Dòng điện Fuco là gì? Tác hại và biện pháp khắc phục

Fuco là hiện tượng vật lý thú vị khi không chỉ ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất thiết bị mà còn được các nhà khoa học ứng dụng trong nhiều lĩnh vực điện từ. Vậy dòng điện Fuco là gì? Tác hại của dòng điện này ra sao? Hãy cùng chúng tôi tìm hiểu qua bài viết. 

Khái niệm dòng điện Fuco

Dòng điện Fuco có tên đầy đủ là dòng điện Foucault, là một hiện tượng vật lý được đặt tên theo nhà vật lý người Pháp Jean-Bernard-Léon Foucault – người đã nghiên cứu và mô tả thuật ngữ này dựa trên một từ thông biến thiên.

Fuco (hay còn được gọi là dòng điện xoáy) được định nghĩa là hiện tượng dòng điện sinh ra khi một vật dẫn điện được đặt vào trong một từ trường biến đổi theo thời gian hoặc di chuyển qua một từ trường cố định – theo định luật cảm ứng điện từ của Faraday. Khi từ trường thay đổi, một suất điện động được sinh ra trong vật dẫn, từ đó làm xuất hiện các dòng điện cảm ứng có dạng vòng tròn khép kín. Đây chính là dòng điện xoáy, hay còn gọi là dòng điện Fuco. 

Thực chất, dòng điện Fuco được quan sát lần đầu tiên vào năm 1824 bởi nhà khoa học người Pháp François Arago nhưng phải đến năm 1855, Léon Foucault mới chính thức chứng minh sự tồn tại của Eddy Current khi thí nghiệm quay một đĩa kim loại quanh 1 trục không ma sát. Khi lặp lại thí nghiệm trên nhưng đặt đĩa kim loại trong một từ trường mạnh, đĩa nhanh chóng dừng quay, đồng thời bị nóng lên.

Nguyên lý hình thành và đặc tính của dòng điện xoáy

Nguyên lý hình thành

Nguyên lý hình thành dòng điện xoáy dựa trên định luật Faraday về cảm ứng điện tử. Theo đó, dòng điện xoáy chỉ hình thành trong các vật liệu có khả năng dẫn điện. Khi một vật dẫn điện xuất hiện trong từ trường biến thiên hoặc di chuyển qua một từ trường cố định, trong lòng vật dẫn sẽ xuất hiện một suất điện động cảm ứng. Bởi vật dẫn có cấu trúc liền khối, không có mạch điện cố định để dòng điện chạy theo đường thẳng nên các dòng điện cảm ứng sẽ tự tạo thành các vòng khép kín, còn gọi là dòng điện xoáy.

Công thức thể hiện định luật Faraday:

Trong đó:

• E: Suất điện động cảm ứng (V)
• Φ: Từ thông đi qua bề mặt vật dẫn (Wb)

Tính chất của dòng điện Fuco

Theo định luật Lenz, dòng điện Foucault luôn chống lại nguyên nhân gây ra dòng điện này, bằng cách tạo ra một cảm ứng từ có từ thông ngược có khả năng chống lại sự biến thiên của từ thông đã tạo ra dòng điện xoáy; hoặc tương tác với từ trường gây ra lực cản chống lại sự di chuyển của vật dẫn. 

Dòng điện xoáy giống như dòng xoáy trong một dòng suối, chảy theo các vòng kín, vuông góc với mặt phẳng của từ trường. Kích thước của dòng Fuco tỷ lệ thuận với kích thước của từ trường, diện tích của vòng lặp hay tốc độ thay đổi của từ thông và tỉ lệ nghịch với điện trở suất của vật dẫn điện.

Ngoài ra, khi có suất điện động, các điện tử tự do trong vật dẫn bị lực Lorentz tác động sẽ bắt đầu di chuyển tạo thành các vòng điện kín trong lòng vật liệu. Các dòng điện này gây ra hiệu ứng Joule – sinh nhiệt trong vật liệu, có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực thực tiễn nhưng cũng đồng thời gây ra tổn thất năng lượng nếu không được kiểm soát hợp lý.

Công thức tính dòng điện xoáy

 Có một vòng dây dẫn được đặt trong từ trường. Khi đó, hiệu điện thế được tạo ra sẽ tỷ lệ với độ biến thiên từ thông của vòng dây. Theo định luật cảm ứng Faraday, ta có:

Dòng điện được tạo ra trong dây dẫn lúc này là dòng Fuco, theo định luật Ohm thì tỷ lệ nghịch với điện trở R của dây:

Nếu cường độ từ trường (B) là đồng nhất, bao phủ tiết diện cắt ngang của dây dẫn (S), từ thông ф được tính bằng công thức:

Nếu tiết diện S của dây dẫn không đổi, công thức tính độ biến thiên của từ thông như sau:

Từ đó, dòng điện Fuco được tính:

Trong trường hợp từ trường biến đổi dạng:

dẫn đến độ biến thiên của từ thông cũng thay đổi:

Ta có công thức tính tổng quát của dòng điện Fuco như sau:

Tác hại của dòng điện Fuco

Hao tổn năng lượng

Máy biến áp, động cơ điện hoặc các thiết bị điện từ khác khi xuất hiện dòng điện Fuco trong lõi sẽ gây ra tổn hao năng lượng dưới dạng nhiệt. Hiện tượng này làm giảm hiệu suất của thiết bị và có thể dẫn đến tình trạng quá nhiệt làm hư hỏng linh kiện nếu không được kiểm soát đúng cách.

Gây mài mòn

Dòng điện xoáy có thể gây ra lực cản điện từ không mong muốn, gây mài mòn trong vật liệu và các bộ phận xung quanh.

Gây nhiễu từ

Một số trường hợp, dòng điện Fuco có thể tạo ra nhiễu điện từ (EMI). Nhiễu điện gây ra hiện tượng chéo, mất sóng và ảnh hưởng đến hiệu suất, chất lượng của thiết bị điện tử xung quanh, đặc biệt là trong hệ thống cảm biến và mạch điện tử có độ chính xác cao.

Ứng dụng của dòng điện xoáy

Dòng điện Fuco là “con dao hai lưỡi” trong kỹ thuật điện từ. Tùy vào từng trường hợp, hiện tượng này có thể gây tổn thất năng lượng nhưng cũng được các nhà khoa học ứng dụng nguyên lý hoạt động trong nhiều lĩnh vực công nghệ. 

• Hệ thống phanh điện từ: Dòng điện xoáy tạo ra lực hãm làm chậm hoặc dừng chuyển động mà không cần ma sát, giảm mài mòn và tăng độ bền của hệ thống phanh trong các phương tiện như tàu hỏa, thang máy, xe tải hạng nặng, tàu lượn siêu tốc,…

• Gia nhiệt cảm ứng: Trong các lò cảm ứng, lò luyện kim, hiện tượng sinh nhiệt của dòng Fuco được khai thác để làm nóng chảy kim loại, phục vụ cho quá trình luyện kim, rèn hoặc hàn. 
• Kiểm tra không phá hủy vật liệu: Dòng điện Fuco được ứng dụng để kiểm tra khuyết tật kim loại mà không cần phá hủy mẫu vật. Phương pháp này có khả năng phát hiện vết nứt, lỗ rỗng hoặc lỗi bên trong vật liệu mà mắt thường không thể quan sát.

• Điện kế và đồng hồ đo điện: Dòng điện xoáy được dùng để tạo lực cản, giúp kim chỉ thị dừng ở vị trí ổn định và không bị dao động quá mức.
• Lĩnh vực y tế: Dòng điện xoáy được sử dụng trong liệu pháp Gắng sức trên xe đạp để hỗ trợ y bác sĩ trong việc xác định bệnh thiếu máu cơ tim.

Biện pháp khắc phục ảnh hưởng tiêu cực của dòng Fuco

Dựa trên nguyên nhân tạo ra dòng Fuco, có thể thấy khi điện trở của vật dẫn tăng lên, dòng điện Fuco sẽ giảm đi. Ngoài ra, dòng điện xoáy cũng có đặc điểm tỷ lệ thuận với diện tích của khối vật dẫn. Tức là vật dẫn càng lớn, dòng điện xoáy cũng lớn theo.  

Từ đây, có những phương pháp được áp dụng để giảm tác hại của dòng điện Fuco như sau:

Chia nhỏ khối vật dẫn

Thay vì sử dụng khối vật liệu liền mạch, có thể chia nhỏ các tấm kim loại mỏng được sơn tĩnh điện và ghép chúng lại với nhau. Điều này đảm bảo các tấm cắt song song với chiều của từ trường, giảm hiện tượng dòng điện Fuco.

Tăng điện trở của vật dẫn

Bằng cách sử dụng tôn lõi silic hoặc gốm ferit, có thể tăng điện trở của vật dẫn, giảm tác động của dòng Fuco.

Tối ưu hóa thiết kế hình học và đường dẫn từ

Hình dạng của lõi từ và cách bố trí cuộn dây ảnh hưởng đến đường đi của từ trường và sự hình thành của dòng Foucault. Các hình dạng lõi phức tạp hơn (như lõi hình xuyến, lõi E-I) có thể được thiết kế để tối ưu hóa đường dẫn từ thông và hạn chế các vùng dễ phát sinh dòng Foucault mạnh.

Trong động cơ, việc tối ưu hóa khe hở không khí giữa stato và roto cũng giúp kiểm soát sự biến thiên của từ trường và giảm dòng Foucault.

Một số câu hỏi thường gặp về dòng điện Fuco

Câu hỏi 1: Ai là người phát minh ra dòng điện Fuco?

Trả lời: Dòng điện Fuco được phát hiện vào năm 1855 bởi nhà vật lý người Pháp Léon Foucault. Ông cũng là người phát minh ra con lắc Foucault.

Câu hỏi 2: Đặc tính chung của dòng điện xoáy là gì?

Trả lời: Đặc tính cơ bản nhất của dòng Fuco là tính chất xoáy. Dòng điện này có dạng vòng tròn khép kín, giống xoáy nước trong một dòng suối.

Câu hỏi 3: Dòng điện Fuco được kiểm tra bằng phương pháp nào?

Trả lời: Fuco có thể được kiểm tra thông qua phương pháp kiểm tra dòng điện xoáy, tức là thí nghiệm vật liệu không phá hủy. Bằng cách dùng các đầu dò đưa vào vật liệu cần kiểm tra, các kỹ sư điện có thể xác định được các khuyết tật của vật liệu, nhằm đánh giá chất lượng và mức độ an toàn của thiết bị, phương tiện. 

Trên đây là những thông tin quan trọng liên quan đến dòng điện Fuco. Hy vọng bạn hài lòng với kiến thức đã được cung cấp. Chúng tôi sẽ tiếp tục cập nhật thêm nhiều thuật ngữ ngành điện khác tại: https://btb-electric.com/vi/tin-tuc/kien-thuc-nganh/thuat-ngu-nganh-dien/. Mời bạn đón đọc