Přihlaste se k odběru našeho měsíčního zpravodaje!

Vířivé proudy

Poznejte, jak silné neodymové magnety mohou vyvolat vířivé proudy, které vytvářejí elektromagnetické síly v kovech, jako je hliník a měď, které nejsou feromagnetické (magnety se k nim nepřichytí).

Co jsou vířivé proudy?“

Když je dobrý elektrický vodič (například měď nebo hliník) vystaven měnícímu se magnetickému poli, indukuje se v kovu proud, který se běžně nazývá vířivý proud. Asi nejlepším způsobem, jak jej vysvětlit, je ukázat jeho účinky.

Demonstrace č. 1, magnet v trubici

Toto video ukazuje klasickou demonstraci vířivých proudů, kdy pouštíme osově zmagnetovaný magnet do kovové trubice. V každém případě má měděná nebo hliníková trubka vnitřní průměr o něco větší, než je velikost magnetu. Pro tyto demonstrace jsme použili magnety DAA a DEX0.

Zelená, magnetická prohlížecí fólie použitá ve výše uvedeném videu je k dispozici jako naše MV43.

Co se děje?“

Při pádu magnetu trubicí se v trubce mění magnetické pole. Toto měnící se pole indukuje proud, který krouží kolem trubice. Je to silný proud, který trvá jen krátký okamžik, kdy magnet prochází.

Když vidíte proud, který takto krouží, může vám to připomínat elektromagnet. To znamená, že proud, který takto obíhá v kruhu, vytváří magnetické pole. V tomto případě je magnetické pole vytvořené těmito elektrickými proudy (celkově) v opačném směru než magnetické pole magnetu. Magnetické pole vytvořené vířivými proudy působí proti poli magnetu, podobně jako se odpuzuje dvojice odpuzujících se magnetů.

Zatímco gravitace táhne magnet dolů, vířivé proudy vytvářejí magnetické pole, které se tomuto pohybu brání.

Stejný koncept, jiná aplikace

Neviděli jsme to už dříve? Ano! Vezměte si náš nedávný článek popisující fungování třesoucí se svítilny. V něm jsme pohybovali magnetem sem a tam vnitřkem cívky z drátu.

Co se týče vířivých proudů, je jim jedno, zda je ta masa mědi kolem magnetu celistvý kus, nebo obal z mnoha závitů izolovaného drátu – stále vzniká proud při kruhovém pohybu uvnitř kovu.

Jediný rozdíl mezi těmito dvěma situacemi je v tom, že jsme se mohli napojit na konce drátu baterky a použít proud k napájení světelné diody LED.

Demonstrace č. 2, magnet na plechu

Magnet padající trubkou je klasický příklad, ale nejsme omezeni na tuto geometrii. Existuje mnoho způsobů, jak indukovat proudy v kovu. Fungovat bude cokoli, kde se magnetické pole v určitém místě kovu mění s pohybem magnetu.

Oblíbeným uspořádáním pro brzdění vířivými proudy je nastavení dvou silných magnetů s mezerou mezi nimi. Tím se mezi oběma magnety vytvoří silné magnetické pole, jak již bylo popsáno v našem článku Výpočet mezery.

Pokud je tato dvojice magnetů umístěna na obou stranách rotujícího disku, vířivé proudy indukované v kovu budou působit na jeho zpomalení. Tento obrázek na Wikipedii je dobrým příkladem.

Další dobrou ukázkou je zjednodušená verze: Nechte tenký kotoučový magnet klouzat po hliníkovém plechu. Funguje to díky stejným principům, jaké byly použity při demonstraci magnetu v trubici, ale magnet je po celou dobu vidět. Pro tuto demonstraci jsme použili diskový magnet DX02 o průměru 1″ x tloušťce 1/8″ na 2″ širokém pásu hliníku o tloušťce 1/8″.

Jak jsou vířivé proudy užitečné

Z Wikipedie: Brzdy vířivými proudy na horské dráze

Již jsme se zmínili o brzdách vířivými proudy, kdy lze využít opačného magnetického pole ke zpomalení něčeho. Takové brzdy se často používají u vlaků a horských drah. Na obrázku vpravo je dobrý příklad jedné takové brzdy. Z vozu (vozů) horské dráhy vyčnívá měděná nebo hliníková deska, která není zobrazena, a prochází mezi zobrazenými magnety. Pokud jsou použity permanentní magnety, brzda funguje i při úplné ztrátě výkonu.

Eddy Current Material Separators can be used to separate metals from non-metal garbage. Stroje využívající tuto metodu lze například použít k oddělení hliníkových plechovek od odpadků.

Identifikace kovů: Automaty na mince využívají vířivé proudy k detekci padělaných mincí. Protože se vířivé proudy liší u pravé mince od falešné, mohou je výrobci prodejních automatů využít k tomu, aby se ujistili, že mince jsou pravé.

Testování vířivými proudy je nedestruktivní metoda testování kovů, kterou lze použít k odhalení trhlin v kovech. Představte si, že jde o vyhledávání únavových trhlin v plášti letadla nebo v trubkách výměníku tepla v elektrárně.

Indukční ohřev: Elektrické sporáky se skleněnou deskou používají k ohřevu kovové pánve nebo hrnce indukci. Viz tato stránka na Wikipedii, která obsahuje úhledný obrázek rozebrané varné desky, na němž je jasně vidět použitá cívka z měděného drátu.

Jak nejsou vířivé proudy tak užitečné

Když vodičem protéká střídavý proud, velká část proudu ve skutečnosti teče na povrchu vodiče. Běžně se tomu říká skinův efekt, ale ve skutečnosti ho způsobují vířivé proudy. Při střídavém proudu ve vodiči se proud střídá tam a zpět. To znamená, že magnetická pole vytvářená tímto proudem se samozřejmě mění. Tím vznikají uvnitř vodiče vířivé proudy, které kladou odpor toku elektřiny.

Pokud by vířivé proudy neexistovaly, mohli byste daným vodičem protékat více proudu.

Jiným příkladem je transformátor. Vířivé proudy jsou zodpovědné za zahřívání ocelového jádra transformátoru, jak je popsáno zde.

Můžu vypočítat sílu vířivých proudů?

Ne, ne příliš snadno. Tuto otázku nám pokládají často a my bychom si přáli, abychom na ni měli snadnější odpověď. Síla, kterou získáte při pohybu magnetů v blízkosti měděných nebo hliníkových konstrukcí, závisí na mnoha faktorech, včetně:

• síly magnetického pole uvnitř kovu a velikosti změny intenzity pole. Tu ovlivňuje:
  • velikost a síla magnetu: větší a silnější magnety vytvářejí silnější magnetické pole, viz Povrchová pole 101
  • poloha magnetu (magnetů) vzhledem ke kovové části, která souvisí se silou pole
• tvar, tloušťka a geometrie kovu: tlustší trubky způsobují, že magnet jimi propadá pomaleji v pokusech ukázaných na videích výše
• rychlost magnetu/kovu: Rychlejší má za následek větší sílu až do určitého bodu

Vyřešit to všechno rozhodně není triviální. Zatímco máme pěkný způsob, jak zjistit intenzitu magnetického pole v oblasti jednoho magnetu ve volném prostoru (viz naše kalkulačka magnetického pole), případ magnetu padajícího trubkou je mnohem složitější. Padající magnet indukuje v trubce proud, který vytváří opačné pole v opačném směru. Teoretické určení intenzity tohoto pole je náročné. Je těžké stanovit pravidla, která by platila pro každou situaci.

Chcete-li najít odpovědi na otázky týkající se síly vířivých proudů ve vaší aplikaci, zvažte použití experimentálních metod, trojrozměrné analýzy metodou konečných prvků (FEA) nebo obojího.