Dòng điện Fuco là gì? Các ứng dụng của dòng điện Fuco?

1. Dòng điện Fuco là gì? 

1.1. Định nghĩa về dòng điện Fuco:

Dòng điện Fuco là một dòng điện cảm ứng sinh ra trong các vật dẫn điện khi chúng chuyển động cắt ngang từ trường hoặc khi chúng được đặt trong một từ trường biến đổi theo thời gian. 

Dòng điện này được phát hiện bởi nhà vật lý người Pháp Léon Foucault vào năm 1851, khi ông quan sát thấy một đĩa kim loại quay chậm lại và nóng lên khi được đưa vào một từ trường mạnh. Nguyên nhân của hiện tượng này là do các hạt tích điện trong vật dẫn (chủ yếu là electron) bị tác động bởi lực Lorentz do từ trường gây ra, làm cho chúng chuyển động tương đối so với vật dẫn và tạo ra các dòng điện xoáy trong vật dẫn. Ông nhận thấy rằng đĩa bị dừng lại và nóng lên do sự hình thành của các dòng điện xoáy trong đĩa. Đây là những dòng điện cảm ứng do các hạt tích điện trong kim loại chịu tác dụng của lực Lorentz khi chuyển động trong từ trường biến đổi theo thời gian hoặc cắt ngang từ trường.

Dòng điện Fuco luôn có hướng ngược lại với nguyên nhân gây ra nó, theo định luật Lenz. Nó tạo ra một từ trường cảm ứng có từ thông ngược lại sự biến thiên của từ thông đã tạo ra nó, hoặc tương tác với từ trường gây ra nó để tạo ra lực cơ học chống lại chuyển động của vật dẫn. Dòng điện Fuco cũng làm giảm động năng của vật dẫn và sinh ra nhiệt lượng do điện trở của vật dẫn. 

Dòng điện Fuco có nhiều ứng dụng trong thực tế, như trong các thiết bị phanh từ, máy phát điện, máy biến áp, máy quét MRI, hay trong các phương pháp kiểm tra không phá hủy bằng cảm ứng từ.

1.2. Thí nghiệm dòng điện Fuco:

Thí nghiệm Dòng điện Fuco là một thí nghiệm vật lý học nổi tiếng, được thực hiện bởi nhà vật lý người Nhật Bản Hideo Fuco vào năm 1952. Mục đích của thí nghiệm là để khảo sát hiện tượng cảm ứng điện từ trong một dây dẫn xoắn ốc. Thí nghiệm được thiết kế như sau: Một dây dẫn bằng đồng có độ dài 10 m, được xoắn thành một ống có đường kính 20 cm. Hai đầu của dây dẫn được nối với một nguồn điện xoay chiều có điện áp 220 V và tần số 50 Hz. Một nam châm cực mạnh có hình trụ, có đường kính 10 cm và chiều dài 30 cm, được đặt vào bên trong ống dây dẫn. Khi nguồn điện được bật, dòng điện chạy qua dây dẫn tạo ra một từ trường xoay chiều xung quanh ống. Từ trường này cảm ứng một dòng điện khác trên bề mặt của nam châm, theo chiều ngược lại với dòng điện ban đầu. Dòng điện cảm ứng này tạo ra một lực đẩy nam châm ra khỏi ống, với một gia tốc rất lớn. Fuco đã đo được gia tốc của nam châm lên tới 1000 m/s2, tương đương với khoảng 100 lần trọng lực.

1.3. Thực hiện thí nghiệm tạo ra dòng điện Fuco như thế nào?

Để thực hiện thí nghiệm tạo ra dòng điện Fuco, ta có thể làm theo các bước sau:

– Chuẩn bị một đĩa kim loại quay quanh một trục không ma sát, một nam châm cực mạnh và một nhiệt kế.

– Quay đĩa kim loại và đo thời gian quay và nhiệt độ của đĩa.

– Đặt nam châm gần trục quay của đĩa kim loại và quan sát sự thay đổi của thời gian quay và nhiệt độ của đĩa.

– Giải thích kết quả thí nghiệm dựa trên nguyên lý của dòng điện Fuco.

Kết quả thí nghiệm:

– Khi không có nam châm, đĩa kim loại sẽ quay trong một khoảng thời gian dài và không bị nóng lên.

– Khi có nam châm, đĩa kim loại sẽ quay chậm lại và dừng lại nhanh hơn, đồng thời bị nóng lên.

– Điều này cho thấy khi có nam châm, từ trường của nam châm sẽ tạo ra lực Lorentz tác dụng lên các electron trong đĩa kim loại, làm cho chúng chuyển động xoáy và tạo ra dòng điện Fuco. Dòng điện này bị cản trở bởi điện trở của đĩa và sinh ra nhiệt lượng, làm giảm động năng của đĩa. Đồng thời, dòng điện này cũng tạo ra từ trường ngược lại với từ trường của nam châm, làm giảm từ thông qua đĩa và tạo ra lực cơ học phản kháng lại sự quay của đĩa.

2. Tính chất của dòng điện Fuco:

Dòng điện Fuco có tính chất xoáy và lực Lorentz là nguyên nhân sinh ra nó. Khi các hạt điện tích (electron) chuyển động tự do trong vật dẫn và chuyển động cùng vật dẫn. Trong từ trường sẽ ảnh hưởng với lực Lorentz do từ trường gây ra sẽ làm lệch quỹ đạo chuyển động. Điều này tạo ra một dòng điện xoáy trong vật dẫn, gọi là dòng điện Fuco. 

Dòng điện Fuco 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. 

3. Công thức tính dòng điện Fuco:

Ta xét trường hợp, Một vòng dây dẫn điện được đặt trong từ trường. Khi đó mức hiệu điện thế được tạo ra sẽ tỷ lệ với độ biến thiên từ thông trên vòng dây  

Theo như tích phân của định luật cảm ứng Faraday, ta có:

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

Khi có mức cường độ từ trường không biến thiên, B là bao phủ tiết diện cắt ngang của dây dẫn S thì có từ thông được tính bằng công thức:

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

Dòng điện Fuco có công thức là:

Còn nếu như từ trường biến đổi, dẫn đến Từ đó ta sẽ được công thức tính tổng quát của dòng điện Fuco như sau:

4. Tác hại của dòng điện Fuco:

Dòng điện Fuco là một loại dòng điện được sử dụng trong một số thiết bị y tế, như máy xung điện, máy điện cực kích thích và máy điện phân. Dòng điện Fuco có tần số cao (từ 100 kHz đến 10 MHz) và cường độ thấp (từ 1 mA đến 100 mA). Dòng điện Fuco có thể có tác dụng kích thích thần kinh, cơ bắp, mạch máu và tế bào, tạo ra các hiệu ứng sinh lý như giảm đau, tăng tuần hoàn, chống viêm, kích thích tái tạo mô và chống nhiễm trùng.

Tuy nhiên, dòng điện Fuco cũng có thể gây ra một số tác hại nếu sử dụng không đúng cách hoặc quá liều. Một số tác hại của dòng điện Fuco là:

– Gây kích ứng da, phỏng da hoặc viêm da nếu tiếp xúc với các điện cực quá lâu hoặc quá nóng.

– Gây co giật, run rẩy, liệt cơ hoặc rối loạn nhịp tim nếu dòng điện Fuco chạy qua các vùng nhạy cảm như não, tim, cổ họng hoặc mắt.

– Gây suy giảm thị lực, đục thủy tinh thể hoặc mù lòa nếu dòng điện Fuco tiếp xúc với mắt.

– Gây tổn thương nội tạng, chảy máu hoặc phù nề nếu dòng điện Fuco chạy qua các cơ quan như gan, thận, ruột hoặc tử cung.

– Gây dị ứng, sốc phản vệ hoặc ngộ độc nếu dòng điện Fuco gây phản ứng với các chất dị vật như kim loại, thuốc hoặc mỹ phẩm.

Do đó, khi sử dụng dòng điện Fuco, người bệnh cần tuân thủ các nguyên tắc sau:

– Chỉ sử dụng dòng điện Fuco theo chỉ định của bác sĩ và theo hướng dẫn của nhà sản xuất.

– Không sử dụng dòng điện Fuco nếu có bệnh lý tim mạch, não bộ, động kinh, mang thai, cho con bú hoặc có các thiết bị y tế như máy trợ tim, máy trợ thở hoặc máy tiêm insulin.

– Không sử dụng dòng điện Fuco trên các vùng da bị thương, viêm, nhiễm trùng hoặc có sẹo.

– Không sử dụng dòng điện Fuco trên các vùng da có nhiều lông, mồ hôi hoặc mỡ.

– Không sử dụng dòng điện Fuco trên các vùng da có xăm hình, xỏ khuyên hoặc đeo trang sức.

– Không sử dụng dòng điện Fuco quá lâu (không quá 30 phút mỗi lần) hoặc quá thường xuyên (không quá 3 lần mỗi tuần).

– Không sử dụng dòng điện Fuco quá cao (không quá 50 mA) hoặc quá thấp (không dưới 1 mA).

– Không để các điện cực tiếp xúc trực tiếp với nhau hoặc với các vật kim loại khác.

– Không để dòng điện Fuco tiếp xúc với nước hoặc các chất lỏng khác.

– Không sử dụng dòng điện Fuco khi đang ngủ, say xỉn, bị stress hoặc mệt mỏi.

– Không sử dụng dòng điện Fuco cho những thiết bị không tương thích với nó. Bạn cần kiểm tra kỹ thông số kỹ thuật của thiết bị trước khi kết nối với nguồn dòng điện Fuco.

– Không để dòng điện Fuco tiếp xúc với nước hoặc các chất dẫn điện khác. Điều này có thể gây ra ngắn mạch, cháy nổ hoặc giật điện.

– Không để trẻ em hoặc vật nuôi chơi đùa với dòng điện Fuco hoặc các thiết bị sử dụng nó. Bạn cần giữ các thiết bị ở nơi cao và khô ráo, xa tầm với của trẻ em và vật nuôi.

– Không sửa chữa hoặc thay đổi các thiết bị sử dụng dòng điện Fuco một cách tự ý. Bạn cần nhờ đến sự hỗ trợ của các chuyên gia hoặc nhà sản xuất khi gặp sự cố với các thiết bị này.

– Không quá tải dòng điện Fuco bằng cách kết nối quá nhiều thiết bị cùng một lúc. Bạn cần phân bổ hợp lý các thiết bị trên các ổ cắm khác nhau, tránh gây áp lực quá lớn cho nguồn dòng điện Fuco.

Nếu có bất kỳ triệu chứng bất thường nào khi sử dụng dòng điện Fuco, người bệnh cần ngừng sử dụng ngay và liên hệ với bác sĩ để được kiểm tra và điều trị kịp thời.

5. Ứng dụng của dòng điện Fuco:

– Luyện kim: Dòng điện Fuco được ứng dụng để nấu chảy kim loại trong môi trường chân không để tránh bị xảy ra các phản ứng hóa học với không khí xung quanh. Họ sẽ đặt kim loại vào lò và rút hết không khí ra, sử dụng dây quấn điện quanh lò. Khi dòng điện chạy qua dây quấn, nó sẽ tạo ra một từ trường biến đổi theo thời gian, làm cho các electron trong kim loại chuyển động và sinh ra dòng điện Fuco. Dòng điện này sẽ làm nóng kim loại và nấu chảy nó .

– Bếp từ: Một ứng dụng thường thấy nhất của dòng điện Fuco là chế tạo bếp từ. Bếp từ chỉ sử dụng được các loại nồi làm từ vật liệu có tính từ (sắt, thép, nhôm,…) còn inox sẽ không dùng được. Khi bật bếp, một cuộn dây điện bên trong bếp sẽ tạo ra một từ trường biến đổi theo thời gian. Khi đặt nồi lên bếp, từ trường này sẽ cắt ngang nồi và tạo ra dòng điện Fuco trong nồi. Dòng điện này sẽ làm nóng nồi và thức ăn bên trong .

– Phanh từ: Dòng điện Fuco cũng được ứng dụng trong phanh từ của các phương tiện giao thông như xe lửa, xe buýt, xe hơi,… Phanh từ là một thiết bị sử dụng từ trường để tạo ra lực cản cho phương tiện chuyển động. Khi phanh, một nam châm được kích hoạt và tạo ra một từ trường mạnh. Từ trường này sẽ cắt ngang các bánh xe của phương tiện và tạo ra dòng điện Fuco trong bánh xe. Dòng điện này sẽ làm giảm động năng của bánh xe và giúp phương tiện dừng lại.