Dòng điện Foucault

Dòng điện Foucalt hay còn được gọi là dòng điện xoáy (tiếng Anh: eddy current) là hiện tượng dòng điện phát sinh khi một vật dẫn điện được đặt vào một từ trường biến thiên theo thời gian hoặc khi vật dẫn di chuyển qua một từ trường biến đổi.

Nguyên nhân vật lý gây ra dòng điện Foucault là lực Lorentz hay lực điện từ tương đối tác động lên các hạt mang điện tự do trong vật dẫn.

Dòng điện Foucault luôn luôn chống lại nguyên nhân tạo ra nó, theo định luật Lenz. Nó tạo ra một cảm ứng từ với từ trường ngược nhằm phản đối sự biến thiên của từ trường đã tạo ra nó; hoặc tương tác với từ trường tạo ra nó gây ra lực cơ học ngược lại với chuyển động của vật dẫn.

Dòng điện Foucault cũng là một hiệu ứng vật lý, có nhiều ứng dụng thực tế và ý nghĩa trong các hiệu ứng liên quan đến cảm ứng điện từ. Nó cũng có tính chất tương tự với hiệu ứng bề mặt trong các dây dẫn điện xoay chiều.

Thí nghiệm của Foucault

Foucault đã thực hiện các thí nghiệm sau để khám phá dòng điện mang tên ông.

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

Thí nghiệm này có thể giải thích như sau: Các hạt mang điện tự do trong đĩa kim loại (chủ yếu là electron) khi di chuyển cùng với đĩa trong từ trường sẽ chịu tác động của lực Lorentz từ từ trường, làm chúng di chuyển theo quỹ đạo lệch. Điều này cũng dẫn đến việc các hạt mang điện này tạo ra dòng điện xoáy, dòng điện Foucault, trong đĩa kim loại. Dòng điện này bị hạn chế bởi điện trở của đĩa và sinh ra nhiệt làm nóng đĩa. Theo định luật bảo toàn năng lượng, năng lượng động của đĩa đang quay được chuyển đổi thành nhiệt năng, làm cho đĩa quay chậm lại khi nóng lên.

Công thức tính

Xem xét một vòng dây dẫn điện đặt trong một từ trường. Hiệu điện thế phát sinh dọc theo vòng dây tỷ lệ với sự biến thiên của từ thông, $\frac{d\mathrm{\varphi <!--\; \varphi \; -->}}{dt}$, đi qua vòng dây đó, theo định luật cảm ứng Faraday:

$U=\frac{d\mathrm{\varphi <!--\; \varphi \; -->}}{dt}$

Dòng điện chảy trong dây, dòng điện Foucault, theo định luật Ohm, tỷ lệ nghịch với điện trở, $R$, của dây:

$I=\frac{U}{R}=\frac{d\mathrm{\varphi <!--\; \varphi \; -->}}{dt\times <!--\; \times \; -->R}$

Nếu cường độ từ trường đồng nhất, $B$, trên toàn diện tích cắt ngang của vòng dây dẫn (diện tích vuông góc với từ trường), $S$, thì từ thông $\mathrm{\varphi <!--\; \varphi \; -->}$ là:

$\mathrm{\varphi <!--\; \varphi \; -->}=S\times <!--\; \times \; -->B$

Trong trường hợp diện tích tiết diện của vòng dây không thay đổi, biến thiên từ thông, $S$, là:

$\frac{d\mathrm{\varphi <!--\; \varphi \; -->}}{dt}=S\times <!--\; \times \; -->\frac{dB}{dt}$

Nên dòng điện Foucault là:

$I=S\times <!--\; \times \; -->\frac{dB}{dt\times <!--\; \times \; -->R}$

Trong trường hợp từ trường biến đổi điều hòa ($B=B_0\times <!--\; \times \; -->\sin <!--\; \; -->\left(\mathrm{\omega <!--\; \omega \; -->}t\right)$, vì vậy $\frac{dB}{dt}=B_0\times <!--\; \times \; -->\mathrm{\omega <!--\; \omega \; -->}\times <!--\; \times \; -->\cos <!--\; \; -->\left(\mathrm{\omega <!--\; \omega \; -->}t\right)$), chúng ta có:

$I=\frac{S\times <!--\; \times \; -->B_0\times <!--\; \times \; -->\mathrm{\omega <!--\; \omega \; -->}\times <!--\; \times \; -->\cos <!--\; \; -->\left(\mathrm{\omega <!--\; \omega \; -->}t\right)}{R}$

Hậu quả

Trong các máy biến thế và động cơ điện, lõi sắt của chúng nằm trong từ trường biến đổi. Trong lõi, dòng điện Foucault xuất hiện do hiệu ứng Joule-Lenz, dẫn đến nhiệt làm nóng máy nhanh và hao hụt năng lượng. Để giảm tác hại này, người ta tăng điện trở của lõi bằng cách sử dụng nhiều lá sắt mỏng được cách điện và ghép lại sao cho các lát cắt song song với chiều từ trường, giảm dòng Foucault. Với điều này, năng lượng hao phí cũng giảm đi. Điều này giải thích tại sao các máy biến thế thường sử dụng lõi tôn silic mỏng hoặc hợp kim tinh thể nano có điện trở suất cao, nhằm giảm thiểu tổn hao do dòng Foucault; và trong kỹ thuật cao tần và siêu cao tần, cần phải sử dụng lõi dẫn từ từ gốm ferit có điện trở suất cao để giảm thiểu hao hụt Foucault.

Để giảm tác hại này, cần giảm dòng điện Foucault. Điều này đạt được bằng cách tăng điện trở của lõi sắt, không sử dụng khối sắt lớn mà sử dụng nhiều lá sắt mỏng được sơn cách điện và ghép lại với nhau sao cho các lát cắt song song với chiều từ trường. Dòng điện Foucault chỉ chạy trong từng lá mỏng này, với điện trở lớn nên cường độ dòng Foucault giảm nhiều so với dòng trong khối sắt lớn. Điều này giảm năng lượng điện bị hao phí. Đây là lý do tại sao các máy biến thế truyền thống thường dùng lõi tôn silic mỏng để giảm tổn hao do dòng Foucault; hoặc các lõi biến thế sử dụng các vật liệu từ mềm, đặc biệt là hợp kim tinh thể nano có điện trở suất cao. Trong kỹ thuật cao tần và siêu cao tần, yêu cầu sử dụng lõi dẫn từ từ vật liệu gốm ferit có điện trở suất cao để giảm thiểu hao Foucault.

Ưu điểm

Dòng điện Foucault không chỉ có tác dụng tiêu cực mà còn được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như luyện kim, đệm từ trường, phanh từ trường... Dưới đây là một số ứng dụng của nó:

• Đệm từ trường: Bằng cách đặt một vật dẫn trên một từ trường từ yếu đến mạnh, khi vật rơi vì tác động của trọng lực, sẽ tạo ra dòng điện Foucault phản kháng tác động này. Với các vật dẫn siêu dẫn có điện trở bằng không, hiệu ứng Meissner sẽ tạo ra dòng điện Foucault hoàn hảo, tạo lực điện phản kháng đủ lớn để triệt tiêu hoàn toàn tác động của trọng lực, cho phép tạo ra đệm từ trường để nâng vật nặng ở không trung. Ứng dụng của đệm từ trường có thể giúp tàu cao tốc lướt nhanh hơn, giảm ma sát (do chỉ có ma sát giữa thân tàu và không khí), tăng tốc độ di chuyển của tàu.
• Luyện kim: Hiệu ứng được áp dụng trong lò điện từ để nấu chảy kim loại trong không khí, ngăn chặn tác dụng hóa học của không khí xung quanh. Kim loại được đặt trong lò và không khí bên trong bị rút ra. Cuộn dây điện có dòng điện xoay chiều có tần số cao chạy qua. Dòng điện này sẽ tạo ra một từ trường biến đổi nhanh trong lò, gây ra dòng điện Foucault mạnh và phát ra nhiệt lượng lớn đủ để nấu chảy kim loại. Cuộn dây điện có dạng ống rỗng với nước làm mát bên trong, dòng điện cao tần chỉ dẫn trên lớp vỏ bên ngoài do hiệu ứng bề mặt da.
• Bếp từ (hay bếp từ cảm ứng): Bếp từ trong gia đình cũng hoạt động theo nguyên lý tương tự. Bếp tạo ra một từ trường biến đổi trên bề mặt bếp trong khoảng vài milimét. Đáy nồi bằng kim loại nằm trong từ trường này sẽ nóng lên, nấu chín thức ăn. Lợi ích của bếp là tốc độ nấu nhanh, giảm nhiệt dung (chỉ còn nhiệt dung của nồi chứ không còn của bếp). Điều chỉnh nhiệt độ và chế độ nấu nướng cũng được thực hiện chính xác và dễ dàng hơn. Tuy nhiên, hiệu ứng cảm ứng điện từ có thể ảnh hưởng đến sức khỏe con người mà chưa có nghiên cứu đầy đủ.
• Đồng hồ đo điện: Trong một số loại đồng hồ đo điện, người ta sử dụng dòng điện Foucault để giảm dao động của kim đồng hồ. Một đĩa kim loại nhỏ được gắn vào kim và đặt trong từ trường của một nam châm vĩnh cửu. Khi kim di chuyển, đĩa kim loại cũng di chuyển theo. Từ thông qua đĩa thay đổi làm xuất hiện dòng điện Foucault. Theo định luật Lenz, dòng điện Foucault tương tác với từ trường của nam châm tạo ra lực kháng lại chuyển động của đĩa. Kết quả là dao động của kim bị dập tắt nhanh chóng.