Virvelström
Virvelström (även kallad Foucaults ström) förekommer, i enlighet med Faradays lag, där ett elektriskt ledande material, till exempel en metall, utsätts för varierande magnetiska fält. Den franske fysikern Léon Foucault (1819–1868) upptäckte att dessa inducerade strömmar var orsaken till värmeutveckling. Virvelströmmar kan utnyttjas till induktionshällar, bromsar, metallsortering, metalldetektorer, skärmning med mera. De förorsakar värmeförluster i elektriska motorer och transformatorer samt stör satellitbanor.
För att motverka virvelströmmar i transformatorkärnor byggs dessa upp i lager, med till exempel isolerande oxidskikt mellan varje laminat. Alternativet, att använda material med låg konduktivitet men hög permeabilitet som i ferritkärnor, leder till att den ohmska upphettningen av kärnan blir avsevärd. Denna teknik används för att smälta metall.
Virvelströmmar används även för icke-förstörande materialprovning. Metoden kan bland annat användas för att mäta ett materials eller skikts tjocklek och även för att hitta sprickor i elektriskt ledande material.
Historik
Den första personen att observera virvelströmmar var François Arago (1786–1853), presidenten för ministerrådet i Andra franska republiken under den korta perioden 10 maj till 24 juni 1848 (motsvarande den franska premiärministerns nuvarande position), som också var matematiker, fysiker och astronom. År 1824 observerade han vad som har kallats rotationsmagnetism, och att de flesta ledande kroppar kunde magnetiseras. Dessa upptäckter fullbordades och förklarades av Michael Faraday (1791–1867).
År 1834 angav Emil Lenz Lenz lag, som säger att riktningen för inducerad strömflöde i ett objekt kommer att vara sådan att dess magnetfält kommer att motverka förändringen av magnetiskt flöde som orsakade strömflödet. Virvelströmmar producerar ett sekundärt fält som tar bort en del av det yttre fältet och gör att en del av det externa flödet undviker ledaren.
Den franske fysikern Léon Foucault (1819–1868) tillskrivs att ha upptäckt virvelströmmar. I september 1855 upptäckte han att kraften som krävs för att rotera en kopparskiva blir större när den får den att rotera med sin kant mellan polerna på en magnet, samtidigt som skivan värms upp av virvelströmmen som induceras i metall. Den första användningen av virvelström för oförstörande testning inträffade 1879 när David E. Hughes använde principerna för att utföra metallurgiska sorteringstester.
Egenskaper
Virvelströmmar i ledare med resistivitet som inte är noll genererar värme såväl som elektromagnetiska krafter. Värmen kan användas för induktionsvärme. De elektromagnetiska krafterna kan användas för att levitera, skapa rörelse eller för att ge en stark bromseffekt. Virvelströmmar kan också ha oönskade effekter, till exempel effektbortfall i transformatorer. I denna tillämpning minimeras de med tunna plattor, genom laminering av ledare eller andra detaljer av ledarens form.
Självinducerade virvelströmmar är orsak till hudeffekten i ledare.[1] Den senare kan användas för oförstörande provning av material för geometriska egenskaper, som mikrosprickor.[2] En liknande effekt är närhetseffekten, som orsakas av externt inducerade virvelströmmar.[3]
Ett objekt eller en del av ett objekt upplever en stabil fältintensitet och riktning där det fortfarande finns relativ rörelse mellan fältet och objektet (till exempel i mitten av fältet i diagrammet), eller ostadiga fält där strömmarna inte kan cirkulera på grund av ledarens geometri. I dessa situationer samlas laddningar på eller inom objektet och dessa laddningar producerar sedan statiska elektriska potentialer som motverkar ytterligare ström. Strömmar kan initialt förknippas med skapandet av statiska potentialer, men dessa kan vara övergående och små.
Virvelströmmar genererar resistiva förluster som omvandlar vissa former av energi, såsom kinetisk energi, till värme. Denna Jouleuppvärmning minskar effektiviteten hos transformatorer med järnkärna och elmotorer och andra enheter som använder föränderliga magnetfält. Virvelströmmar minimeras i dessa enheter genom att välja magnetiska kärnmaterial som har låg elektrisk ledningsförmåga (till exempel ferriter eller järnpulver blandat med harts) eller genom att använda tunna ark av magnetiskt material, så kallade lamineringar. Elektroner kan inte passera det isolerande gapet mellan lamineringarna och kan därför inte cirkulera i breda bågar. Laddningar samlas vid lamineringsgränserna i en process som är analog med Halleffekten och producerar elektriska fält som motverkar ytterligare ackumulering av laddning och därmed undertrycker virvelströmmarna. Ju kortare avståndet är mellan intilliggande lamineringar (det vill säga ju större antal lamineringar per ytenhet, vinkelrätt mot det applicerade fältet), desto större dämpning av virvelströmmar.
Omvandlingen av ingående energi till värme är dock inte alltid oönskad, eftersom det finns några praktiska tillämpningar. Den ena sitter i bromsarna på vissa tåg som kallas virvelströmsbromsar. Vid inbromsning utsätts metallhjulen för ett magnetfält från en elektromagnet, vilket genererar virvelströmmar i hjulen. Denna virvelström bildas av hjulens rörelse och enligt Lenz' lag kommer magnetfältet som bildas av virvelströmmen att motsätta sig dess orsak. Således kommer hjulet att möta en kraft som motverkar den initiala rörelsen av hjulet. Ju snabbare hjulen snurrar, desto starkare blir effekten, vilket innebär att när tåget saktar ner minskas bromskraften, vilket ger en mjuk stopprörelse. Induktionsuppvärmning använder sig av virvelströmmar för att ge uppvärmning av metallföremål.
Se även
Referenser
- Den här artikeln är helt eller delvis baserad på material från engelskspråkiga Wikipedia, Eddy current, 28 november 2024.
- Cheng David K, Field and Wave Electromagnetics, Second Edition, Fourth Printing, 1991, USA & Canada
Noter
- ^ Israel D. Vagner; B.I. Lembrikov; Peter Rudolf Wyder (17 November 2003). Electrodynamics of Magnetoactive Media. Springer Science & Business Media. sid. 73–. ISBN 978-3-540-43694-2. https://books.google.com/books?id=E8caSplsF28C&pg=PA73
- ^ Walt Boyes (25 November 2009). Instrumentation Reference Book. Butterworth-Heinemann. sid. 570–. ISBN 978-0-08-094188-2. https://books.google.com/books?id=ZvscLzOlkNgC&pg=PA570
- ^ Howard Johnson; Howard W. Johnson; Martin Graham (2003). High-speed Signal Propagation: Advanced Black Magic. Prentice Hall Professional. sid. 80–. ISBN 978-0-13-084408-8. https://books.google.com/books?id=mMJxcWqm_1oC&pg=PA80
Vidare läsning
- Stoll, R. L. (1974). The Analysis of Eddy Currents. Oxford University Press
- Reitz, J. R. (1970). Forces on Moving Magnets due to Eddy Currents. Journal of Applied Physics 41, 2067-2071. https://doi.org/10.1063/1.1659166
- Krawczyk, Andrzej; J. A. Tegopoulos. Numerical Modelling of Eddy Currents
Externa länkar
Wikimedia Commons har media som rör virvelström.
- Eddy Current Separator Cogelme for non-ferrous metals separation – Information and video in Cogelme site
|
Media som används på denna webbplats
Författare/Upphovsman: Chetvorno, Licens: CC0
A diagram showing how a disk-type eddy current brake works. Eddy current brakes are used in power tools like circular saws to stop the blade quickly, and in electric meters. The brake consists of a spinning conductive metal disk (D) spinning counterclockwise in this example, whose surface is positioned between the poles of a magnet (N and S). The magnetic field (B, green) passing downward through the disk, induces circular electric currents (I, red), called eddy currents in the metal of the disk. At the leading edge of the magnet (left) the magnetic flux is increasing, so the eddy current is counterclockwise. At the trailing edge of the magnet (right) the magnetic flux is decreasing, so the eddy current is clockwise. Due to Lenz's law, the eddy currents create counter magnetic fields (blue) which oppose the magnetic field which created them. At the leading edge of the magnet (left), the counterfield is directed up, creating an opposing force between the advancing surface of the disk and the magnet. At the trailing edge (right) the counterfield is directed down, creating an attractive force between the departing surface of the disk and the magnet. Both these forces oppose the motion of the disk, acting as a drag force slowing it down. The kinetic energy of the disk's rotation is dissipated as heat by the eddy currents flowing through the resistance of the metal. In this drawing, in order to reveal the currents the North pole of the magnet is drawn some distance above the disk. In actual brakes the magnet's poles are located as close as possible to the disk.
Författare/Upphovsman: Chetvorno, Licens: CC0
Diagram of eddy currents (I, red) induced in conductive metal sheet (C) moving under a stationary magnet (N), showing the origin of the braking force The magnetic field lines (B, green) from the North pole of the magnet extend down through the sheet. The increasing field at the leading edge of the magnet (left) causes the currents to circle counterclockwise. Thus from Lenz's law they create their own magnetic field directed up (left blue arrow) which opposes the magnet's field, thus exerting a drag effect on the magnet. Similarly, at the trailing edge of the magnet (right) the decreasing magnetic field induces eddy currents that circle clockwise. This creates a magnetic field directed down (right blue arrow) which attracts the magnet, which also exerts a retarding force on the magnet.
Författare/Upphovsman: Chetvorno, Licens: CC0
Diagram showing the forces on an electron in a metal sheet moving to the right under a magnet , explaining eddy currents, and where the drag force on the sheet comes from. The red dot shows an electron in the metal under the magnet right after it has undergone a collision, and shows the same electron after it has been accelerated by the magnetic field. On average at the electron has the same velocity as the sheet (black arrow). in the direction. The magnetic field (, green arrow) of the magnet's North pole N is directed down in the direction. The magnetic field exerts a Lorentz force on the electron (pink arrow) of , where e is the electron's charge. Since the electron has a negative charge, from the right hand rule this is directed in the direction. At this force gives the electron a component of velocity in the sideways direction (. black arrow) The magnetic field acting on this sideways velocity, then exerts a Lorentz force on the particle of . From the right hand rule, this is directed in the , opposite to the velocity of the metal sheet. This force accelerates the electron giving it a component of velocity opposite to the sheet. Collisions of these electrons with the atoms of the sheet exert a drag force on the sheet.
Författare/Upphovsman: Chetvorno, Licens: CC0
Diagram showing how a laminated core in a transformer prevents power losses due to eddy currents. The drawing at left shows a solid iron transformer core. The alternating current in the transformer's winding (not shown) creates an alternating magnetic field (B, green arrows) within the transformer's steel core. Since the core is electrically conductive, the field induces circulating loops of electric current in the core (I, red lines) called eddy currents due to Faraday's law of induction, which flow in planes perpendicular to the field. The current flowing through the resistance of the core dissipates energy as heat, causing power losses. To reduce the power losses, instead of a solid core (left) many transformers use a laminated core (right). The core is made of a stack of thin steel laminations, with a nonconductive coating (C) on the surface. The eddy currents can't cross from one lamination to the next, so the only eddy currents that can flow must flow within the thickness of each individual lamination. Since the magnitude of the current is proportional to the area enclosed by the loop, this reduces the eddy currents greatly and thus the energy lost in the core.
In the diagram, the magnetic field B is shown in one direction; it actually reverses direction with each half-cycle of the alternating current. The eddy current is shown in the direction it flows during the first quarter of each cycle, when the current is increasing. In the second quarter of each half cycle, the eddy current reverses.