Теория на вихровите токове и приложения

Определение вихрови токове

Според закон на Ленц, когато проводяща петля е изложена на променящо се магнитно поле, то генерира ЕДС, която индуцира ток, противодействащ на промяната. Подобно, когато магнитното поле се променя през проводимо тяло, като например жичка или плоча, това причинява ток да протича през сеченията на материала.

Тези токове получават името вихрови токове, заради водните вихри, които са малки въртящи се вирулета, наблюдавани в езера и океани. Тези петли от вихрови токове могат да бъдат както полезни, така и нежелани.

Макар че те причиняват нежелани високи загуби на топлина в материала, като например ядрото на трансформатор, вихровите токове намират приложение в различни индустриални процеси, като индукционно нагряване, металургия, сваряване, спирање и т.н. Тази статия разглежда теорията и приложенията на феномена на вихровите токове.

Загуби от вихрови токове в трансформатора

Магнитното поле във ядрото на трансформатора индуцира ЕДС, водеща до вихрови токове според закона на Фарадей и закона на Ленц. В секцията на ядрото, магнитното поле B(t) от обиколния ток i(t) генерира вихрови токове ieddy.

Загубите, причинени от вихровите токове, могат да бъдат записани по следния начин:

Където, ke = константа, зависеща от размера и обратно пропорционална на удържителността на материала,

f = честота на източника на възбуда,

Bm = максимална стойност на магнитното поле и

τ = дебелината на материала.

Предходното уравнение показва, че загубите от вихрови токове зависят от плътността на потока, честотата и дебелината на материала и обратно пропорционални са на удържителността на материала.

За намаляване на загубите от вихрови токове в трансформатора, ядрото е направено от наслаени тънки пластове, наречени ламинации. Всяка плочка е изолирана, за да ограничи вихровите токове до малки сечения, минимизирайки техния път и намалявайки загубите.

Това е показано на следната фигура:

За увеличаване на удържителността на материала, се използва хладно валован ориентиран зърнест (CRGO) стомана като ядро на трансформатора.

Свойства на вихровите токове

• Те се индуцират само във водещите материали.

• Те се деформират от дефекти, като например пукнатини, корозия, ръбове и т.н.

• Вихровите токове се затихват с дълбочина, като най-висока интензивност е налична на повърхността.

Тези свойства позволяват вихровите токове да бъдат използвани в енергийната, аероспациялната и петрохимичната индустрия за откриване на метални пукнатини и повреди.

Приложения на вихровите токове

Магнитно левитиране: Това е вид левитиране, основано на отблъскване, което намира приложение в модерните високоскоростни маглев влакове, за да предостави безтрение транспортиране. Променящият се магнитен поток, произвеждан от суперпроводящ магнит, поставен на движещия се влак, поражда вихрови токове в стационарната проводяща плочка, над която влакът левитира. Вихровите токове взаимодействат с магнитното поле, за да произведат сили на левитиране.

Лечение на рак с хипертермия: Нагряване на тъкани чрез вихрови токове. Вихрови токове, индуцирани в проводящите тръби от близки обиколни въжета, свързани с кондензатор, за да образуват LC контур, който е свързан с радиочестотен източник.

Спиране чрез вихрови токове: Кинетичната енергия, преобразувана в топлина чрез загуби от вихрови токове, намира множество приложения в индустрията.

• Спиране на влакове.

• Спиране на американски горки.

• Електрическа пила или дрълка за нейното аварийно изключване.

  
  

Индукционно нагряване: Този процес електрически нагрява проводящо тяло, индуцирайки вихрови токове с високочестотен електромагнит. Той се използва главно за индукционно готвене, печове за топене на метали, сваряване и лудиране.

Регулируеми скорости на вихрови токове: С помощта на регулатор с обратна връзка може да се постигне скоростна система с вихрови токове. Тя намира приложение в формирането на метали, конвейери, обработка на пластмаси и т.н.

Металодетектори: Те откриват присъствието на метали в скали, почви и т.н. с помощта на индукция на вихрови токове в металите, ако те са налични.

Приложения в обработката на данни: Неразрушителни тестове с вихрови токове се използват за изследване на състава и твърдостта на метални конструкции.