Hiệu ứng Joule-Lenz

Dòng điện xoay chiều (AC) và Từ trường biến thiên: Dòng điện AC liên tục thay đổi chiều và cường độ, tạo ra một từ trường biến thiên xung quanh nó.

Cảm ứng dòng điện xoáy Foucault: Theo định luật cảm ứng điện từ Faraday, từ trường biến thiên này sẽ cảm ứng một điện trường xoáy bên trong chính lõi của dây dẫn. Điện trường xoáy này sinh ra những dòng điện nhỏ, khép kín, được gọi là dòng điện xoáy Foucault.

Điện trở của vật dẫn: Bản thân vật liệu làm dây dẫn (thường là đồng hoặc nhôm) có điện trở suất nhất định. Khi các dòng điện xoáy Foucault này chạy bên trong vật liệu, chúng gặp phải điện trở của vật liệu.

Chuyển hóa năng lượng: Khi dòng điện xoáy Foucault chạy qua điện trở của vật liệu, một phần năng lượng điện của chúng sẽ được chuyển hóa thành nhiệt năng theo hiệu ứng Joule-Lenz. Nhiệt năng này làm nóng dây dẫn và gây ra tổn thất năng lượng.

Tăng tổn thất: Vì dòng điện AC chính bị dồn ra bề mặt (hiệu ứng da), diện tích hiệu dụng để truyền tải điện bị giảm. Do đó, điện trở hiệu dụng của dây dẫn tăng lên. Dòng điện xoáy Foucault và hiệu ứng da là nguyên nhân gốc rễ, làm tăng điện trở hiệu dụng, dẫn đến tổn thất nhiệt lớn hơn theo công thức P = I²R.

Nói cách khác, thay vì dòng điện chính truyền tải năng lượng hiệu quả, nó lại tự cảm ứng ra những "dòng điện ký sinh" (dòng Foucault) bên trong, và những dòng điện này lại tự tiêu hao năng lượng dưới dạng nhiệt.

Chuyển động của các electron tự do: Trong kim loại, có các electron tự do di chuyển ngẫu nhiên. Khi có dòng điện, một điện trường được thiết lập, đẩy các electron này di chuyển có hướng từ cực âm đến cực dương. Tuy nhiên, chuyển động này không phải là một dòng chảy trơn tru.

Va chạm: Khi các electron di chuyển có hướng, chúng liên tục va chạm với các nguyên tử, ion dương hoặc các khuyết tật trong cấu trúc tinh thể của vật dẫn.

Chuyển hóa năng lượng: Mỗi lần va chạm, một phần động năng của electron được truyền cho các nguyên tử của vật dẫn. Điều này làm các nguyên tử dao động mạnh hơn xung quanh vị trí cân bằng của chúng.