Dòng điện xoáy là gì? Các công bố khoa học về Dòng điện xoáy
Dòng điện xoáy, hay dòng Foucault, là hiện tượng dòng điện tạo ra khi một vật dẫn đặt trong trường từ thay đổi, được phát hiện bởi Léon Foucault. Theo định luật Faraday, dòng điện này phản ứng với sự thay đổi từ trường bằng cách tạo ra từ trường riêng, thường chống lại thay đổi đó theo định luật Lenz.
Dòng điện xoáy là gì?
Dòng điện xoáy, hay còn gọi là dòng Foucault (tiếng Anh: eddy current), là các dòng điện cảm ứng sinh ra bên trong lòng các vật dẫn khi chúng chịu tác động của một từ trường thay đổi theo thời gian. Hiện tượng này được phát hiện vào năm 1851 bởi nhà vật lý người Pháp Jean Bernard Léon Foucault. Dòng điện xoáy là một trong những ứng dụng nổi bật của định luật cảm ứng điện từ Faraday và có vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật, từ cơ khí, luyện kim đến kiểm tra vật liệu không phá hủy và tự động hóa công nghiệp.
Nguyên lý hình thành dòng điện xoáy
Theo định luật Faraday, khi một vật dẫn điện nằm trong một từ trường biến thiên theo thời gian hoặc chuyển động qua một vùng từ trường không đều, trong lòng vật dẫn sẽ xuất hiện một suất điện động cảm ứng. Do vật dẫn có cấu trúc liền khối, không có mạch điện cố định để dòng điện di chuyển theo đường thẳng, các dòng điện cảm ứng sẽ tự tạo thành các vòng khép kín, gọi là dòng điện xoáy.
Công thức biểu diễn định luật Faraday:
Trong đó:
: Suất điện động cảm ứng (V)
: Từ thông đi qua bề mặt vật dẫn (Wb)
Khi có suất điện động, các điện tử tự do trong vật dẫn bị lực Lorentz tác động và 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, từ đó tạo ra nhiều ứng dụng thực tiễn nhưng cũng đồng thời gây ra tổn thất năng lượng nếu không được kiểm soát hợp lý.
Đặc điểm của dòng điện xoáy
Xuất hiện trong lòng vật dẫn: Không cần mạch điện ngoài, dòng điện tự tạo thành bên trong vật dẫn khi có từ trường thay đổi.
Có hướng xoáy tròn: Do dòng điện cảm ứng sinh ra theo chiều ngược lại với sự thay đổi của từ thông theo quy tắc Lenz.
Phụ thuộc vào tốc độ biến thiên từ trường: Tốc độ thay đổi từ trường càng lớn thì dòng điện xoáy sinh ra càng mạnh.
Tạo ra nhiệt lượng: Dòng điện xoáy sinh ra năng lượng nhiệt theo định luật Joule – ứng dụng trong gia nhiệt và cũng là nguyên nhân của tổn hao năng lượng.
Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ dòng điện xoáy
Vật liệu dẫn điện: Vật liệu có điện trở suất thấp như đồng hoặc nhôm sẽ tạo ra dòng điện xoáy mạnh hơn.
Hình dạng vật liệu: Hình dạng vật dẫn ảnh hưởng đến quỹ đạo và biên độ dòng điện xoáy.
Tốc độ thay đổi của từ trường: Biến thiên nhanh tạo ra suất điện động lớn hơn.
Diện tích vùng chịu ảnh hưởng: Vùng tiếp xúc từ trường càng lớn thì dòng xoáy càng lớn.
Tác dụng và ứng dụng thực tế của dòng điện xoáy
Ứng dụng tích cực
Gia nhiệt cảm ứng: Dòng điện xoáy sinh ra nhiệt lượng lớn được dùng để nung nóng kim loại nhanh chóng trong lò cảm ứng hoặc các máy gia nhiệt cao tần.
Phanh điện từ: Trong các phương tiện như tàu điện hoặc xe tập thể dục, dòng điện xoáy tạo ra lực hãm nhờ sinh ra mô-men phản lực khi kim loại di chuyển trong từ trường.
Kiểm tra không phá hủy (NDT): Kỹ thuật kiểm tra bằng dòng điện xoáy dùng để phát hiện vết nứt, ăn mòn hoặc lỗi cơ học trong vật liệu dẫn điện.
Máy phát điện: Một số loại máy phát điện hoặc máy đo tốc độ quay sử dụng dòng điện xoáy để tạo tín hiệu điện phản ánh chuyển động cơ học.
Cảm biến dòng điện: Cảm biến dòng điện không tiếp xúc sử dụng hiện tượng cảm ứng điện từ để đo cường độ dòng mà không cần cắt mạch.
Ảnh hưởng tiêu cực
Gây tổn hao năng lượng: Trong máy biến áp, động cơ điện, cuộn cảm…, dòng điện xoáy làm nóng lõi từ, giảm hiệu suất thiết bị.
Gây nhiễu tín hiệu: Trong mạch điện tử, dòng xoáy có thể tạo ra các dòng cảm ứng không mong muốn gây nhiễu hệ thống.
Ăn mòn nội tại: Nhiệt sinh ra do dòng xoáy nếu không kiểm soát tốt sẽ làm hư hỏng vật liệu theo thời gian.
Biện pháp giảm thiểu dòng điện xoáy không mong muốn
Trong các thiết bị điện – điện tử, nhiều giải pháp được áp dụng để hạn chế dòng điện xoáy:
Ghép lớp lõi từ: Dùng các lá thép kỹ thuật mỏng cách điện với nhau thay vì khối vật liệu liền mạch, giúp chia nhỏ dòng xoáy và hạn chế tổn hao.
Sử dụng vật liệu từ tính có điện trở cao: Ferrite là một ví dụ, có từ tính mạnh nhưng dẫn điện kém, phù hợp cho các cuộn cảm, biến áp cao tần.
Giảm tốc độ thay đổi từ trường: Thiết kế mạch điều khiển dòng điện trơn tru, hạn chế dao động mạnh trong dòng điện hoặc từ trường.
Thiết kế hình học tối ưu: Hình dạng lõi từ, cuộn dây và đường dẫn từ được thiết kế để kiểm soát quỹ đạo dòng điện xoáy.
Một số thiết bị sử dụng dòng điện xoáy
Đồng hồ đo điện cảm ứng: Dựa vào dòng điện xoáy tạo ra bởi chuyển động của đĩa kim loại trong từ trường để đo lượng điện năng tiêu thụ.
Máy tách kim loại: Ứng dụng trong dây chuyền tái chế, sử dụng dòng điện xoáy để tách kim loại màu ra khỏi rác thải.
Máy đo độ dày kim loại: Kiểm tra độ dày lớp phủ hoặc vật liệu mà không cần tiếp xúc trực tiếp.
Thiết bị an ninh: Cổng từ tại sân bay sử dụng hiện tượng cảm ứng để phát hiện vật thể kim loại trên người.
So sánh dòng điện xoáy và dòng điện cảm ứng trong mạch kín
Tiêu chí
Dòng điện xoáy
Dòng điện cảm ứng trong mạch kín
Vị trí xuất hiện
Bên trong vật dẫn khối
Trong mạch điện kín
Đường đi của dòng
Tạo thành các vòng tròn khép kín bên trong vật liệu
Đi theo dây dẫn trong mạch
Ứng dụng
Gia nhiệt, kiểm tra vật liệu, cảm biến
Phát điện, truyền tải năng lượng
Kết luận
Dòng điện xoáy là một hiện tượng vật lý vừa mang lại nhiều ứng dụng hữu ích, vừa đòi hỏi kỹ thuật kiểm soát nghiêm ngặt để tránh tổn hao năng lượng trong các hệ thống điện. Việc hiểu rõ cơ chế hoạt động, các yếu tố ảnh hưởng và ứng dụng của dòng điện xoáy giúp kỹ sư và nhà thiết kế đưa ra các giải pháp tối ưu cho thiết bị điện – điện tử hiện đại.
Chinese Journal of Mechanical Engineering - Tập 30 Số 3 - Trang 500-514 - 2017
Tóm tắtPhương pháp kiểm tra và đánh giá phi phá hủy bằng dòng điện xoáy xung (PEC) đã tồn tại trong một khoảng thời gian và vẫn thu hút sự chú ý từ nhiều nhà nghiên cứu trên toàn cầu, điều này có thể được chứng minh thông qua các báo cáo được xem xét trong bài viết này. Nhờ vào sự phong phú của các thành phần phổ, nhiều ứng dụng của kỹ thuật này đã được đề xuất và ...... hiện toàn bộ
Tạp chí Khoa học Xã hội, Nhân văn và Giáo dục Trường Đại học Sư phạm - Đại học Đà Nẵng - Tập 8 Số 3B - Trang 17-25 - 2018
Trong chương trình giáo dục phổ thông tổng thể năm 2017 ở nước ta, hoạt động trải nghiệm (HĐTN), trải nghiệm hướng nghiệp là một nội dung giáo dục bắt buộc với tất cả các học sinh từ lớp 1 đến lớp 12. HĐTN không có giáo viên (GV) chuyên trách mà là chính các GV (đơn môn) hiện nay đảm nhiệm. Tuy nhiên, với đa phần GV hiện nay thì HĐTN vẫn còn là một vấn đề khá mới mẻ. Bài báo đề xuất quy trìn...... hiện toàn bộ
Tạp chí Khoa học và Công nghệ - Đại học Đà Nẵng - - Trang 56-61 - 2016
Tóm tắt: Ngày nay, bài toán trường điện từ xuất hiện ở khắp mọi nơi trong cuộc sống, bất cứ ở đâu có sử dụng máy điện và thiết bị điện là ở đó tồn tại mô hình trường điện từ. Vì vậy, mà bài toán trường điện từ đóng vai trò đặc biệt quan trọng trong kỹ thuật điện và khoa học ứng dụng. Việc xây dựng mô hình để nghiên cứu và tính toán quá trình biến đổi trường điện từ trong máy điện/thiết bị điện là ...... hiện toàn bộ
#phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) #từ trường #tính toán dòng điện xoáy #véc tơ từ thế #bài toán từ động
Tạp chí Khoa học và Công nghệ - Đại học Đà Nẵng - - Trang 69-72 - 2017
Các mô hình bài toán điện từ xuất hiện hầu hết trong các loại máy điện nói chung và máy biến áp nói riêng. Do đó, việc xây dựng mô hình toán điện từ để nghiên cứu và tính toán sự phân bố của từ trường, dòng điện xoáy trong máy biến áp (MBA) điện là cần thiết và cấp bách đối với các nhà nghiên cứu, nhà thiết kế và chế tạo MBA. Phương pháp phần tử hữu hạn được phát triển với công thức véctơ từ thế a...... hiện toàn bộ
#phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) #dòng điện xoáy #véc-tơ từ thế #bài toán từ động #lõi thép
Tạp chí Khoa học và Công nghệ - Đại học Đà Nẵng - - Trang 54-58 - 2018
Bài báo trình bày tổng quan về hỗn loạn - trạng thái tồn tại trong các hệ phi tuyến, thường được gọi bằng thuật ngữ ‘chaos’. Hệ thống chaos vẫn tuân theo các định luật, nhưng khó đoán trước do tính nhạy cảm với các điều kiện ban đầu. Nghiên cứu dẫn dắt tìm hiểu về hành vi hỗn loạn đã được các nhà khoa học khám phá trong các hệ truyền động điện. Từ đó đưa ra một ví dụ cụ thể về đối tượng động cơ kh...... hiện toàn bộ
#động cơ không đồng bộ #lý thuyết hỗn loạn #phân nhánh #mũ Lyapunov #tập hút #biểu đồ pha #ma trận Jacobian
Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ quân sự - Tập 96 - Trang 12-20 - 2024
Nghiên cứu này trình bày một phương pháp ước lượng độ sâu vết nứt, bằng cách kết hợp các kỹ thuật phân tích hình ảnh và mô hình Mạng Nơ-ron Tích chập (CNN). Mục tiêu của nghiên cứu là cải thiện độ chính xác và mức độ tin cậy trong việc dự đoán độ sâu các vết nứt nhỏ, đặc biệt đối với các vết nứt có độ sâu dưới 1 milimet. Nghiên cứu đã sử dụng loạt các kỹ thuật tiền xử lý và tăng cường dữ liệu nhằm...... hiện toàn bộ
#Non-Destructive Evaluation; Eddy-current technique; Convolutional Neural Network; Data augmentation.
Tạp chí Khoa học và Công nghệ - Trường Đại học Công nghiệp TP.HCM - Tập 36 Số 06 - 2021
Gia nhiệt Ohm là một kĩ thuật gia nhiệt điện được ứng dụng để thanh trùng nước ép bưởi. Ảnh hưởng của tần số suốt quá trình gia nhiệt Ohm được khảo sát. Các giá trị tần số gồm 50, 60, 70, 100, 500, 1000, 10000, 20000 Hz và cường độ điện trường cố định 30 V/cm được áp dụng để khảo sát sự biến đổi vitamin C. Kết quả chỉ ra sự suy giảm vitamin C phụ thuộc vào tần số, tại tần số 50Hz hoặc trên 1kHz, h...... hiện toàn bộ
#Ohmic heating #vitamin C #electric field frequency #pomelo juice
Tạp chí Khoa học Xã hội, Nhân văn và Giáo dục Trường Đại học Sư phạm - Đại học Đà Nẵng - Tập 8 Số 3B - Trang 53-58 - 2018
Giáo dục STEM được biết đến như là một sự tiếp cận mới trong giáo dục và đào tạo nguồn nhân lực trong tương lai. Trong đó nhấn mạnh sự kết nối, liên thông giữa bốn lĩnh vực Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học. Giáo dục STEM có thể vận dụng trong nhiều giai đoạn khác nhau của quá trình dạy học, với nhiều hình thức tổ chức khác nhau. Tuy vậy, việc thiết kế và tổ chức hoạt động dạy học như thế ...... hiện toàn bộ
Thermal Engineering - Tập 58 - Trang 1131-1137 - 2011
Bài báo trình bày phân loại cáp siêu dẫn nhiệt độ thấp và nhiệt độ cao cho dòng điện một chiều và xoay chiều nhằm mục đích truyền tải điện, dựa trên sự thực hiện truyền thống và triển vọng. Kết quả thiết kế các cáp siêu dẫn nhiều lõi với trường điện từ cục bộ được báo cáo, nhằm cung cấp mật độ dòng điện giới hạn tối đa, giảm tiêu thụ vật liệu siêu dẫn, chất lỏng lạnh và tổn thất năng lượng trong c...... hiện toàn bộ
#cáp siêu dẫn #nhiệt độ thấp #nhiệt độ cao #dòng điện một chiều #dòng điện xoay chiều #mật độ dòng điện #vật liệu siêu dẫn
Hành vi của các điện cực platinum trong dung dịch kiềm dưới tác động của dòng điện xoay chiều xung đã được nghiên cứu. Một cơ chế phân tán điện hóa của platinum đã được đề xuất. Một bước quan trọng của cơ chế này là sự phóng điện và sự chèn cation kim loại kiềm vào mạng tinh thể của platinum, sau đó là sự phân hủy của hợp chất liên kim loại Pt\n m\n Na khi tương tác...... hiện toàn bộ
#platinum #điện cực #dung dịch kiềm #dòng điện xoay chiều #phân tán điện hóa #cation kim loại kiềm