Definice vířivých proudů
Podle Lenzova zákona, když je vodivý obvod vystaven měnícímu se magnetickému pole, vygeneruje emf, která indukuje proud, který brání změně. Podobně, když se magnetické pole mění v vodivém tělese, jako je vlákno nebo deska, způsobí to, že proudy plynou skrz průřezy materiálu.
Tyto proudy jsou pojmenovány vířivé proudy podle vodních vírů, malých vířivých vírů pozorovaných v jezerech a oceánech. Tyto smyčky vířivých proudů mohou být jak prospěšné, tak nežádoucí.
Zatímco způsobují nežádoucí vysoké tepelné ztráty v materiálu, jako je jádro transformátoru, vířivé proudy nalezají aplikace v různých průmyslových procesech, jako je indukční ohřev, hutnictví, svařování, brzdění atd. Tento článek se zabývá teorií a aplikacemi vířivých proudů.
Ztráty vířivých proudů v transformátoru
Magnetické pole uvnitř jádra transformátoru indukuje emf, což vedle Faradayova a Lenzova zákona vedlo k vzniku vířivých proudů. V části jádra magnetické pole B(t) od vinutí proudu i(t) generuje vířivé proudy ieddy.
Ztráty způsobené vířivými proudy lze zapsat následovně:
Kde, ke = konstanta, která závisí na velikosti a je nepřímo úměrná elektrické vodivosti materiálu,
f = frekvence excitačního zdroje,
Bm = vrcholová hodnota magnetického pole a
τ = tloušťka materiálu.
Výše uvedená rovnice ukazuje, že ztráty vířivých proudů závisí na hustotě toku, frekvenci a tloušťce materiálu a jsou nepřímo úměrné elektrické vodivosti materiálu.
Aby byly sníženy ztráty vířivých proudů v transformátoru, je jádro vyrobeno ze stohu tenkých destiček nazývaných laminace. Každá destička je izolována, aby byly vířivé proudy omezeny na malé průřezy, což minimalizuje jejich cestu a snižuje ztráty.
To je znázorněno na následujícím obrázku:
Aby byla zvýšena elektrická vodivost materiálu, je používán studeně valený orientovaný hrubozrnný ocelový materiál (CRGO) jako jádro transformátoru.
Vlastnosti vířivých proudů
Jsou indukovány pouze uvnitř vodivých materiálů.
Jsou deformovány vadami, jako jsou trhliny, koroze, okraje atd.
Vířivé proudy oslabují s hloubkou, s nejvyšší intenzitou na povrchu.
Tyto vlastnosti umožňují použití vířivých proudů v energetice, leteckém a petrochemickém průmyslu pro detekci trhlin a poškození kovů.
Aplikace vířivých proudů
Magnetická levitace: Je to typ odpudivé levitace, který se používá v moderních vysokorychlostních maglev vlacích pro poskytnutí beztření dopravy. Měnící se magnetický tok vyprodukovaný nadproudovým magnetem umístěným na pohybujícím se vlaku vyvolá vířivé proudy na stacionárním vodivém plechu, na kterém vlak levituje. Vířivé proudy interagují s magnetickým polem a vyvolávají síly levitace.
Hypertermální léčba rakoviny: Ohřev tkáně pomocí vířivých proudů. Vířivé proudy indukované v vodivých trubkách blízkými dráty spojenými s kondenzátorem, který tvoří rezonanční obvod, připojený k radiocelému zdroji.
Brzdění vířivými proudy: Kinetická energie převedená na teplo díky ztrátám vířivých proudů má mnoho aplikací v průmyslu.
Brzdění vlaků.
Brzdění horských dráh.
Elektrická pila nebo vrtačka pro nouzové vypnutí.
Indukční ohřev: Tento proces elektricky ohřívá vodivé těleso indukcí vířivých proudů pomocí vysokofrekvenčního elektromagnetu. Používá se hlavně pro indukční vaření, peci k tavení kovů, svařování a pájení.
Regulovatelné pohon s vířivými proudy: S pomocí regulačního čidlo lze dosáhnout pohonu s vířivými proudy. Nalézá uplatnění v tváření kovů, dopravníky, zpracování plastů atd.
Detektory kovů: Detekují přítomnost kovů uvnitř hornin, půd atd. pomocí indukce vířivých proudů v kovech, pokud jsou přítomny.
Aplikace v zpracování dat: Nedestruktivní testování pomocí vířivých proudů se používá k vyšetřování složení a tvrdosti kovových struktur.
