Anslut dig till vårt månatliga nyhetsbrev!

Virvelströmmar

Lär dig hur starka neodymmagneter kan framkalla virvelströmmar, vilket skapar elektromagnetiska krafter i metaller som aluminium och koppar som inte är ferromagnetiska (magneterna fastnar inte på dem).

Vad är virvelströmmar?

När en bra elektrisk ledare (som koppar eller aluminium) utsätts för ett föränderligt magnetfält induceras en ström i metallen, vilket brukar kallas en virvelström. Det kanske bästa sättet att förklara det är att visa dess effekter.

Demonstration #1, magneten i ett rör

Denna video visar den klassiska virvelströmsdemonstrationen, där en axialt magnetiserad magnet släpps ner i ett metallrör. I varje fall har koppar- eller aluminiumröret en innerdiameter som är något större än magnetens storlek. Vi använde DAA- och DEX0-magneter för dessa demonstrationer.

Grön, magnetisk visningsfilm som används i ovanstående video finns som vår MV43.

Vad händer?

När magneten faller genom röret ser röret ett förändrat magnetfält. Detta förändrade fält inducerar en ström som cirkulerar runt röret. Det är en stark ström som bara varar ett kort ögonblick när magneten passerar.

När du nu ser en ström som går runt i en cirkel på det sättet kan det påminna dig om en elektromagnet. Det vill säga, en ström som går runt i en cirkel på det sättet skapar ett magnetfält. I det här fallet är det magnetfält som skapas av dessa strömmar av elektricitet (överlag) i motsatt riktning mot magnetens magnetfält. Det magnetfält som skapas av virvelströmmen motsätter sig magnetens fält, ungefär på samma sätt som ett par repellerande magneter repellerar varandra.

Men medan gravitationen drar ner magneten, skapar virvelströmmarna ett magnetfält som motsätter sig rörelsen.

Samma begrepp, annan tillämpning

Har vi inte sett det här förut? Jo! Tänk på vår nyligen publicerade artikel som beskriver hur en Shake Flashlight fungerar. I den flyttade vi en magnet fram och tillbaka genom insidan av en trådspole.

Vad gäller virvelströmmar så bryr de sig inte om huruvida kopparmassan runt magneten är en solid klump, eller om det rör sig om en lindning av många varv av isolerad tråd – en ström produceras fortfarande i en cirkelrörelse i metallen.

Den enda skillnaden mellan dessa två situationer är att vi kunde koppla in ändarna av ficklampans tråd och använda strömmen för att driva en LED-lampa.

Demonstration nr 2, magnet på en plåt

Magneten som faller genom ett rör är ett klassiskt exempel, men vi är inte begränsade till den geometrin. Det finns många sätt att inducera strömmar i metall. Allt där magnetfältet vid en viss punkt i metallen förändras med magnetens rörelse fungerar.

En populär uppställning för virvelströmsbromsar är att ställa in två starka magneter med ett mellanrum mellan dem. Detta skapar ett starkt magnetfält mellan de två magneterna, som tidigare beskrivits i vår artikel Gap Calculator.

Om detta magnetpar placeras på vardera sidan av en snurrande skiva kommer de virvelströmmar som induceras i metallen att verka för att bromsa den. Den här bilden på Wikipedia är ett bra exempel.

En annan bra demonstration är en förenklad version: Låt en tunn magnetskiva glida längs en aluminiumplåt. Det fungerar på grund av samma principer som används med magneten i rördemonstrationen, men du kan se magneten hela tiden. Vi använde en DX02, 1″ diameter x 1/8″ tjock skivmagnet på en 2″ bred remsa av 1/8″ tjockt aluminium för den här demonstrationen.

Hur är virvelströmmar användbara

Från Wikipedia, virvelströmsbromsar på en berg-och-dalbanan

Vi har redan nämnt virvelströmsbromsar där det motsatta magnetfältet kan användas för att sakta ner något. Sådana bromsar används ofta på tåg och berg- och dalbanor. Bilden till höger är ett bra exempel på en sådan broms. En koppar- eller aluminiumplatta sticker ut från berg- och dalbanans vagn(er), som inte visas, och passerar mellan de visade magneterna. Om permanentmagneter används fungerar bromsen även om strömmen försvinner helt.

Eddy Current Material Separators kan användas för att separera metaller från icke-metalliskt skräp. Maskiner som använder denna metod kan till exempel användas för att separera aluminiumburkar från sopor.

Identifiering av metaller: Myntmaskiner som använder virvelströmmar används för att upptäcka falska mynt. Eftersom virvelströmmarna är annorlunda för ett äkta mynt jämfört med ett falskt mynt kan tillverkarna av automater använda detta för att säkerställa att mynten är äkta.

Eddy-Current Testing är en icke-förstörande testmetod för metaller, som kan användas för att upptäcka sprickor i metaller. Tänk i stil med att hitta utmattningssprickor i skiktet på ett flygplan eller värmeväxlarrör i ett kraftverk.

Induktionsuppvärmning: Elspisar med glasskiva använder sig av induktion för att värma upp din metallpanna eller gryta. Se den här sidan på Wikipedia som innehåller en snygg bild på en demonterad spisplatta, där man tydligt kan se den spole av koppartråd som används.

Hur är virvelströmmar inte så användbara

När en växelström flyter genom en tråd, flyter en stor del av strömmen i själva verket på ytan av tråden. Detta kallas vanligen för hudeffekt, men det orsakas egentligen av virvelströmmar. Med växelström i en tråd växlar strömmen fram och tillbaka. Detta innebär att de magnetfält som skapas av strömmen naturligtvis förändras. Detta skapar virvelströmmar i inne i ledningen, som står emot flödet av elektricitet.

Om det inte fanns några virvelströmmar skulle man kunna få mer ström genom en given ledning.

För ett annat exempel kan man tänka på en transformator. Virvelströmmar är ansvariga för att värma upp stålkärnan i en transformator, vilket beskrivs här.

Kan jag beräkna kraften hos virvelströmmar?

Nej, inte särskilt lätt. Vi får ofta den här frågan och önskar att vi hade ett enklare svar. Den kraft som du får från magneter som rör sig nära strukturer av koppar eller aluminium beror på många faktorer, bland annat:

• styrkan hos magnetfältet i metallen och storleken på förändringen av fältstyrkan. Detta påverkas av:
  • magnetens storlek och styrka: större, tjockare magneter ger starkare magnetfält, se Ytfält 101
  • magnetens (magneternas) position i förhållande till metalldelen, vilket har samband med fältstyrkan
• metalens form, tjocklek och geometri: tjockare rör gör att en magnet faller långsammare genom dem i de experiment som visas i videorna ovan
• magnetens/metallens hastighet: Snabbare ger mer kraft, upp till en viss punkt

Att räkna ut allt detta är definitivt inte trivialt. Även om vi har ett bra sätt att räkna ut magnetfältsstyrkan i området för en enskild magnet i det fria rummet (se vår magnetfältsräknare) är fallet med en magnet som faller genom ett rör mycket mer komplext. Den fallande magneten inducerar en ström i röret, vilket skapar ett eget motsatt fält i motsatt riktning. Att teoretiskt bestämma styrkan hos detta fält är skrämmande. Det är svårt att göra tumregler som gäller för alla situationer.

För att få svar på hur starka virvelströmmar är i din tillämpning kan du överväga att använda experimentella metoder, tredimensionell FEA (finita elementanalys) eller båda.