Thả một viên nam châm neodymium mạnh vào trong ống đồng, một điều kỳ lạ sẽ xảy ra. Đồng là kim loại không bị nam châm hút, vậy mà nam châm lại rơi xuống chậm rãi như đang đi qua mật ong. Như thể có một thứ gì đó vô hình đang giữ nam châm lại. Thứ đó chính là “dòng điện xoáy (Eddy Current)”.
Nói đơn giản, dòng điện xoáy là “dòng điện cuộn thành hình xoáy bên trong vật dẫn như kim loại do từ trường biến thiên”. Nó được đặt tên theo những xoáy nước hình thành khi dòng nước chảy vòng qua tảng đá, và còn được gọi là dòng Foucault theo tên nhà vật lý người Pháp đã nghiên cứu sâu hiện tượng này.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu nguyên lý hình thành dòng điện xoáy, rắc rối mà nó gây ra trong máy biến áp, cùng những công dụng của nó trong phanh, bếp từ và kiểm tra kim loại.
Xoáy điện bên trong kim loại: Nguyên lý và ứng dụng của dòng điện xoáy
Dòng điện xoáy là gì?
Khi từ trường quanh một vật dẫn thay đổi, bên trong vật dẫn sẽ xuất hiện suất điện động cảm ứng, tức là lực đẩy dòng điện. Đây là hiện tượng cảm ứng điện từ do Michael Faraday phát hiện năm 1831. Nếu là dây dẫn, dòng điện sẽ chạy theo một đường cố định, nhưng bên trong một tấm hay khối kim loại rộng, dòng điện không có lối đi định sẵn mà cứ quay vòng theo những vòng nhỏ. Dòng điện quay vòng bên trong kim loại như vậy chính là dòng điện xoáy.
Dòng điện xoáy xuất hiện khi nam châm chuyển động cạnh kim loại, khi kim loại đi qua từ trường, hoặc khi cường độ từ trường liên tục thay đổi như với dòng điện xoay chiều. Từ trường càng mạnh, biến thiên càng nhanh và kim loại dẫn điện càng tốt thì dòng điện xoáy càng mạnh.
Để dễ hình dung, hãy tưởng tượng cảnh nhúng một cây gậy vào mặt ao yên tĩnh rồi khuấy. Ở mỗi chỗ cây gậy đi qua, nước cuộn thành những xoáy nhỏ, và cây gậy cảm nhận được lực cản của nước. Các electron trong kim loại cũng bị “cây gậy” từ trường biến thiên khuấy thành xoáy, và những xoáy đó lại quay ngược lại giữ chặt chuyển động của nam châm.
Về mặt lịch sử, năm 1824, nhà khoa học người Pháp François Arago lần đầu quan sát thấy kim la bàn bị kéo theo khi ở gần một đĩa đồng đang quay. Tiếp đó, năm 1855, Léon Foucault xác nhận rằng khi quay một đĩa đồng giữa các nam châm, đĩa trở nên khó quay hơn nhiều và nóng lên.
Lực chống lại sự thay đổi: Định luật Lenz
Chiều chạy của dòng điện xoáy tuân theo một quy tắc rõ ràng. Đó là định luật Lenz, do nhà vật lý Heinrich Lenz, người làm việc tại Đế quốc Nga, đúc kết năm 1834.
- Định luật Lenz (Lenz’s Law): Dòng điện cảm ứng chạy theo chiều chống lại sự biến thiên của từ trường đã sinh ra nó.
- Lực cản (Drag Force): Kết quả là giữa nam châm và kim loại xuất hiện một lực làm chậm chuyển động của nhau.
- Tỏa nhiệt (Joule Heating): Do điện trở của kim loại, năng lượng của dòng điện biến thành nhiệt.
Viên nam châm trong ống đồng cũng có thể được giải thích như vậy. Khi nam châm rơi, từ trường tăng lên ở thành ống phía dưới nam châm và giảm đi ở thành ống phía trên. Khi đó, dòng điện xoáy hình thành trong thành ống: phía dưới đẩy nam châm ra, phía trên kéo nam châm lại. Cuối cùng, động năng của nam châm thoát ra dưới dạng nhiệt làm ống ấm lên một chút, và nam châm rơi chậm. Nếu bỏ cùng viên nam châm đó vào ống nhựa, vì dòng điện không thể chạy nên nó sẽ rơi thẳng xuống.
Khi dòng điện xoáy trở thành rắc rối
Dòng điện xoáy không phải lúc nào cũng được hoan nghênh. Bên trong máy biến áp, động cơ điện và máy phát điện có lõi sắt mà từ trường trong đó liên tục thay đổi do dòng điện xoay chiều. Nếu lõi là một khối liền, dòng điện xoáy lớn sẽ quay vòng bên trong, làm hao phí điện năng thành nhiệt và khiến máy nóng lên. Hiện tượng này được gọi là tổn hao dòng điện xoáy.
(1) Cắt mỏng rồi xếp chồng
Vì vậy, lõi máy biến áp được làm bằng cách xếp chồng nhiều tấm thép silic mỏng có phủ lớp màng cách điện. Do dòng điện không thể đi từ tấm này sang tấm kia, các xoáy bị chia nhỏ và tổn hao giảm mạnh. Về lý thuyết, tổn hao dòng điện xoáy tỉ lệ với bình phương độ dày tấm, nên nếu làm tấm mỏng đi một nửa thì tổn hao giảm còn khoảng một phần tư. Đó là lý do các tấm thép trong máy biến áp thực tế mỏng hơn 1 milimét rất nhiều.
(2) Dùng vật liệu khó dẫn điện
Trong các thiết bị điện tử xử lý tần số cao, người ta làm lõi bằng vật liệu như ferrite, vốn dễ nhiễm từ nhưng lại khó dẫn điện, để ngăn dòng điện xoáy. Vì tổn hao dòng điện xoáy tăng nhanh khi tần số tăng, thiết bị có tần số càng cao thì việc chọn vật liệu như vậy càng quan trọng.
Những công nghệ cố ý tận dụng dòng điện xoáy
Ngược lại, cũng có nhiều công nghệ biến lực cản và nhiệt của dòng điện xoáy thành thứ hữu ích.
(1) Phanh không cần chạm
Phanh dòng điện xoáy làm giảm tốc độ bằng cách cho một tấm kim loại đi qua giữa các nam châm. Vì không có ma sát nên hầu như không có bộ phận nào bị mòn, do đó nó được dùng trong tàu lượn siêu tốc, một số tàu cao tốc, phanh phụ của xe tải lớn và để dừng nhanh lưỡi cưa đĩa điện. Tuy nhiên, tốc độ càng chậm thì lực phanh càng yếu, và nó không thể giữ một vật đã dừng đứng yên, nên được dùng cùng với phanh ma sát.
(2) Bếp từ làm nóng trực tiếp nồi
Bếp từ cho dòng điện biến đổi nhanh chạy qua cuộn dây để tạo ra dòng điện xoáy ở đáy nồi. Đây là nguyên lý giúp chính chiếc nồi nóng lên mà không cần ngọn lửa. Vì vậy, những chiếc nồi có đáy làm từ chất liệu bị nam châm hút như sắt là phù hợp nhất.
(3) Đôi mắt phân loại kim loại
Máy bán hàng tự động loại bỏ đồng xu giả dựa vào mức độ đồng xu chậm lại khi lăn qua cạnh nam châm, còn nhà máy tái chế dùng dòng điện xoáy để hất lon nhôm ra, tách khỏi các loại rác khác. Phương pháp kiểm tra dòng điện xoáy, giúp tìm ra những vết nứt nhỏ trên cánh máy bay hay đường ống mà không cần tháo rời, cũng dùng cùng nguyên lý. Nếu bên trong kim loại có vết nứt, đường đi của các xoáy bị chặn lại khiến dòng chảy thay đổi, và thiết bị kiểm tra sẽ bắt được thay đổi nhỏ đó.
(4) Cảm biến đo rung động
Bên cạnh những trục quay nhanh như tua-bin trong nhà máy điện, người ta lắp cảm biến tiệm cận sử dụng dòng điện xoáy. Chỉ cần khoảng cách giữa trục và cảm biến thay đổi một chút là cường độ dòng điện xoáy đã thay đổi, nên có thể theo dõi cả những rung động nhỏ cỡ 0,1 milimét mà không cần chạm vào.
Dòng điện xoáy là sự kháng cự nhỏ của kim loại trước từ trường biến thiên. Bên trong máy móc, nó là rắc rối ngốn năng lượng, nhưng khi hiểu được nguyên lý, nó trở thành công cụ đáng tin cậy giúp tạo ra phanh không mòn, nấu ăn nhanh và kiểm tra chính xác.
Hiểu trước bản chất của lực vô hình rồi khôn ngoan lựa chọn ngăn chặn hay tận dụng nó, đó chính là bước đầu tiên trong việc học vật lý trong đời sống.
