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Eddy Currents (Foucault’s Currents)

1851
  • Léon Foucault
Eddy current brake system in an industrial setting demonstrating electromagnetism applications.

(Immagine generata a solo scopo illustrativo)

Eddy currents are loops of electrical current induced within bulk conductors by a changing magnetic field, in accordance with Faraday’s law. They flow in closed loops in planes perpendicular to the magnetic field. Following Lenz’s law, these currents create their own magnetic field that opposes the change in the external flux, causing a repulsive or drag force and resistive heating.

Quando un conduttore metallico solido si muove attraverso un campo magnetico o è esposto a un campo variabile nel tempo, gli elettroni liberi al suo interno subiscono una Lorentz force, provocandone la circolazione. Queste correnti vorticose sono chiamate correnti parassite. La loro intensità è proporzionale all'intensità del campo magnetico, all'area delle spire e alla velocità di variazione del flusso, e inversamente proporzionale alla resistività del materiale. La potenza dissipata sotto forma di calore (P = I²R) può essere considerevole, un effetto sfruttato nel riscaldamento a induzione.

In many applications, such as transformer and motor cores, eddy currents are undesirable as they represent a significant energy loss (core loss). To mitigate this, the cores are constructed from thin, laminated sheets of a ferromagnetic material like silicon steel, with each sheet electrically insulated from the next. This lamination breaks up the large conductive paths, forcing the eddy currents into much smaller, higher-resistance loops, thereby drastically reducing the energy lost to heat.

UNESCO Nomenclature: 2205
– Electricity and magnetism

Tipo

Physical Phenomenon

Interruzione

Revolutionary

Utilizzo

Uso diffuso

Precursori

  • Faraday’s law of induction
  • Lenz’s law
  • Ohm’s law
  • Scoperta della forza di Lorentz

Applicazioni

  • Freni a correnti parassite nei treni e nelle montagne russe
  • riscaldamento a induzione per forni e piani cottura
  • metal detector
  • prove non distruttive dei materiali
  • smorzamento negli indicatori meccanici
  • sensori di prossimità

Brevetti:

NA

Idee e potenziali innovazioni

  • contactless viscosità measurement for industrial fluids
  • propulsione basata su correnti parassite per piccoli veicoli sottomarini
  • pentole autoriscaldanti con modelli di correnti parassite integrati
  • sistemi di levitazione magnetica che utilizzano la repulsione controllata delle correnti parassite
  • monitoraggio non invasivo del flusso sanguigno attraverso correnti indotte
  • trattamento del cancro con ipertermia mirata utilizzando nanoparticelle e correnti parassite
  • sistemi di smorzamento attivi per macchinari di precisione
  • sistemi basati sulle correnti parassite per il rilevamento di monete contraffatte
  • material ordinamento systems that differentiate alloys based on conductivity
  • ingranaggi magnetici ad alta coppia e senza contatto
Related to: Eddy currents, Foucault’s currents, induction heating, Eddy current brake, non-destructive testing, Lenz’s law, Faraday’s law, electromagnetism, resistive heating, Léon Foucault.

Contesto storico

Chemist conducting experiments with catalysts in a vintage laboratory setting, 1850.

Catalizzatore in equilibrio chimico

Un catalizzatore aumenta la velocità sia della reazione diretta che di quella inversa in egual misura, fornendo un percorso di reazione alternativo con un'energia di attivazione inferiore. Sebbene un catalizzatore consenta a un sistema di raggiungere l'equilibrio molto più rapidamente, non modifica la posizione dell'equilibrio stesso. Le concentrazioni di equilibrio di reagenti e prodotti, e il valore della costante di equilibrio K, rimangono invariati.
19th-century chemist measuring gas volumes illustrating the Ideal Gas Law in thermodynamics.

Legge dei gas ideali (forma molare)

The ideal gas law is the equation of state for a hypothetical ideal gas, approximating the behavior of many gases under various conditions. The molar form relates pressure ([latex]P[/latex]), volume ([latex]V[/latex]), amount of substance in moles ([latex]n[/latex]), and absolute temperature ([latex]T[/latex]) via the universal gas constant ([latex]R[/latex]): [latex]PV = nRT[/latex].
Laboratory apparatus for measuring vapor pressure and temperature in thermodynamics.

Relazione di Clausius-Clapeyron

The Clausius-Clapeyron relation describes the relationship between pressure and temperature for a substance at a phase transition, such as liquid and vapor. For water vapor, it shows that saturation vapor pressure increases exponentially with temperature. The approximate form is [latex]\frac{dp}{dT} = \frac{L}{T(V_v - V_l)} \approx \frac{L p}{R_v T^2}[/latex], where L is latent heat.

Eddy Currents (Foucault’s Currents)

Thermodynamic laboratory with Peltier and Seebeck apparatus illustrating Kelvin relations.

Relazioni Kelvin (Thomson)

The Kelvin relations are two equations that thermodynamically link the three thermoelectric coefficients: the first relation connects the Peltier coefficient ([latex]\Pi[/latex]) to the Seebeck coefficient ([latex]S[/latex]) via absolute temperature ([latex]T[/latex]): [latex]Pi = S \cdot T[/latex]. The second relates the Thomson coefficient ([latex]\mathcal{K}[/latex]) to the temperature derivative of the Seebeck coefficient: [latex]\mathcal{K} = T \frac{dS}{dT}[/latex].
Lead-acid battery with lead and lead dioxide electrodes in sulfuric acid electrolyte, electrochemistry.

Batteria al piombo-acido

La batteria al piombo-acido è la prima batteria ricaricabile, inventata da Gaston Planté nel 1859. Funziona utilizzando un anodo di piombo (Pb) e un catodo di biossido di piombo (PbO₂) immersi in un elettrolita di acido solforico (H₂SO₄). Durante la scarica, entrambi gli elettrodi si convertono in solfato di piombo (PbSO₄), un processo che si inverte durante la carica, consentendo l'accumulo e il riutilizzo dell'energia.
Laboratory setup illustrating the Maxwell-Faraday Equation in electromagnetism.

Equazione di Maxwell-Faraday

This is the differential form of Faraday's law of induction, one of Maxwell's four equations. It states that a time-varying magnetic field ([latex]\mathbf{B}[/latex]) always accompanies a spatially varying, non-conservative electric field ([latex]\mathbf{E}[/latex]). The relationship is expressed as [latex]\nabla \times \mathbf{E} = -\frac{\partial \mathbf{B}}{\partial t}[/latex]. This equation governs how changing magnetic fields create electric fields at a specific point in space.
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Engineers designing an efficient heat engine in a laboratory, illustrating thermodynamics applications.

Seconda legge della termodinamica

La Seconda Legge introduce il concetto di entropia e definisce la direzione dei processi spontanei. Può essere enunciata in diversi modi, ma una conseguenza fondamentale è che l'entropia totale di un sistema isolato non può mai diminuire nel tempo. Questa legge spiega la "freccia del tempo" e perché i processi sono irreversibili, come il calore che fluisce spontaneamente da un corpo caldo a uno freddo.
Laboratory scene illustrating thermodynamic experiments on the Perfect Gas Model.

Il modello del gas perfetto

A perfect gas is a theoretical model of a gas where intermolecular forces are neglected and specific heat capacities ([latex]C_P[/latex] and [latex]C_V[/latex]) are assumed to be constant with respect to temperature. This simplifies thermodynamic calculations significantly. It is a specific case of the ideal gas, where specific heats can vary with temperature, making it a more constrained model.
19th-century laboratory scene with Ludwig Boltzmann studying the Ideal Gas Law in statistical thermodynamics.

Legge dei gas ideali (forma statistica)

The statistical mechanics formulation of the ideal gas law expresses the relationship in terms of the microscopic properties of the gas. It relates pressure ([latex]P[/latex]) and volume ([latex]V[/latex]) to the total number of particles ([latex]N[/latex]) and the absolute temperature ([latex]T[/latex]) through the Boltzmann constant ([latex]k_B[/latex]): [latex]PV = Nk_BT[/latex].
Current-carrying conductor experiment demonstrating Thomson Effect in thermoelectricity.

Effetto Thomson

The Thomson effect describes the heating or cooling of a current-carrying conductor when a temperature gradient exists along its length. Heat is produced or absorbed when current flows through a material with a temperature gradient. The rate of heat production per unit length is given by [latex]\frac{dQ}{dx} = -\mathcal{K} J \frac{dT}{dx}[/latex], where [latex]\mathcal{K}[/latex] is the Thomson coefficient.
Laboratory apparatus demonstrating the Joule-Thomson effect in thermodynamics.

Joule-Thomson Effect

The Joule-Thomson (or Joule-Kelvin) effect describes the temperature change of a real gas when it is forced through a valve or porous plug while kept insulated (an isenthalpic process). At a given pressure, a gas has an inversion temperature. If expanded below this temperature, it cools; if expanded above it, it heats up. This cooling effect is a cornerstone of modern refrigeration and liquefaction.
Lead-acid battery with lead anode and lead dioxide cathode in a historical lab setting.

Chimica delle batterie al piombo-acido

La prima batteria ricaricabile di successo commerciale. Utilizza un anodo di piombo (Pb), un catodo di biossido di piombo (PbO₂) e un elettrolita di acido solforico (H₂SO₄). Durante la scarica, entrambi gli elettrodi vengono convertiti in solfato di piombo (PbSO₄) e l'acido solforico viene consumato. Questo processo è chimicamente reversibile applicando una corrente esterna, rendendolo un sistema di accumulo di energia pratico e robusto.
Laboratory setup for measuring molar volume of gas in physical chemistry experiments.

Volume molare di un gas

Una conseguenza diretta della legge di Avogadro è il concetto di volume molare: una mole di qualsiasi gas ideale a una temperatura e pressione specificate occupa un volume fisso. A temperatura e pressione standard (STP), definite come 273,15 K (0 °C) e 1 atm, questo volume è di circa 22,4 litri. Questo principio semplifica la stechiometria consentendo la conversione diretta tra volume di gas e moli.
Laboratory scene focused on electric motor design utilizing Gauss's Law for Magnetism.

Gauss’s Law for Magnetism

One of the four Maxwell's equations, Gauss's law for magnetism states that the net magnetic flux out of any closed surface is zero. This is expressed mathematically as [latex]\oint_S \vec{B} \cdot d\vec{A} = 0[/latex]. This law is a statement of the experimental observation that magnetic monopoles (isolated north or south poles) have never been detected. Magnetic field lines always form closed loops.

(se la data è sconosciuta o non rilevante, ad esempio "meccanica dei fluidi", viene fornita una stima approssimativa della sua notevole comparsa)

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