Teorija i primene strujnih vrtlova

Definicija vrtloga struje

Prema Lensovom zakonu, kada je vodilna petlja izložena menjajućem magnetnom polju, generiše se EMF (elektromotorna sila) koja indukuje struju koja se suprotstavlja promeni. Slično tome, kada se kroz vodljivo telo, poput žice ili ploče, menjaju magnetno polje, to dovodi do toka struje kroz preseke materijala.

Ove struje dobile su naziv vrtloga struje, u skladu sa malim vrtlogovima vode koji se mogu posmatrati na jezerima i okeanima. Vrtlogovi struja mogu biti i korisni i neželjeni.

Iako one dovode do neželjenih visokih gubitaka toplote u materijalu, poput jezgra transformatora, vrtlogi struje pronalaze primene u raznim industrijskim procesima, kao što su induktivno zagrevanje, metalurgija, zavarivanje, kočenje itd. Ovaj članak se bavi teorijom i primenama fenomena vrtloga struje.

Gubitci vrtloga struje u transformatoru

Magnetno polje unutar jezgra transformatora indukuje EMF, što dovodi do vrtloga struje prema Faradejevom i Lensovom zakonu. U sekciji jezgra, magnetno polje B(t) od struje u viti i(t) generiše vrtlogue struje ieddy.

Gubitci usled vrtloga struje mogu se napisati na sledeći način:

Gde je ke = konstanta koja zavisi od veličine i obrnuto proporcionalna je električnoj upornosti materijala,

f = frekvencija izbornoj izvore,

Bm = vrhovna vrednost magnetnog polja i

τ = debljina materijala.

Navedena jednačina pokazuje da gubitci vrtloga struje zavise od gustoće fluksa, frekvencije i debljine materijala i obrnuto proporcionalni su električnoj upornosti materijala.

Da bi se smanjili gubitci vrtloga struje u transformatoru, jezgro se pravi od slojeva tankih ploča, tzv. laminacija. Svaka ploča je izolovana kako bi se ograničili vrtlogi struje na male presečne površine, smanjujući njihov put i gubitke.

To je prikazano na sledećoj slici:

Radi povećanja električne upornosti materijala, koristi se hladno valjano grajd-orientirano čeliko, CRGO stepen čelika, kao jezgro transformatora.

Svojstva vrtloga struje

• Inducirani su samo unutar vodljivih materijala.

• Podešavaju se defektima, poput pukotina, korozije, ivica itd.

• Vrtlogi struje slabe sa dubinom, sa najvećom intenzitetom na površini.

Ova svojstva omogućavaju da se vrtlogi struje koriste u energetskoj, aerospace i petrokemijskoj industriji za otkrivanje pukotina i oštećenja metala.

Primene vrtloga struje

Magnetna levitacija: Ova repulzivna vrsta levitacije nalazi primenu u modernim visokobrzim maglev vozovima kako bi se osigurala beztrenje transporta. Promenljivi magnetni fluks proizveden superprovodnjacim magnetom postavljenim na kretajući vlak proizvodi vrtlogue struje na stacionarnom vodljivom listu nad kojim vlak levitira. Vrtlogi struje interagiraju sa magnetnim poljem kako bi proizveli sile levitacije.

Hipertermijsko lečenje raka: Zagrevanje tkiva uz pomoć vrtloga struje. Vrtlogi struje inducirani u vodljive cevi pomoću bliskih navojnih žica spojenih kapacitorom kako bi formirali rezervoarski krug, koji je povezan sa radiofrekvencijskim izvorom.

Kočenje vrtlogom struje: Kinetička energija pretvara se u toplotu usled gubitaka vrtloga struje, što nalazi brojne primene u industriji.

• Kočenje vlakova.

• Kočenje američke gorske voze.

• Električna pilica ili bušilica za njen hitni isključak.

  
  

Induktivno zagrevanje: Ovaj proces elektromagnetski zagreva vodljivo telo indukiranjem vrtloga struje visokofrekventnim elektromagnetom. Glavne primene su induktivno kuvaranje, peći za topnju metala, zavarivanje i spajanje.

Variabilni pogonski sistemi bazirani na vrtlogu struje: Sa pomoću povratnog kontrolera može se postići variabilni pogonski sistem baziran na vrtlogu struje. Nalazi primene u oblikovanju metala, konvejerima, obradi plastike itd.

Detektori metala: Detektuju prisustvo metala unutar stijena, tla itd. uz pomoć indukcije vrtloga struje u metal, ako je prisutan.

Aplikacije u obradi podataka: Nedestruktivno testiranje vrtloga struje koristi se u istraživanju sastava i tvrdosti metalnih struktura.