29.6 Dòng điện Fu-cô

Trong các mạch điện quen thuộc, dòng cảm ứng chạy theo những đường dẫn đã xác định. Nhưng một khối kim loại có thể chuyển động trong từ trường hoặc nằm trong từ trường biến thiên. Khi ấy, dòng cảm ứng tuần hoàn khắp thể tích vật liệu. Những dòng xoáy này được gọi là .

Hãy xét một đĩa kim loại quay trong từ trường vuông góc với mặt đĩa, trong đó từ trường chỉ phủ một phần diện tích. Phần đĩa từ tâm $O$ đến điểm $b$ đang đi qua vùng trường có cảm ứng. Hai phần $Oa$ và $Oc$ nằm ngoài vùng trường nhưng tạo đường dẫn để điện tích quay trở về tâm. Vì vậy dòng điện khép kín trong chính khối đĩa.

Theo , dòng gần đoạn $Ob$ phải tạo chống lại chuyển động quay. Trong hình, từ trường hướng vào mặt trang. Dòng có thành phần hướng xuống dọc theo vùng tác dụng để lực $\overrightarrow{F}=I\overrightarrow{L}\times \overrightarrow{B}$ hướng sang phải, ngược chiều quay tại đó. Dòng hồi nằm ngoài vùng từ trường nên không chịu lực từ. Lực hãm này có thể giúp dừng nhanh lưỡi cưa tròn sau khi ngắt điện.

Hình 29.20: Đĩa kim loại quay qua vùng từ trường, nơi các dòng Fu-cô khép kín trong đĩa và lực từ tạo tác dụng hãm

Chú thích:

• Đĩa kim loại quay qua vùng từ trường (Metal disk rotating through a magnetic field)
• Dòng Fu-cô và lực hãm (Resulting eddy currents and braking force)
• Dòng Fu-cô (Eddy currents)
• Từ trường (Magnetic field)

được dùng để hãm một số phương tiện điện đô thị nhanh. Nam châm điện gắn trên toa cảm ứng dòng trong đường ray, rồi từ trường do dòng ấy tạo ra sinh lực hãm lên nam châm và toa. Trong lò cảm ứng, dòng Fu-cô nung nóng vật liệu trong bình kín, phù hợp với quy trình cần tránh nhiễm bẩn. Cổng dò kim loại ở sân bay phát hiện dòng cảm ứng trong đồ vật kim loại. Máy dò cầm tay cũng dùng nguyên lý ấy để tìm những vật nhỏ như nắp chai hoặc đồng xu bị chôn.

Hình 29.21: Cuộn phát cảm ứng dòng Fu-cô trong vật kim loại, cuộn thu nhận tín hiệu do từ trường của dòng ấy tạo ra

Chú thích:

• Xung dòng điện (Pulse of current)
• Cuộn phát (Transmitting coil)
• Cuộn thu (Receiver coil)
• Dòng Fu-cô (Eddy currents)

cũng gây tổn hao. Trong máy biến áp xoay chiều, dòng biến thiên trong cuộn dây tạo dòng Fu-cô ở lõi sắt. Dòng này làm nóng lõi do tổn hao $I^{2}R$ và tạo ngược không mong muốn trong cuộn dây. Người ta thu hẹp các đường đi của dòng Fu-cô để giảm tác dụng ấy. Cấu tạo lõi sẽ được xét khi học máy biến áp.

Ứng dụng: Đường sức từ Sao Mộc đi qua vệ tinh Io, nơi dòng Fu-cô góp phần nung nóng phần trong và gây núi lửa trên bề mặt

Chú thích:

• Sao Mộc (Jupiter)
• Io (Io)
• Đường sức từ (Magnetic field line)
• Núi lửa phun trào trên Io (Volcanic eruptions on Io)

Io là vệ tinh của Sao Mộc, có kích thước hơi lớn hơn Mặt Trăng. Io chuyển động với tốc độ hơn $60000\mathrm{km}/\mathrm{h}$ trong từ trường Sao Mộc có độ mạnh xấp xỉ mười lần từ trường Trái Đất. trong Io tiêu tán năng lượng với công suất khoảng ${10}^{12}\mathrm{W}$. Năng lượng ấy góp phần nung nóng phần trong và gây các vụ phun trào núi lửa. Tác động hấp dẫn của Sao Mộc còn tạo mức nung nóng lớn hơn.

Tự kiểm 29.6

Trong Hình 29.20, đảo chiều từ trường để nó hướng ra khỏi mặt trang và cho đĩa quay ngược chiều kim đồng hồ. So với hình gốc, và đổi chiều thế nào?

(i) Lực và dòng đều giữ chiều.

(ii) Lực giữ chiều, dòng đổi chiều.

(iii) Lực đổi chiều, dòng giữ chiều.

(iv) Lực và dòng đều đổi chiều.

Lời giải

Chọn (iii). đổi chiều, còn giữ chiều như hình gốc. Lực phải chống lại chuyển động. Vật liệu tại vùng từ trường đang đi sang phải nên lực hướng sang trái. Với từ trường hướng ra khỏi mặt trang, dòng hướng xuống vẫn cho lực sang trái theo $\overrightarrow{F}=I\overrightarrow{L}\times \overrightarrow{B}$.

Tài liệu tham khảo

Young & Freedman, University Physics with Modern Physics, ấn bản 15, mục 29.6, trang 969–970.