Dòng điện Foucault

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 lên các hạt tích điện có thể chuyển động tự do trong vật dẫn.
Dòng điện Foucault 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 đã 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.
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.
Foucault đã làm thí nghiệm sau để khám phá ra dòng điện mang tên ông.
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.
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, formula_1, qua vòng dây đó, theo dạng tích phân của định luật cảm ứng Faraday:
Dòng điện chạy trong dây, dòng điện Foucault, theo định luật Ohm, tỷ lệ nghịch với điện trở, formula_3, của dây:
Nếu cường độ từ trường đồng nhất, formula_5, trên toàn tiết diện cắt ngang của vòng dây dẫn (tiết diện vuông góc với từ trường), formula_6, thì từ thông formula_7 là:
Trong trường hợp tiết diện vòng dây, formula_6 không thay đổi, biến thiên từ thông, formula_1, là:
Nên dòng Foucault là:
Trong trường hợp từ trường biến đổi điều hòa (formula_13, do đó formula_14), ta có:
Tác hại.
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 tác hại này, người ta phải giảm dòng Foucault xuống. Muốn vậy, người ta tăng điện trở của các lõi. Người ta không dùng cả khối sắt lớn làm lõi mà dùng nhiều lá sắt mỏng được sơn cách điện và ghép lại với nhau sao cho các lát cắt song song với chiều của từ trường. Dòng điện Foucault do đó chỉ chạy trong từng lá mỏng. Vì từng lá đơn lẻ có kích thước nhỏ, do đó có điện trở lớn, nên cường độ dòng điện Foucault trong các lá đó bị giảm đi nhiều so với cường độ dòng Foucault trong cả khối sắt lớn. Vì vậy, năng lượng điện bị hao phí cũng giảm đi. Đó là lý do tại sao các máy biến thế truyền thống thường dùng các lõi tôn silic (sắt silic) được cán mỏng bởi chúng có điện trở suất sẽ làm giảm thiểu tổn hao do dòng Foucault; hoặc các lõi biến thế hiện nay 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, người ta bắt buộc phải sử dụng lõi dẫn từ là các vật liệu gốm ferit có điện trở suất cao làm tổn hao Foucault được giảm thiểu.
Lợi ích.
Dòng Foucault không phải là chỉ có hại. Nó cũng được sử dụng trong nhiều lĩnh vực, chẳng hạn như luyện kim, đệm từ trường, phanh từ trường... Dưới đây liệt kê một số ứng dụng: