Curenți turbionari

Curenți turbionari , sau curenți Foucault (în onoarea lui J. B. L. Foucault ) - eddy [a] inducție [b] curent electric volumetric [c] , care apar în conductorii electrici atunci când fluxul câmpului magnetic care acționează asupra lor se modifică în timp .

Originea termenului

Termenul de curent turbionar provine de la fenomene similare observate în mediile fluide în dinamica fluidelor, provocând zone localizate de turbulență , cunoscute sub numele de turbulențe , și turbulențe în mediu. Prin analogie, curenții turbionari pot dura să se acumuleze și pot persista în conductori pentru o perioadă foarte scurtă de timp datorită inductanței lor.

Istorie

Curenții turbionari au fost descoperiți pentru prima dată de omul de știință francez D. F. Arago (1786-1853) în 1824 într-un disc de cupru situat pe o axă sub un ac magnetic rotativ. Din cauza curenților turbionari, discul a intrat în rotație. Acest fenomen, numit fenomen Arago, a fost explicat câțiva ani mai târziu de către M. Faraday din punctul de vedere al legii inducției electromagnetice pe care a descoperit-o: un câmp magnetic rotativ induce curenți turbionari într-un disc de cupru care interacționează cu un ac magnetic.

Curenții turbionari au fost studiați în detaliu de către fizicianul francez Foucault (1819-1868) și i-au numit după el. Foucault a descoperit, de asemenea, fenomenul de încălzire a corpurilor metalice care se rotesc într-un câmp magnetic prin curenți turbionari - în septembrie 1855 a descoperit că forța necesară pentru a roti un disc de cupru devine mai mare atunci când acesta este forțat să-și rotească marginea între polii unui magnet, în timp ce discul se încălzește spontan curentul turbionar indus în metalul discului.

Explicarea fenomenului

Purtătorii de sarcină liberi ( electroni ) dintr-o foaie de metal se mișcă cu foaia spre dreapta, astfel încât câmpul magnetic exercită asupra lor o forță laterală datorită forței Lorentz. Deoarece vectorul viteză v al sarcinilor este îndreptată spre dreapta și câmpul magnetic B îndreptat în jos, de la regula brațelor , forța Lorentz asupra sarcinilor pozitive F = q ( v × B ) este spre partea din spate a diagramei (stânga când este văzută). în sensul de mers v ). Aceasta induce un curent I spre spate sub magnet, care se rotește peste părțile foii din afara câmpului magnetic, în sensul acelor de ceasornic spre dreapta și în sens invers acelor de ceasornic spre stânga, din nou spre partea din față a magnetului. Purtătorii de sarcină mobili dintr-un metal, electronii , au de fapt o sarcină negativă (q < 0), deci mișcarea lor este opusă direcției curentului convențional prezentat.

Câmpul magnetic al magnetului, care acționează asupra electronilor care se mișcă lateral sub magnet, creează apoi o forță Lorentz înapoi, opusă vitezei foii de metal. Electronii, la ciocnirea cu atomii unei rețele metalice, transferă această forță pe foiță, exercitând asupra foii o forță de rezistență proporțională cu viteza acesteia. Energia cinetică necesară pentru a depăși această forță de rezistență este disipată sub formă de căldură de curenții care trec prin rezistența metalului, astfel încât metalul primește căldură sub magnet.

Curenții Foucault apar sub acțiunea unui câmp magnetic (alternant) variabil în timp [d] și , prin natura lor fizică, nu diferă în niciun fel de curenții de inducție care apar în fire și înfășurări secundare ale transformatoarelor electrice .

Proprietăți

Curenții Foucault pot fi utilizați pentru levitația obiectelor conductoare , mișcarea sau frânarea puternică .

Curenții turbionari pot avea, de asemenea, efecte nedorite, cum ar fi pierderile de putere în transformatoare . În această aplicație, acestea sunt minimizate prin utilizarea plăcilor subțiri, laminarea conductorului sau alte detalii de formă a conductorului. Deoarece rezistența electrică a unui conductor masiv [e] poate fi mică, puterea curentului electric inductiv datorată curenților Foucault poate atinge valori extrem de mari. În conformitate cu regula lui Lenz , curenții lui Foucault în volumul unui conductor aleg o astfel de cale încât să contracareze cauza care îi face să curgă în cea mai mare măsură, ceea ce este un caz special al principiului lui Le Chatelier . Prin urmare, în special, conductoarele bune care se mișcă într-un câmp magnetic puternic experimentează o decelerare puternică din cauza interacțiunii curenților Foucault cu un câmp magnetic extern. Acest efect este utilizat pentru a amortiza părțile mobile ale galvanometrelor, seismografelor și altor instrumente fără frecare, precum și în unele modele ale sistemelor de frânare ale trenurilor feroviare.

Curenții turbionari auto-induși sunt responsabili pentru efectul pielii în conductori [1] . Efectul pielii poate fi utilizat pentru testarea nedistructivă a materialelor pentru caracteristici geometrice, cum ar fi microfisurile. [2]

Disiparea puterii prin curenți turbionari

În anumite ipoteze (material omogen, câmp magnetic uniform, fără efect de piele etc.), pierderea de putere datorată curenților turbionari pe unitatea de masă pentru o foaie subțire sau un fir poate fi calculată din următoarea ecuație [3] :

P={\frac {\pi ^{2}B_{\text {p))^{\,2}d^{2}f^{2)} {6k\rho D)),

Unde

P pierdere de putere pe unitatea de masă (W/kg), B p câmp magnetic maxim (T), d grosimea tablei sau diametrul firului (m), frecvența f (Hz), k este o constantă egală cu 1 pentru foaia subțire și 2 pentru sârmă subțire, ρ rezistivitatea materialului (Ω m), D este densitatea materialului (kg/m3 ) .

Această ecuație este valabilă numai în așa-numitele condiții cvasi-statice, unde frecvența magnetizării nu are ca rezultat un efect de piele; adică unda electromagnetică pătrunde complet în material.

Ecuația de difuzie

Derivarea unei ecuații utile pentru modelarea efectului curenților turbionari într-un material începe cu diferența, forma magnetostatică a legii lui Ampère [4] , oferind o expresie pentru câmpul de magnetizare H al densității curentului ambiental J:

\nabla \times \mathbf {H} =\mathbf {J} .

{\color {alb}-}\nabla \left(\nabla \cdot \mathbf {H} \right)-\nabla ^{2}\mathbf {H} =\nabla \times \mathbf {J} .

Din legea lui Gauss pentru magnetism , atunci $\nabla \cdot \mathbf {H} =0$

-\nabla ^{2}\mathbf {H} =\nabla \times \mathbf {J} .

Folosind legea lui Ohm , , care leagă densitatea de curent J de câmpul electric E în termeni de conductivitate materialului σ și presupunând conductivitatea uniformă izotropă, ecuația poate fi scrisă ca $\mathbf {J} =\sigma \mathbf {E}$

-\nabla ^{2}\mathbf {H} =\sigma \nabla \times {\boldsymbol {E)).

Folosind forma diferențială a legii lui Faraday , obținem $\nabla \times \mathbf {E} =-\partial \mathbf {B} /\partial t$

{\color {alb}-}\nabla ^{2}\mathbf {H} =\sigma {\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t)).

Prin definiție , unde M este magnetizarea materialului și μ 0 este permeabilitatea la vid. Astfel, ecuația de difuzie ia forma: $\mathbf {B} =\mu _{0}(\mathbf {H} +\mathbf {M} )$

{\color {alb}-}\nabla ^{2}\mathbf {H} =\mu _{0}\sigma \left({\frac {\partial \mathbf {M} }{\partial t ))+{\frac {\partial \mathbf {H} }{\partial t))\right).

Aplicație

Acțiunea termică a curenților Foucault este utilizată în cuptoarele cu inducție , unde un corp conductor este plasat într-o bobină alimentată de un generator de mare putere de înaltă frecvență, în care apar curenți turbionari, încălzindu-l până la topire. Aragazele cu inducție funcționează într-un mod similar , în care ustensilele metalice sunt încălzite de curenți turbionari creați de un câmp magnetic alternativ al unei bobine situate în interiorul aragazului.

Testarea cu curenți turbionari este una dintre metodele de testare nedistructivă a produselor realizate din materiale conductoare. Cu ajutorul curenților Foucault, piesele metalice ale instalațiilor de vid și tuburile radio sunt încălzite pentru degazarea lor în timpul evacuării.

Sisteme de frânare

În conformitate cu regula lui Lenz , curenții turbionari curg în interiorul conductorului de-a lungul unor astfel de căi și direcții, astfel încât acțiunea lor să fie cât mai puternică pentru a rezista cauzei care îi provoacă. Ca urmare, atunci când se deplasează într-un câmp magnetic, conductorii buni sunt afectați de o forță de frânare cauzată de interacțiunea curenților turbionari cu un câmp magnetic. Acest efect este utilizat într-un număr de dispozitive pentru amortizarea vibrațiilor părților lor mobile (pendul Waltenhofen [5] )

Levitație și efecte repulsive

Într-un câmp magnetic alternativ, curenții induși prezintă efecte repulsive asemănătoare diamagnetice. Un obiect conductiv va experimenta o forță de respingere. Acest fenomen poate ridica obiecte împotriva gravitației, dar cu o putere constantă de intrare pentru a compensa energia disipată de curenții turbionari. Un exemplu de aplicație este separarea cutiilor de aluminiu de alte metale într-un separator cu curenți turbionari. Metalele feroase se agață de magnet, în timp ce aluminiul (și alți conductoare neferoase) sunt respinse de magnet; aceasta ajută la separarea fluxului de deșeuri în deșeuri feroase și neferoase.

Cu un magnet de mână foarte puternic, cum ar fi unul din neodim, se poate observa cu ușurință un efect foarte similar, trecând rapid magnetul peste monedă cu un spațiu mic. În funcție de puterea magnetului, de identitatea monedei și de distanța dintre magnet și monedă, este posibil să forțați moneda să împingă ușor înaintea magnetului - chiar dacă moneda nu conține elemente magnetice precum banul SUA. Un alt exemplu este căderea unui magnet puternic într-un tub de cupru - magnetul cade foarte încet [6] .

Într-un supraconductor fără rezistență, curenții turbionari de suprafață anulează exact câmpul din interiorul conductorului, astfel încât niciun câmp magnetic nu pătrunde în conductor. Deoarece nu se pierde energie în rezistență, curenții turbionari generați atunci când un magnet se apropie de un conductor persistă chiar și după ce magnetul este staționar și pot echilibra exact forța gravitației, permițând levitația magnetică. Supraconductorii prezintă, de asemenea, un fenomen mecanic cuantic separat în mod inerent numit efectul Meissner , în care orice linii de câmp magnetic prezente într-un material atunci când devine supraconductiv sunt forțate să iasă, astfel încât câmpul magnetic dintr-un supraconductor este întotdeauna zero.

Folosind electromagneți cu comutare electronică comparabilă cu controlul electronic al vitezei, este posibil să se creeze câmpuri electromagnetice care se mișcă într-o direcție arbitrară. După cum este descris mai sus în secțiunea despre frânele cu curent turbionar, suprafața unui conductor neferomagnetic tinde să se odihnească în acest câmp în mișcare. Cu toate acestea, atunci când acest câmp se mișcă, vehiculul se poate levita și se poate mișca. Este comparabil cu maglev , dar nu este legat de șine [7] .

În multe cazuri, curenții Foucault pot fi nedoriți. Pentru combaterea lor se iau măsuri speciale: pentru a preveni pierderile de energie pentru încălzirea miezurilor transformatoarelor , aceste miezuri sunt recrutate din plăci subțiri separate prin straturi izolatoare (amestecare). Apariția feritelor a făcut posibilă fabricarea acestor miezuri ca miezuri solide.

Note

↑ Termenul vortex înseamnă că liniile de forță curente sunt închise.
↑ Inducția se numește curent electric creat (indus) într-un conductor datorită interacțiunii conductorului cu un câmp magnetic (electromagnetic) care variază în timp și nu datorită acțiunii surselor de curent și a EMF (celule galvanice etc.) incluse în întreruperea circuitului.
↑ Termenul de curenți este adesea folosit la plural, deoarece curenții Foucault reprezintă un curent electric în volumul unui conductor și, spre deosebire de curentul inductiv din înfășurarea secundară a unui transformator, este dificil de precizat un singur „circuit electric” pentru curent, singura traiectorie închisă a mișcării sarcinilor electrice în grosimea conductorului.
↑ Strict vorbind - sub influența unui câmp electromagnetic alternant
↑ Adică având o suprafață mare a secțiunii transversale

Surse

↑ Israel D. Vagner. Electrodinamica mediilor magnetoactive / Israel D. Vagner, B.I. Lembrikov, Peter Rudolf Wyder. — Springer Science & Business Media, 17 noiembrie 2003. — P. 73–. - ISBN 978-3-540-43694-2 . Arhivat pe 20 octombrie 2021 la Wayback Machine
↑ Walt Boyes. Cartea de referință pentru instrumentație . — Butterworth-Heinemann, 25 noiembrie 2009. — P. 570–. - ISBN 978-0-08-094188-2 . Arhivat pe 20 octombrie 2021 la Wayback Machine
↑ F. Fiorillo, Măsurarea și caracterizarea materialelor magnetice, Elsevier Academic Press, 2004, ISBN 0-12-257251-3 , pag. 31
↑ G. Hysteresis in Magnetism: For Physicists, Materials Scientists, and Engineers , San Diego: Academic Press, 1998.
↑ Alfred Hendel. Legile de bază ale fizicii / transl. cu el. I. F. Golovina, ed. prof. N. N. Malova. - M. : Fizmatgiz, 1958. - S. 233. - 284 p. - 75.000 de exemplare.
↑ Eddy Current Tubes - YouTube . Preluat la 20 octombrie 2021. Arhivat din original la 20 octombrie 2021. (nedefinit)
↑ Hendo Hoverboards - Primul hoverboard REAL din lume . Preluat la 20 octombrie 2021. Arhivat din original la 12 iulie 2018. (nedefinit)

Literatură

Sivukhin DV: Curs general de fizică, volumul 3. Electricitate. 1977
Savelyev IV: Curs de fizică generală, volumul 2. Electricitate. 1970
Testare nedistructivă: carte de referință: V 7v. Sub total ed. V. V. Klyuev. T. 2: În 2 cărți .- M . : Inginerie, 2003.-688 p.: ill.

Link -uri

Despre curenții turbionari în „Școala pentru electrician”

Dicționare și enciclopedii	Mare catalană Mare norvegian Marele Soviet (1 ed.) Britannica (online)
În cataloagele bibliografice	BNF : 12138531t GND : 4190009-1 J9U : 987007531256405171 LCCN : sh85040943