinh ra lực cản được tính bằng Ws hay KGm.

Một số ứng dụng khác

Máy phát điện: Dòng điện Foucault chạy sẽ chuyển động năng vật dẫn thành năng lượng của dòng điện, nên được ứng dụng làm máy phát điện.

Microphone: Náng lượng rung động của âm thanh được chuyển thành dòng điện mang theo thông tin của âm thanh được ứng dụng trong một số microphone.

Dò kim loại: Dòng điện Foucault còn được dùng để thăm dò chất lượng các thiết bị kim loại.