Teorija i primjene vrtlognih struja

Definicija cirkulacijskih struja

Prema Lensovom zakonu, kada se vodilni krug izlaguje mijenjajućem magnetnom polju, generira se emf koji inducira strujnicu koja suprotstavlja promjeni. Slično tome, kada se magnetno polje mijenja kroz vodljivo tijelo, poput niti ili ploče, to uzrokuje protjecanje struja kroz presečne površine materijala.

Ove struje dobivaju ime cirkulacijske struje usporedbom s vodenim vrtoglavicama, malim vrtlogovima koje se opažaju u jezerima i oceanima. Ovi cirkulacijski krugovi mogu biti korisni i neželjeni.

Iako one uzrokuju neželjene visoke gubitke topline u materijalu, poput jezgre transformatora, cirkulacijske struje pronalaze primjenu u raznim industrijskim procesima kao što su induktivno zagrijavanje, metalurgija, zavarivanje, kočnici itd. Ovaj članak bavi se teorijom i primjenama pojave cirkulacijskih struja.

Gubitci cirkulacijskih struja u transformatoru

Magnetno polje unutar jezgre transformatora inducira emf, što dovodi do cirkulacijskih struja prema Faradajevom i Lensovom zakonu. U dijelu jezgre, magnetno polje B(t) od strujnice i(t) generira cirkulacijske struje ieddy.

Gubitci zbog cirkulacijskih struja mogu se zapisati ovako:

gdje, ke = konstanta ovisi o veličini i obrnuto proporcionalna je otpornosti materijala,

f = frekvencija izbornoj izvora,

Bm = vrhovna vrijednost magnetnog polja i

τ = debljina materijala.

Gornja jednadžba pokazuje da gubitci cirkulacijskih struja ovisi o gustoći toka, frekvenciji i debljini materijala i obrnuto proporcionalni su otpornosti materijala.

Da bi se smanjili gubitci cirkulacijskih struja u transformatoru, jezgra se izrađuje od slojeva tankih ploča nazvanih laminacijama. Svaka ploča je izolirana kako bi se ograničile cirkulacijske struje na male presečne površine, minimizirajući njihov put i smanjujući gubitke.

To je prikazano na sljedećoj slici:

Kako bi se povećala otpornost materijala, koristi se hladno valjani, orijentirani zrak, CRGO kvaliteta čelika kao jezgra transformatora.

Svojstva cirkulacijskih struja

• One se induciraju samo unutar vodljivih materijala.

• One se iskrivljuju zbog defekata, poput pukotina, korozije, rubova itd.

• Cirkulacijske struje oslabljuju s dubinom, s najvećom intenzitetom na površini.

Ova svojstva omogućuju korištenje cirkulacijskih struja u energetskoj, aerospace i petrokemijskoj industriji za otkrivanje pukotina i oštećenja metala.

Primjene cirkulacijskih struja

Magnetna levitacija: Ovo je tip levitacije koji se temelji na odbijanju i nalazi primjenu u modernim visokobriznim Maglev vlakove za pružanje beztrenjevnog prijevoza. Mijenjajući magnetni tok proizveden superprovodnjakovim magnetom postavljenim na pokretni vlak proizvodi cirkulacijske struje na stacionarnom vodljivom listu nad kojim vlak levitira. Cirkulacijske struje interagiraju s magnetnim poljem kako bi proizvele sile levitacije.

Hipertermija u liječenju raka: Zagrijavanje tkiva uz pomoć cirkulacijskih struja. Cirkulacijske struje inducirane u vodljive cevi pomoću bližnjih žica spojenih sa kondenzatorom kako bi formirali rezonantni krug koji je spojen na radiofrekvencijski izvor.

Cirkulacijski kočnici: Kinetička energija pretvara se u toplinu zbog gubitaka cirkulacijskih struja i nalazi brojne primjene u industriji.

• Kočnici vlakova.

• Kočnici vozačkih staza.

• Električne pilice ili vrtače za njihovo hitno isključivanje.

  
  

Induktivno zagrijavanje: Ovaj postupak električki zagrijava vodljivo tijelo induciranjem cirkulacijskih struja visokofrekvencijskim elektromagnetom. Pretežno se koristi za induktivnu kuhanje, pećnice za topnju metala, zavarivanje i levanje.

Cirkulacijski pogoni s prilagodbom brzine: Pomoću kontrolera povratne veze može se postići cirkulacijski spregnuti pogon s prilagodbom brzine. Nalazi primjenu u oblikovanju metala, transportnim trakama, obradi plastike itd.

Detektori metala: Detektiraju prisutnost metala unutar stijena, tla itd. pomoću indukcije cirkulacijskih struja u metalu ako je prisutan.

Primjene u obradi podataka: Nenarušiva provjera cirkulacijskih struja koristi se u istraživanju sastava i tvrdosti metalnih konstrukcija.