Zapisz się do naszego miesięcznego biuletynu!

Prądy wirowe

Dowiedz się, jak silne magnesy neodymowe mogą indukować prądy wirowe, tworząc siły elektromagnetyczne w metalach takich jak aluminium i miedź, które nie są ferromagnetyczne (magnesy nie będą się do nich przyklejać).

Co to są prądy wirowe?

Gdy dobry przewodnik elektryczny (jak miedź lub aluminium) jest wystawiony na działanie zmiennego pola magnetycznego, w metalu indukuje się prąd, powszechnie nazywany prądem wirowym. Być może najlepszym sposobem wyjaśnienia tego zjawiska jest pokazanie jego efektów.

Demonstracja #1, magnes w rurze

Ten film pokazuje klasyczną demonstrację prądów wirowych, zrzucając osiowo namagnesowany magnes w dół metalowej rury. W każdym przypadku, miedziana lub aluminiowa rurka ma średnicę wewnętrzną nieco większą niż rozmiar magnesu. Do tych demonstracji użyliśmy magnesów DAA i DEX0.

Zielona, magnetyczna folia widokowa użyta w powyższym filmie jest dostępna jako nasz MV43.

Co się dzieje?

Jak magnes spada przez rurkę, rurka widzi zmieniające się pole magnetyczne. To zmieniające się pole indukuje prąd, który krąży wokół rurki. Jest to silny prąd, który trwa tylko przez krótką chwilę, gdy magnes przechodzi.

Teraz, gdy widzisz prąd płynący po okręgu w ten sposób, może ci to przypominać elektromagnes. To znaczy, prąd płynący po okręgu w ten sposób tworzy pole magnetyczne. W tym przypadku, pole magnetyczne wytwarzane przez prądy elektryczne jest (ogólnie rzecz biorąc) w kierunku przeciwnym do pola magnetycznego magnesu. Pole magnetyczne wytworzone przez prądy wirowe przeciwstawia się polu magnesu, podobnie jak para odpychających się magnesów odpycha się wzajemnie.

Podczas gdy grawitacja ciągnie magnes w dół, prądy wirowe wytwarzają pole magnetyczne, które przeciwstawia się temu ruchowi.

Ta sama koncepcja, inne zastosowanie

Czy nie widzieliśmy tego wcześniej? Tak! Weźmy pod uwagę nasz ostatni artykuł opisujący działanie latarki Shake Flashlight. Przesuwaliśmy w nim magnes tam i z powrotem przez wnętrze zwoju drutu.

Jeśli chodzi o prądy wirowe, to nie ma znaczenia, czy masa miedzi wokół magnesu jest litym kawałkiem, czy też zawiniętym w wiele zwojów izolowanym drutem – prąd jest nadal wytwarzany w ruchu okrężnym wewnątrz metalu.

Jedyną różnicą pomiędzy tymi dwoma sytuacjami jest to, że byliśmy w stanie podłączyć się do końcówek drutu latarki i użyć prądu do zasilania diody LED.

Demonstracja #2, magnes na kartce

Magnes spadający przez rurkę jest klasycznym przykładem, ale nie jesteśmy ograniczeni do tej geometrii. Istnieje wiele sposobów na indukowanie prądów w metalu. Wszystko, gdzie pole magnetyczne w danym punkcie metalu zmienia się wraz z ruchem magnesu będzie działać.

Popularnym ustawieniem dla hamulców wiroprądowych jest ustawienie dwóch silnych magnesów z przerwą między nimi. To tworzy silne pole magnetyczne pomiędzy dwoma magnesami, jak opisano wcześniej w naszym artykule Gap Calculator.

Jeśli ta para magnesów jest umieszczona po obu stronach wirującego dysku, prądy wirowe indukowane w metalu będą działać, aby go spowolnić. Ten obrazek w Wikipedii jest dobrym przykładem.

Inną dobrą demonstracją jest uproszczona wersja: Niech cienki magnes dyskowy ślizga się wzdłuż blachy aluminiowej. Działa to na tej samej zasadzie co magnes w demie rurowym, ale magnes jest widoczny przez cały czas. Do tej demonstracji użyliśmy magnesu dyskowego DX02 o średnicy 1″ i grubości 1/8″ na pasku aluminium o szerokości 2″ i grubości 1/8″.

Jak prądy wirowe są użyteczne

Z Wikipedii, hamulce wiroprądowe na kolejce górskiej

Wspominaliśmy już o hamulcach wiroprądowych, gdzie przeciwne pole magnetyczne może być użyte do spowolnienia czegoś. Takie hamulce są często używane w pociągach i kolejkach górskich. Zdjęcie po prawej stronie jest dobrym przykładem jednego z takich hamulców. Miedziana lub aluminiowa płytka wystaje z wagonika (wagoników) kolejki górskiej, nie pokazana na zdjęciu, i przechodzi pomiędzy pokazanymi magnesami. Jeśli używane są magnesy stałe, hamulec działa nawet przy całkowitej utracie mocy.

Eddy Current Material Separators mogą być używane do oddzielania metali od niemetalowych śmieci. Na przykład, maszyny wykorzystujące tę metodę mogą być używane do oddzielania puszek aluminiowych od śmieci.

Identyfikacja metali: Automaty vendingowe obsługujące monety wykorzystują prądy wirowe są używane do wykrywania fałszywych monet. Ponieważ prądy wirowe są różne dla prawdziwej monety i fałszywej, producenci automatów mogą wykorzystać to do upewnienia się, że monety są prawdziwe.

Badanie wiroprądowe jest nieniszczącą metodą testowania metali, która może być używana do wykrywania pęknięć w metalach. Pomyśl o znalezieniu pęknięć zmęczeniowych w skórze samolotu lub rurach wymiennika ciepła w elektrowni.

Ogrzewanie indukcyjne: Kuchenki elektryczne ze szklanym blatem wykorzystują indukcję do podgrzewania metalowej patelni lub garnka. Zobacz tę stronę w Wikipedii, która zawiera zgrabne zdjęcie zdemontowanej płyty kuchennej, wyraźnie pokazujące zastosowaną cewkę z drutu miedzianego.

Jak prądy wirowe nie są tak użyteczne

Gdy prąd zmienny przepływa przez przewód, duża część prądu tak naprawdę płynie na powierzchni przewodu. Jest to powszechnie określane jako efekt naskórkowości, ale tak naprawdę jest to spowodowane przez prądy wirowe. W przypadku prądu zmiennego w przewodzie, prąd płynie tam i z powrotem. Oznacza to, że pola magnetyczne wytwarzane przez ten prąd oczywiście się zmieniają. Powoduje to powstawanie w przewodzie prądów wirowych, które stawiają opór przepływowi prądu elektrycznego.

Gdyby nie było czegoś takiego jak prądy wirowe, można by uzyskać więcej prądu przez dany przewód.

Jeszcze inny przykład, rozważ transformator. Prądy wirowe są odpowiedzialne za nagrzewanie się stalowego rdzenia transformatora, jak opisano tutaj.

Czy mogę obliczyć siłę prądów wirowych?

Nie, niezbyt łatwo. Często zadaje się nam to pytanie i chcielibyśmy mieć łatwiejszą odpowiedź. Siła, jaką uzyskuje się z magnesów poruszających się w pobliżu konstrukcji miedzianych lub aluminiowych zależy od wielu czynników, w tym:

• natężenia pola magnetycznego w metalu oraz wielkości zmiany natężenia pola. Ma na to wpływ:
  • rozmiar i siła magnesu: większe, grubsze magnesy wytwarzają silniejsze pola magnetyczne, patrz Pola powierzchniowe 101
  • położenie magnesu(ów) względem części metalowej, co odnosi się do natężenia pola
• kształt, grubość i geometria metalu: grubsze rury sprawiają, że magnes spada przez nie wolniej w eksperymentach pokazanych w filmach powyżej
• prędkość magnesu/metalu: Szybciej skutkuje większą siłą, aż do pewnego momentu

Odgadnięcie tego wszystkiego zdecydowanie nie jest trywialne. Podczas gdy mamy dobry sposób na obliczenie natężenia pola magnetycznego w obszarze pojedynczego magnesu w wolnej przestrzeni (zobacz nasz Kalkulator Pola Magnetycznego), przypadek magnesu spadającego przez rurę jest o wiele bardziej złożony. Spadający magnes indukuje prąd w rurze, który wytwarza własne pole w przeciwnym kierunku. Wyznaczenie natężenia tego pola teoretycznie jest trudne. Trudno jest opracować zasady, które będą miały zastosowanie w każdej sytuacji.

Aby znaleźć odpowiedzi na temat natężenia prądów wirowych w danym zastosowaniu, należy rozważyć zastosowanie metod eksperymentalnych, trójwymiarowej analizy elementów skończonych (MES) lub obu tych metod.