Chuyên đề Dòng điện Foucault

I. DÒNG ĐIỆN FOUCAULT Dòng điện Foucault Những khối kim loại chuyển động trong một từ trường, hoặc được đặt trong từ trường biến thiên theo thời gian. Những dòng điện cảm ứng này được gọi là dòng điện Fu-cô (do nhà vật lí Foucault, người Pháp, phát hiện). Thí nghiệm Đặt tấm kim loại K (đồng hoặc nhôm) giữa hai cực của nam châm điện ta thấy nó có thể dao động tự do. Nhưng khi cho dòng điện chạy vào nam châm, ta lại thấy tấm kim loại chỉ dao động trong khoảng thời gian ngắn rồi dừng lại. Hơn nữa tấm kim loại này còn bị nóng lên. Giải thích Khi tấm kim loại dao động, nó cắt các đường sức từ của nam châm. Do đó, trong tấm kim loại có xuất hiện dòng điện cảm ứng. Theo định luật Len-xơ, dòng điện cảm ứng trong tấm kim loại có tác dụng ngăn chặn sự chuyển động của chính tấm kim loại đó.Vì vậy, tấm kim loại dừng lại nhanh chóng, do trên tấm kim loại xuất hiện lực từ có tác dụng cản trở chuyển động của nó ; lực từ này được gọi là lực hãm điện từ. Đặt tính chung của dòng điệm Fu-cô là tính chất xoáy. Nói cách khác, các đường dòng của dòng điện Fu-cô là các đường cong kín trong khối vật dẫn. Nếu trong thí nghiệm trên, ta thấy tấm kim loại liền khối K bằng tấm kim loại có rãnh xẻ ta thấy tấm kim loại dao động lâu hơn, vì khi đó, điện trở của tấm kim loại đối với dòng điện Fu-cô tăng, làm cho cường độ dòng điện Fu-cô giảm, lực hãm điện từ giảm đi. Tác dụng của dòng điện Fu-cô Trong một số trường hợp, dòng điện Fu-cô là cần thiết và có ích, nhưng trong một số trường hợp khác, dòng điện Fu-cô lại có hại. Một vài ứng dụng của dòng điện Fu-cô Do tác dụng của dòng diện Fu-cô, mọi khối kim lọai chuyển động trong từ trường đều chịu tác dụng của những lực hãm điện từ. Tính chất này được ứng dụng trong các bộ phanh điện từ của những ôtô có trọng tải lớn, công tơ điện. Công tơ điện thực chất là một động cơ điện nhỏ, rôto của nó là một chiếc đĩa bằng đồng hay nhôm, một phần đĩa nằm trong khoảng giữa hai cực một nam châm vĩnh cửu, nên hình chử U. Do cách cấu tạo của công tơ (đến thiết bị tiêu thụ) nó sẽ gây ra momen quay làm quay đĩa. Vì đĩa quay trong từ trường của nam châm vĩnh cửu, nên trong đĩa xuất hiện dòng điện Fu-cô. Theo định luật Len-xơ, dòng điện Fu-cô gây ra momen cản. Sau một khoảng thời gian ngắn, momen cản cân bằng momen quay, từ lúc đó đĩa quay đều. khi ngắt dòng điện, đĩa vẫn có xu hướng tiếp tục quay vì quán tính ; nhưng dòng điện Fu-cô trong đĩa lúc đó có tác dụng hãm đĩa lại. Do đó, sau khi ngắt dòng điện, đĩa cũng dừng lại rất nhanh. Rõ ràng là, số vòng quay của đĩa tỉ lệ với điện năng tiêu thụ ; vì vậy có thể dùng thiết bị này để đo điện năng đã dùng. Dòng điện Fu-cô cũng gây ra hiệu ứng tỏa nhiệt Jun - Len-xơ : Khối kim loại chuyển động trong từ trường hoặc đặt trong từ trường biến thiên sẽ nóng lên. Tác dụng nhiệt của dòng điện Fu-cô được ứng dụng trong các lò điện cảm ứng để nấu chảy kim loại. Kim loại được cho vào trong lò ; lò được đặt bên trong ống dây điện. Khi có dòng điện xoay chiều chạy trong ống dây, thì Fu-cô và dòng này làm nóng chảy khối kim loại. Một vài ví dụ về trường hợp dòng điện Fu-cô có hại Một số bộ phận trong nhiều thiết bị điện (chẳng hạn rôto hay stato của động cơ điện, hay máy phát điện, máy biến áp) có cấu tạo dưới dạng một lõi sắt đặt trong một cuộn dây có dòng điện xoay chiều chạy qua. Lõi sắt này có tác dụng tăng cường từ trường. Dòng điện trong ống dây biến đổi theo thời gian, nên trong lõi sắt xuất hiện dòng điện Fu-cô. Sự xuất hiện dòng điện Fu-cô trong trường hợp này là có hại. Thứ nhất nhiệt tỏa ra do dòng điện Fu-cô sẽ làm cho lõi sắt bị nóng có hể làm hỏng máy. Thứ hai dòng Fu-cô luôn luôn có xu hướng chống lại nguyên nhân đã gây ra nó. Trong trường hợp động cơ điện, nó chống lại sự quay của động cơ. Do đó, nó làm giảm công suất của động cơ. Để giảm tác dụng có hại của dòng điện Fu-cô, trong máy biến áp chẳng hạn, người ta không dùng lõi sắt dưới dạng khối liền, mà dùng những lá thép silic mỏng có phủ lớp sơn cách điện ghép sát với nhau. Ngoài ra, những lá mỏng này lại được đặt song song với đường sức từ. Làm như vậy, điện trở của lõi sắt đối với dóng điện Fu-cô tăng lên. Bằng cách đó, tuy ta không khử được triệt để dòng điện Fu-cô, nhưng cũng làm giảm cường độ dòng điện của nó một cách đáng kể. II. HIỆU ỨNG BỀ MẶT (SKIN EFFECT) Hiệu ứng bề mặt Hiện tượng tự cảm không những xảy ra trong một mạch điện mà còn xảy ra trong lòng dây dẫn có dòng điện biến đổi chạy qua. Thí nghiệm chứng tỏ: khi dòng điện biến thiên nhanh (có tần số lớn) chạy qua một dây dẫn thì do hiện tượng tự cảm, dòng điện đó hầu như không chạy ở trong lòng dây dẫn mà chỉ chạy ở mặt ngoài của nó. Hiện tượng đó được gọi là hiệu ứng da hay hiệu ứng (lớp) bề mặt (skin effect). Giả sử dòng điện cao tần i đang đi từ dưới lên trên. Dòng điện đó sinh ra trong òng dây dẫn một từ trường với các đường sức từ B có chiều như hình vẽ. Vì dòng điện đang biến đổi, nên từ trường do nó sinh ra cũng biến đổi theo. Do đó, nếu xét trên một tiết diện S bất kì chứa trục đối xứng của dây thì từ thông gửi qua tiết diện ấy thay đổi. Kết quả thu được những dòng điện tự cảm kép. Trong ¼ chu kì đầu, giả sử dòng điện biến đổi rất nhanh i đang tăng . Từ thông do dòng điện đó gửi qua tiết diện S, từ ngoài vào trong cũng tăng theo. Theo định luật Lenz, dòng điện tự cảm (C) sinh ra từ trường ngược với chiều từ trường của dòng điện cao tần i. Vì vậy, dòng điện tự cảm chạy trong dây dẫn phải có chiều như hình vẽ. Ở bề mặt ngoài dây dẫn, chiều dòng điện tự cảm cùng chiều với dòng điện cao tần, do đó làm cho phần dòng điện cao tần ở đây tăng nhanh hơn; còn trong lòng dây dẫn, chiều của dòng điện cảm ứng ngược chiều với chiều của dòng điện cao tần i, do đó làm cho phần dòng điện cao tần trong lòng ống dây tăng yếu hơn. Tiếp đến ¼ chu kì sau, cường độ dòng điện cao tần i giảm xuống. Bằng lí luận tương tự, ta sẽ thấy dòng điện tự cảm có chiêu ngược lại: nó ngược chiều với phần dòng điện cao tần ở bề mặt, làm cho phần dòng điện tại bề mặt giảm nhiều hơn; trái lại, nó cùng chiều với dòng điện cao tần trong lòng dây dẫn, nên làm cho dòng điện này giảm ít hơn Tần số dòng điện cao tần càng lớn, tác dụng của các dòng điện tự cảm trong dây càng mạnh, phần dòng điện trong ruột của dây càng yếu. Khi tần số khá lớn, phần dòng điện chạy trong ruột dây dẫn hầu như bị triệt tiêu: dòng điện cao tần chỉ chạy trong bề mặt rất mỏng của dây dẫn. Do đó, khi dùng dòng điện cao tần, người ta làm cho lõi của dây dẫn rỗng đi để tiết kiệm nguyên liệu. Bảng số liệu Tần số δ 60 Hz 8.57 mm 1 kHz 2 mm 10 kHz 0.66 mm 100 kHz 0.2 mm 10 MHz 21 µm 2. Ứng dụng Một ứng dụng quan trong của hiệu ứng bề mặt là dùng nó để tôi kim loại lớp bề mặt. Nhiều chi tiết máy như trục, biên, bánh răng khía,cần đạt yêu cầu kĩ thuật: bề mặt cứng, song bên trong vẫn phải có độ dẻo thích hợp. Cách làm: Cho dòng điện cao tần chạy qua một cuộn dây điện bên trong có những chi tiết máy cần tôi. Những dòng điện cảm ứng được sinh ra chạy trên bề mặt chi tiết máy. Khi lớp bề mặt này nóng lên đến mức cần thiết, ta nhúng chi tiết máy vào nước để tôi, như vậy ta vừa đảm bảo lớp vỏ ngoài cứng và bên trong vẫn giữ được tính chất dẻo của chi tiết máy. HỖ CẢM Hiện tượng hỗ cảm Đặt hai vòng dây dẫn kín (1) và (2) (mạch điện kín) cạnh nhau, trong đó có các dòng điện và chạy qua. Nếu cường độ dòng điện và biến thiên thì từ thông do mỗi vòng dây tạo ra gửi qua diện tích của vòng kia sẽ thay đổi theo. Theo định luật cảm ứng điện từ, trong cả hai vòng dây đó đều xuất hiện dòng điện cảm ứng. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng hỗ cảm và các dòng điện cảm ứng khi đó được gọi là các dòng điện hỗ cảm. Hai vòng dây dẫn nói trên còn được gọi là mạch liên kết cảm ứng điện từ (gọi tắt là mạch liên kết cảm ứng). Suất điện động hỗ cảm. Hệ số hỗ cảm Từ thông , do dòng điện của vòng dây (1) tạo ra và gửi qua diện tích của vòng dây (2), là tỉ lệ thuận với , ta có : , trong đó, hệ số tỉ lệ được gọi là hệ số hỗ cảm của vòng dây (2) đối với vòng dây (1). Một cách tương tự, từ thông do dòng của vòng dây (2) tạo ra và gửi qua điện tích của vòng dây (1) là tỉ lệ thuận với , ta có : Người ta chứng minh rằng, nếu không có vật sắt từ thì ta luôn luôn có : với M là hệ số hỗ cảm của hai vòng dây 1 và 2. Hệ số hỗ cảm M phụ thuộc vào hình dạng, kích thước, vị trí tương đối của các mạch điệnvà vào môi trường xoay quanh các mạch điện. Đối chiếu các công thức ở bên trên ta thấy, đơn vị đo M cũng là đơn vị đo L, nghĩa là, trong hệ SI, đơn vị của M cũng là henri. Theo định luật cảm ứng điện từ, suất điện động hỗ cảm xuất hiện trong mạch (2) và mạch (1) là : ( và là đạo hàm của và theo t). Chú ý Cần lưu ý rằng, khi các dòng điện và biến thiên, ngoài hiện tượng hỗ cảm mà ta xét ở đây, trong bản thân từng mạch còn có hiện tượng tự cảm do dòng điện trong mạch đó biến thiên, như đã xét ở Bài 27. Do đó, trong từng mạch có cả suất điện động tự cảm và suất điện động hỗ cảm : trong đó L1, L2 tương ứng là độ tự cảm của mạch (1) và mạch (2). 4. Ứng dụng Hiện tượng hỗ cảm được ứng dụng trong nhiều bộ phận của các thiết bị và dụng cụ điện tử khác nhau. Ta xét một ứng dụng thực tế là dụng cụ để dò tìm các vật bằng kim loại bị thất lạc, hoặc cất dấu, tại một chổ nào đó (gọi là máy dò kim loại). Cấu tạo của máy này gồm có hai cuộn dây đặt vuông góc với nhau, cuộn C1 (cuộn phát) và cuộn C2 (cuộn thu). Khi cho dòng điện xoay chiều i1 chạy qua cuộn C1 thì từ trường của C1 không cảm ứng dòng điện qua C2. Nhưng khi đó, nếu có một vật bằng kim loại bị vùi (hoặc cất dấu) ở gần máy thì từ trường này cảm ứng một dòng điện biến thiên trên vật đó ; từ trường của dòng điện này lại cảm ứng dòng điện i2 trong cuộn dây C2. Nhờ đó máy phát hiện cho ta sự có mặt của vật dẫn cần tìm. NĂNG LƯỢNG TỪ TRƯỜNG CỦA HỆ 2 MẠCH ĐIỆN CÓ DÒNG ĐIỆN Xét hai mạch điện kín dặt cạnh nhau (mạch liên kết cảm ứng) có độ tự cảm L1, L2 (không có lõi sắt từ) mang dòng điện i1, i2 tương ứng. Do hiện tượng hỗ cảm, nên năng lượng từ trường W của hệ bao gồm năng lượng từ trường W1, W2 của từng mạch : , và năng lượng do hỗ cảm : với M là hệ số hỗ cảm giữa hai mạch. Năng lượng hoaã cảm có giá trị dương hoặc âm tùy theo từ thông do mạch này gửi qua mạch kia là dương hay âm, nghĩa là tùy thuộc vào chiều của dòng điện i1 và i2 chạy trong hai mạch (theo quy ước về dấu của từ thông đã nêu ở Bài 25). Vì vậy ta viết : BÀI TẬP Hai ống dây có độ tự cảm lần lượt là L1 = 0.003 (H) và L2 = 0.005 (H) được mắc nối với nhau sao cho từ trường do chúng sinh ra cùng chiều; khi độ cảm ứng của hệ ( bao gồm cả độ tự cảm và hệ số tự cảm) bằng L = 0.011 (H). Tìm độ cảm ứng của cả hệ nếu nối ống dây sao cho từ trường do chúng sinh ra có chiều đối nhau (song vẫn giữ nguyên vị trí của chúng đối với nhau như trước). Giải Lúc sau Ban đầu Giả sử cho dòng điện cường độ I chạy qua hệ hai ống dây, Trước khi nối lại các ống dây , từ thông gửi qua hệ là: (1) trong đó =là từ thông của ống dây thứ i gửi qua ống dây k ( là từ thông tự cảm, là từ thông hỗ cảm giữa ống dây i đối với ống dây k); ở đây i,k = 1,2. Sau đó nối lại các ống dây từ thông gửi qua hệ là: (2) bởi vì và ngược chiều nhau, và ngược chiều nhau (theo đề bài). Mặt khác, theo định nghĩa độ cảm ứng L và L’ của hệ trước và sau khi nối lại ống dây là: và Ngoài ra, ta có: , , , với M là hệ số hỗ cảm của hai ống. Do đó, từ (1) và (2) tìm được: L = L1 + L2 + 2M ; L’ = L1 + L2 - 2M L’ = 2(L1 + L2) – L = 0.005 (H) (Chú ý rằng, vì độ tự cảm L luôn luôn dương (giống như L1, L2 ) nên luôn có L1+L2=2).