Vířivé proudy , neboli Foucaultovy proudy (na počest J. B. L. Foucaulta ) - vířivé [a] indukce [b] objemový elektrický proud [c] , vznikající v elektrických vodičích , když se v čase mění tok magnetického pole , který na ně působí .
Termín vířivý proud pochází z podobných jevů pozorovaných ve fluidních médiích v dynamice tekutin, což způsobuje lokalizované oblasti turbulence , známé jako víry a víry v médiu. Analogicky, vířivé proudy mohou nějakou dobu trvat, než se vytvoří a mohou přetrvávat ve vodičích po velmi krátkou dobu kvůli jejich indukčnosti.
Vířivé proudy poprvé objevil francouzský vědec D. F. Arago (1786-1853) v roce 1824 v měděném disku umístěném na ose pod rotující magnetickou jehlou. Díky vířivým proudům se disk dostal do rotace. Tento jev, nazývaný Aragoův jev, vysvětlil o několik let později M. Faraday z hlediska zákona elektromagnetické indukce, který objevil: rotující magnetické pole indukuje vířivé proudy v měděném disku, které interagují s magnetickou jehlou.
Vířivé proudy podrobně studoval francouzský fyzik Foucault (1819-1868) a pojmenoval je po něm. Foucault také objevil fenomén zahřívání kovových těles rotujících v magnetickém poli vířivými proudy - v září 1855 zjistil, že síla potřebná k otáčení měděného disku se zvětšuje, když je nucen otáčet jeho okraj mezi póly magnetu, zatímco disk samovolně zahřívá vířivý proud indukovaný v kovu disku.
Volné nosiče náboje ( elektrony ) v plechu se pohybují s plechem doprava, takže na ně magnetické pole působí boční silou v důsledku Lorentzovy síly. Protože vektor rychlosti v nábojů směřuje doprava a magnetické pole B směřuje dolů, podle gimletova pravidla je Lorentzova síla na kladné náboje F = q ( v × B ) směrem k zadní části diagramu (při pohledu vlevo ve směru jízdy v ). To indukuje proud I směrem dozadu pod magnetem, který se otáčí přes části plechu mimo magnetické pole, ve směru hodinových ručiček doprava a proti směru hodinových ručiček doleva, opět směrem k přední části magnetu. Mobilní nosiče náboje v kovu, elektrony , mají ve skutečnosti záporný náboj (q < 0), takže jejich pohyb je opačný než směr konvenčního znázorněného proudu.
Magnetické pole magnetu, působící na elektrony pohybující se do stran pod magnetem, pak vytváří zpětnou Lorentzovu sílu, opačnou k rychlosti plechu. Elektrony při srážce s atomy kovové mřížky přenášejí tuto sílu na plech a působí na plech odporovou silou úměrnou jeho rychlosti. Kinetická energie, která je potřebná k překonání této odporové síly, je rozptýlena jako teplo proudy protékajícími odporem kovu, takže kov přijímá teplo pod magnetem.
Foucaultovy proudy vznikají působením časově proměnlivého (střídavého) magnetického pole [d] a svou fyzikální podstatou se nijak neliší od indukčních proudů vznikajících ve vodičích a sekundárních vinutích elektrických transformátorů .
Foucaultovy proudy lze využít pro levitaci vodivých předmětů , pohyb nebo prudké brzdění .
Vířivé proudy mohou mít také nežádoucí účinky, jako jsou ztráty výkonu v transformátorech . V této aplikaci jsou minimalizovány použitím tenkých desek, laminování vodičů nebo jiných detailů tvaru vodiče. Protože elektrický odpor masivního [e] vodiče může být malý, síla indukčního elektrického proudu v důsledku Foucaultových proudů může dosáhnout extrémně vysokých hodnot. V souladu s Lenzovým pravidlem volí Foucaultovy proudy v objemu vodiče takovou cestu, aby působily proti příčině, která způsobuje jejich proudění v největší míře, což je zvláštní případ Le Chatelierova principu . Proto zejména dobré vodiče pohybující se v silném magnetickém poli zažívají silné zpomalení v důsledku interakce Foucaultových proudů s vnějším magnetickým polem. Tohoto efektu se využívá k tlumení pohyblivých částí galvanometrů, seismografů a dalších přístrojů bez použití tření a také u některých konstrukcí brzdových systémů železničních vlaků.
Samoindukované vířivé proudy jsou zodpovědné za kožní efekt ve vodičích [1] . Efekt kůže lze použít pro nedestruktivní testování materiálů na geometrické charakteristiky, jako jsou mikrotrhliny. [2]
Za určitých předpokladů (homogenní materiál, rovnoměrné magnetické pole, žádný kožní efekt atd.) lze ztrátu výkonu v důsledku vířivých proudů na jednotku hmotnosti pro tenký plech nebo drát vypočítat z následující rovnice [3] :
kde
P ztráta výkonu na jednotku hmotnosti (W/kg), B p maximální magnetické pole (T), d tloušťka plechu nebo průměr drátu (m), f frekvence (Hz), k je konstanta rovna 1 pro tenký plech a 2 pro tenký drát, ρ měrný odpor materiálu (Ω m), D je hustota materiálu (kg/m 3 ).Tato rovnice je platná pouze za takzvaných kvazistatických podmínek, kdy frekvence magnetizace nemá za následek kožní efekt; to znamená, že elektromagnetická vlna zcela pronikne materiálem.
Odvození užitečné rovnice pro modelování účinku vířivých proudů v materiálu začíná diferenciálem, magnetostatickou formou Ampérova zákona [4] , poskytující výraz pro magnetizační pole H hustoty okolního proudu J:
Tedy z Gaussova zákona pro magnetismus
Pomocí Ohmova zákona , , který dává do vztahu hustotu proudu J k elektrickému poli E z hlediska vodivosti materiálu σ, a za předpokladu izotropní rovnoměrné vodivosti lze rovnici napsat jako
Pomocí diferenciální formy Faradayova zákona dostaneme
Podle definice kde M je magnetizace materiálu a μ 0 je propustnost vakua. Difúzní rovnice má tedy tvar:
Tepelné působení Foucaultových proudů se využívá v indukčních pecích , kde je vodivé těleso umístěno v cívce napájené vysokofrekvenčním generátorem vysokého výkonu, ve kterém vznikají vířivé proudy, které jej zahřívají až k roztavení. Obdobně fungují indukční vařiče , u kterých je kovové nádobí ohříváno vířivými proudy vytvářenými střídavým magnetickým polem cívky umístěné uvnitř sporáku.
Testování vířivými proudy je jednou z metod nedestruktivního testování výrobků z vodivých materiálů. Pomocí Foucaultových proudů jsou kovové části vakuových instalací a rádiových trubic ohřívány pro jejich odplynění během evakuace.
V souladu s Lenzovým pravidlem proudí vířivé proudy uvnitř vodiče po takových drahách a směrech, aby jejich působení bylo co nejsilnější, aby odolalo příčině, která je způsobuje. Výsledkem je, že při pohybu v magnetickém poli na dobré vodiče působí brzdná síla způsobená interakcí vířivých proudů s magnetickým polem. Tento efekt je využíván v řadě zařízení pro tlumení vibrací jejich pohyblivých částí (Waltenhofenovo kyvadlo [5] )
Ve střídavém magnetickém poli indukované proudy vykazují diamagnetické odpudivé účinky. Na vodivý předmět bude působit odpudivá síla. Tento jev může zvedat předměty proti gravitaci, ale s konstantním příkonem pro kompenzaci energie rozptýlené vířivými proudy. Příkladem aplikace je separace hliníkových plechovek od jiných kovů v separátoru s vířivými proudy. Železné kovy ulpívají na magnetu, zatímco hliník (a jiné neželezné vodiče) jsou magnetem odpuzovány; to pomáhá rozdělit proud odpadu na železný a neželezný kovový šrot.
S velmi silným ručním magnetem, jako je ten vyrobený z neodymu, lze snadno pozorovat velmi podobný efekt tím, že magnet rychle přejedete po minci s malou mezerou. V závislosti na síle magnetu, identitě mince a vzdálenosti mezi magnetem a mincí je možné přinutit minci, aby mírně zatlačila před magnet – i když mince neobsahuje magnetické prvky jako např. americký cent. Dalším příkladem je pád silného magnetu v měděné trubce – magnet padá velmi pomalu [6] .
V bezodporovém supravodiči povrchové vířivé proudy přesně ruší pole uvnitř vodiče, takže vodičem neproniká žádné magnetické pole. Protože se v odporu neztrácí žádná energie, vířivé proudy generované, když se magnet přiblíží k vodiči, přetrvávají i poté, co je magnet nehybný, a mohou přesně vyrovnávat gravitační sílu, což umožňuje magnetickou levitaci. Supravodiče také vystavují neodmyslitelně oddělený kvantově mechanický jev nazývaný Meissnerův jev , ve kterém jsou jakékoli magnetické siločáry přítomné v materiálu, když se stane supravodivým, vytlačeny, takže magnetické pole v supravodiči je vždy nulové.
Pomocí elektromagnetů s elektronickým spínáním srovnatelným s elektronickou regulací otáček je možné vytvářet elektromagnetická pole pohybující se v libovolném směru. Jak je popsáno výše v části o brzdách s vířivými proudy, povrch neferomagnetického vodiče má tendenci spočívat v tomto pohyblivém poli. Když se však toto pole pohybuje, vozidlo může levitovat a pohybovat se. Je srovnatelný s maglev , ale není vázán na kolejnice [7] .
V mnoha případech mohou být Foucaultovy proudy nežádoucí. K boji proti nim jsou přijímána speciální opatření: aby se zabránilo energetickým ztrátám při ohřevu jader transformátorů , jsou tato jádra rekrutována z tenkých desek oddělených izolačními vrstvami (směs). Nástup feritů umožnil vyrábět tato jádra jako pevná jádra.
Slovníky a encyklopedie |
|
---|---|
V bibliografických katalozích |
|