Tilaa kuukausittainen uutiskirjeemme!

Pyörrevirrat

Opi, miten vahvat neodyymimagneetit voivat aiheuttaa pyörrevirtoja, jotka luovat sähkömagneettisia voimia metalleihin, kuten alumiiniin ja kupariin, jotka eivät ole ferromagneettisia (magneetit eivät tartu niihin).

Mitä ovat pyörrevirrat?

Kun hyvä sähköjohdin (kuten kupari tai alumiini) altistuu muuttuvalle magneettikentälle, metalliin indusoituu virta, jota kutsutaan yleisesti pyörrevirraksi. Ehkä paras tapa selittää se on näyttää sen vaikutukset.

Demonstraatio #1, magneetti putkessa

Tässä videossa näytetään klassinen pyörrevirtademonstraatio, jossa pudotetaan aksiaalisesti magnetoitunut magneetti metalliputkeen. Kussakin tapauksessa kupari- tai alumiiniputken sisähalkaisija on hieman suurempi kuin magneetin koko. Näissä demonstraatioissa käytimme DAA- ja DEX0-magneetteja.

Vihreä, yllä olevalla videolla käytetty magneettinen katselukalvo on saatavana MV43:na.

Mitä tapahtuu?

Kun magneetti putoaa putken läpi, putki näkee muuttuvan magneettikentän. Tämä muuttuva kenttä indusoi virran, joka kiertää putken ympäri. Se on voimakas virta, joka kestää vain lyhyen hetken magneetin kulkiessa ohi.

Nyt kun näet virran kiertävän ympyrää tuolla tavalla, se saattaa muistuttaa sinua sähkömagneetista. Eli tuollainen ympyrää kiertävä virta luo magneettikentän. Tässä tapauksessa näiden sähkövirtojen luoma magneettikenttä on (kaiken kaikkiaan) vastakkaiseen suuntaan kuin magneetin magneettikenttä. Pyörrevirran luoma magneettikenttä vastustaa magneetin magneettikenttää, samaan tapaan kuin pari toisiaan hylkivää magneettia hylkii toisiaan.

Mikäli painovoima vetää magneettia alaspäin, pyörrevirrat luovat magneettikentän, joka vastustaa liikettä.

Sama konsepti, erilainen sovellus

Emmekö ole nähneet tätä ennenkin? Kyllä! Miettikääpä äskettäistä artikkeliamme, jossa kuvataan Shake Flashlight -taskulampun toimintaa. Siinä liikutimme magneettia edestakaisin lankakelan sisäpuolella.

Pyörrevirroissa ei ole väliä sillä, onko tuo magneetin ympärillä oleva kuparimassa kiinteä kappale vai monista kierroksista eristettyä lankaa koostuva käämi – virta syntyy silti ympyräliikkeessä metallin sisällä.

Ainut ero näiden kahden tilanteen välillä on se, että pystyimme napauttamaan taskulampun langan päät ja käyttämään virran LED-valon virranlähteenä.

Demonstraatio #2, magneetti levyn päällä

Putken läpi putoava magneetti on klassinen esimerkki, mutta emme ole rajoittuneet tähän geometriaan. On monia tapoja indusoida virtoja metalliin. Mikä tahansa, jossa magneettikenttä muuttuu metallin tietyssä kohdassa magneetin liikkeen myötä, toimii.

Suosittu asetelma pyörrevirtajarruille on asettaa kaksi vahvaa magneettia, joiden välissä on rako. Tämä luo voimakkaan magneettikentän näiden kahden magneetin välille, kuten aiemmin on kuvattu Gap Calculator -artikkelissamme.

Jos tämä magneettipari asetetaan pyörivän levyn kummallekin puolelle, metalliin indusoituvat pyörrevirrat vaikuttavat sen hidastamiseen. Tämä Wikipediassa oleva kuva on hyvä esimerkki.

Toinen hyvä esittely on yksinkertaistettu versio: Anna ohuen levymagneetin liukua alumiinilevyä pitkin. Se toimii samojen periaatteiden takia, joita käytettiin magneetin kanssa putkidemossa, mutta magneetti näkyy koko ajan. Käytimme tässä demonstraatiossa DX02, halkaisijaltaan 1″ x 1/8″ paksuista kiekkomagneettia 2″ leveällä kaistaleella 1/8″ paksuista alumiinia.

Miten pyörrevirrat ovat hyödyllisiä

Wikipediasta, pyörrevirtajarrut vuoristoradalla

Mainitsimme jo pyörrevirtajarrutuksen, jossa vastakkaista magneettikenttää voidaan käyttää jonkin asian hidastamiseen. Tällaisia jarruja käytetään usein junissa ja vuoristoradoissa. Oikealla oleva kuva on hyvä esimerkki yhdestä tällaisesta jarrusta. Kupari- tai alumiinilevy työntyy ulos vuoristoradan vaunusta (vaunuista) (ei kuvassa) ja kulkee kuvassa olevien magneettien välistä. Jos käytetään kestomagneetteja, jarru toimii, vaikka virta katkeaisi kokonaan.

Eddy Current Material Separators -materiaalinerottimia voidaan käyttää metallien erottamiseen ei-metallisesta roskasta. Esimerkiksi tätä menetelmää käyttäviä koneita voidaan käyttää alumiinitölkkien erottamiseen roskista.

Metallien tunnistaminen: Kolikkoautomaatteja, jotka käyttävät pyörrevirtoja, käytetään väärennettyjen kolikoiden havaitsemiseen. Koska pyörrevirrat eroavat aidon kolikon ja väärennetyn kolikon välillä, myyntiautomaattien valmistajat voivat käyttää tätä apuna varmistuakseen siitä, että kolikot ovat aitoja.

Eddy-virtatestaus on metallien rikkomukseton testausmenetelmä, jota voidaan käyttää metallien halkeamien havaitsemiseen. Ajattele samansuuntaisesti väsymissäröjen löytämistä lentokoneen kuoresta tai voimalaitoksen lämmönvaihtimen putkista.

Induktiolämmitys: Sähköliedet, joissa on lasitaso, käyttävät induktiota metallipannun tai -padan lämmittämiseen. Katso tämä sivu Wikipediassa, jossa on siisti kuva puretusta liesitasosta, jossa näkyy selvästi käytetty kuparilankakela.

Miten pyörrevirrat eivät ole niin hyödyllisiä

Kun vaihtovirta kulkee johtimen läpi, suuri osa virrasta kulkee todellisuudessa johdon pinnalla. Tätä kutsutaan yleisesti ihovaikutukseksi, mutta se johtuu todellisuudessa pyörrevirroista. Kun vaihtovirta kulkee johdossa, virta vaihtuu edestakaisin. Tämä tarkoittaa, että virran synnyttämät magneettikentät tietenkin muuttuvat. Tämä synnyttää johtimessa pyörrevirtoja, jotka vastustavat sähkön kulkua.

Jos pyörrevirtoja ei olisi, voitaisiin saada enemmän virtaa tietyn johtimen läpi.

Toisesta esimerkistä mainittakoon muuntaja. Pyörrevirrat ovat vastuussa muuntajan terässydämen lämpenemisestä, kuten tässä on kuvattu.

Pystynkö laskemaan pyörrevirtojen voiman?

Ei, ei kovin helposti. Meiltä kysytään usein tätä kysymystä ja toivomme, että meillä olisi helpompi vastaus. Voima, jonka saat magneettien liikkuessa kupari- tai alumiinirakenteiden lähellä, riippuu monista tekijöistä, kuten:

• magneettikentän voimakkuudesta metallin sisällä ja kentän voimakkuuden muutoksen suuruudesta. Tähän vaikuttavat:
  • magneetin koko ja vahvuus: isommat ja paksummat magneetit tuottavat voimakkaampia magneettikenttiä, katso Pintakentät 101
  • magneetin (magneettien) sijainti suhteessa metalliosaan, joka liittyy kentän voimakkuuteen
• metallin muoto, paksuus ja geometria: paksummat putket saavat magneetin putoamaan hitaammin sen lävitse yllä olevissa videoissa esitetyissä kokeissa
• magneetin/metallin nopeus: Nopeampi johtaa suurempaan voimaan, tiettyyn pisteeseen asti

Kaiken tämän selvittäminen ei todellakaan ole triviaalia. Vaikka meillä on mukava tapa selvittää magneettikentän voimakkuus yksittäisen magneetin alueella vapaassa avaruudessa (katso Magneettikenttälaskuri), putken läpi putoavan magneetin tapaus on paljon monimutkaisempi. Putoava magneetti indusoi putkeen virran, joka luo oman vastakkaisen kentän vastakkaiseen suuntaan. Tämän kentän voimakkuuden määrittäminen teoreettisesti on hankalaa. On vaikea laatia nyrkkisääntöjä, jotka soveltuisivat kaikkiin tilanteisiin.

Voidaksesi löytää vastauksia pyörrevirtojen voimakkuudesta sovelluksessasi, harkitse kokeellisten menetelmien, kolmiulotteisen FEA:n (finiittisten elementtien analyysin) tai molempien käyttöä.