Teken in voor onze maandelijkse nieuwsbrief!

Wervelstromen

Leer hoe sterke neodymium magneten wervelstromen kunnen opwekken, waardoor elektromagnetische krachten ontstaan in metalen als aluminium en koper die niet ferromagnetisch zijn (magneten blijven er niet aan kleven).

Wat zijn wervelstromen?

Wanneer een goede elektrische geleider (zoals koper of aluminium) wordt blootgesteld aan een wisselend magnetisch veld, wordt in het metaal een stroom opgewekt, die wervelstroom wordt genoemd. De beste manier om dit uit te leggen is misschien wel om de effecten ervan te laten zien.

Demonstratie #1, de magneet in een buis

Deze video toont de klassieke wervelstroomdemonstratie, waarbij een axiaal gemagnetiseerde magneet door een metalen buis naar beneden wordt gelaten. In elk geval, heeft de koperen of aluminiumbuis een binnendiameter lichtjes groter dan de grootte van de magneet. Voor deze demonstraties zijn DAA- en DEX0-magneten gebruikt.

De groene, magnetische kijkfilm die in bovenstaande video is gebruikt, is verkrijgbaar als onze MV43.

Wat gebeurt er?

Terwijl de magneet door de buis valt, ziet de buis een veranderend magnetisch veld. Dit veranderende veld induceert een stroom die rond de buis cirkelt. Het is een sterke stroom die maar even duurt als de magneet passeert.

Nu, als je zo’n stroom in een cirkel ziet rondgaan, doet dat je misschien denken aan een elektromagneet. Dat wil zeggen, een stroom die in zo’n cirkel rondgaat, creëert een magnetisch veld. In dit geval is het magnetisch veld dat door deze elektrische stromen wordt opgewekt (in het algemeen) tegengesteld aan het magnetisch veld van de magneet. Het magnetisch veld van de wervelstroom werkt het veld van de magneet tegen, zoals een paar elkaar afstotende magneten elkaar afstoten.

Terwijl de zwaartekracht de magneet naar beneden trekt, creëren de wervelstromen een magnetisch veld dat zich tegen de beweging verzet.

Hetzelfde concept, andere toepassing

Hebben we dit niet eerder gezien? Jawel! Kijk eens naar ons recente artikel over de werking van een schudlamp. Daarin bewogen we een magneet heen en weer door de binnenkant van een draadspoel.

Wat wervelstromen betreft, maakt het niet uit of die massa koper rond de magneet een massief brok is, of een wikkel van vele windingen geïsoleerde draad – er wordt nog steeds een stroom geproduceerd in een cirkelvormige beweging binnen het metaal.

Het enige verschil tussen deze twee situaties is dat we de uiteinden van de draad van de zaklamp hebben kunnen aftappen en de stroom hebben kunnen gebruiken om een LED-lampje van stroom te voorzien.

Demonstratie #2, magneet op een plaat

De magneet die door een buis valt is een klassiek voorbeeld, maar we zijn niet beperkt tot die geometrie. Er zijn vele manieren om stromen in metaal te induceren. Alles waarbij het magnetisch veld op een bepaald punt in het metaal verandert door de beweging van de magneet zal werken.

Een populaire opstelling voor wervelstroomremmen is het plaatsen van twee sterke magneten met een spleet ertussen. Dit creëert een sterk magnetisch veld tussen de twee magneten, zoals eerder beschreven in ons Gap Calculator artikel.

Als dit magneetpaar aan weerszijden van een draaiende schijf wordt geplaatst, zullen de wervelstromen die in het metaal worden opgewekt, werken om het metaal af te remmen. Dit plaatje op Wikipedia is een goed voorbeeld.

Een andere goede demonstratie is een vereenvoudigde versie: Laat een dunne schijfmagneet langs een aluminiumplaat glijden. Het werkt op grond van dezelfde principes als de magneet in een buisdemo, maar je kunt de magneet de hele tijd zien. We gebruikten een DX02, 1″ diameter x 1/8″ dikke schijfmagneet op een 2″ brede strook van 1/8″ dik aluminium voor deze demonstratie.

Hoe zijn wervelstromen nuttig

Van Wikipedia, wervelstroomremmen op een achtbaan

We hadden het al over wervelstroomremmen, waarbij het tegengestelde magnetische veld kan worden gebruikt om iets af te remmen. Dergelijke remmen worden vaak gebruikt op treinen en achtbanen. De foto rechts is een goed voorbeeld van zo’n rem. Een koperen of aluminium plaat steekt uit de achtbaanwagen(s), niet afgebeeld, en gaat tussen de afgebeelde magneten door. Als permanente magneten worden gebruikt, werkt de rem zelfs bij een volledig verlies van vermogen.

Eddy Current Material Separators kunnen worden gebruikt om metalen van niet-metaalhoudend afval te scheiden. Machines die deze methode gebruiken, kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt om aluminium blikjes van afval te scheiden.

Identificatie van metalen: Munten bediende automaten maken gebruik van wervelstromen worden gebruikt om valse munten op te sporen. Omdat de wervelstromen voor een echte munt anders zijn dan voor een valse, kunnen makers van automaten dit gebruiken om er zeker van te zijn dat de munten echt zijn.

Eddy-Current Testing is een niet-destructieve testmethode voor metalen, die kan worden gebruikt om scheuren in metalen op te sporen. Denk aan het vinden van vermoeiingsscheuren in de huid van een vliegtuig, of warmtewisselaarbuizen in een elektriciteitscentrale.

Inductieverwarming: De elektrische fornuizen met een glazen bovenblad gebruiken inductie om uw metalen pan of pot te verhitten. Zie deze pagina op Wikipedia die een mooie foto bevat van een gedemonteerd fornuis, waarop duidelijk de gebruikte spoel van koperdraad te zien is.

Hoe zijn wervelstromen niet zo nuttig

Wanneer een wisselstroom door een draad stroomt, stroomt een groot deel van de stroom in werkelijkheid aan het oppervlak van de draad. Dit wordt gewoonlijk het skin-effect genoemd, maar het wordt eigenlijk veroorzaakt door wervelstromen. Bij wisselstroom in een draad wisselt de stroom heen en weer. Dit betekent dat de magnetische velden die door die stroom worden gecreëerd, natuurlijk veranderen. Hierdoor ontstaan wervelstromen in de draad, die de stroom tegenhouden.

Als wervelstromen niet bestonden, zou je meer stroom door een bepaalde draad kunnen krijgen.

Voor een ander voorbeeld: kijk eens naar een transformator. Wervelstromen zijn verantwoordelijk voor het opwarmen van de stalen kern van een transformator, zoals hier beschreven.

Kan ik de kracht van wervelstromen berekenen?

Nee, niet erg gemakkelijk. Deze vraag wordt ons vaak gesteld, en wij zouden willen dat wij een gemakkelijker antwoord hadden. De kracht die u krijgt van magneten die in de buurt van koperen of aluminium constructies bewegen, hangt af van vele factoren, waaronder:

• de sterkte van het magnetisch veld in het metaal, en de grootte van de verandering van de veldsterkte. Dit wordt beïnvloed door:
  • de grootte en sterkte van de magneet: grotere, dikkere magneten produceren sterkere magnetische velden, zie Surface Fields 101
  • de positie van de magneet(s) ten opzichte van het metalen onderdeel, die verband houdt met de veldsterkte
• de vorm, dikte en geometrie van het metaal: dikkere buizen zorgen ervoor dat een magneet er langzamer doorheen valt in de experimenten die in de video’s hierboven te zien zijn
• de snelheid van de magneet/metaal: Sneller geeft meer kracht, tot op zekere hoogte

Het is zeker niet triviaal om dit allemaal uit te zoeken. Terwijl we een aardige manier hebben om de magnetische veldsterkte in het gebied van een enkele magneet in de vrije ruimte uit te rekenen (zie onze Magnetic Field Calculator), is het geval van een magneet die door een pijp valt veel complexer. De vallende magneet induceert een stroom in de pijp, die zelf een tegengesteld veld in de tegengestelde richting opwekt. De sterkte van dat veld theoretisch bepalen is ontmoedigend. Het is moeilijk vuistregels te maken die voor elke situatie gelden.

Om uitsluitsel te krijgen over de sterkte van wervelstromen in uw toepassing, kunt u overwegen experimentele methoden te gebruiken, driedimensionale FEA (Finite Element Analysis), of beide.