Légörvény

Örvényáramok , vagy Foucault-áramok ( J. B. L. Foucault tiszteletére ) - örvényes [a] indukció [b] térfogati elektromos áram [c] , amely akkor keletkezik az elektromos vezetőkben , amikor a rájuk ható mágneses tér fluxusa idővel megváltozik .

A kifejezés eredete

Az örvényáram kifejezés a folyékony közegben megfigyelhető hasonló jelenségekből származik a folyadékdinamikában, és helyi turbulenciaterületeket , úgynevezett örvényeket és örvényeket okoz a közegben. Hasonlóképpen, az örvényáramok felhalmozódása időt vehet igénybe, és induktivitása miatt nagyon rövid ideig megmaradhat a vezetőben.

Történelem

Az örvényáramot először D. F. Arago (1786-1853) francia tudós fedezte fel 1824-ben egy forgó mágneses tű alatt egy tengelyen elhelyezett rézkorongban. Az örvényáramok hatására a korong forogni kezdett. Ezt az Arago-jelenségnek nevezett jelenséget néhány évvel később M. Faraday az általa felfedezett elektromágneses indukció törvényének szemszögéből magyarázta: a forgó mágneses tér örvényáramot indukál egy rézkorongban, amelyek kölcsönhatásba lépnek egy mágneses tűvel.

Az örvényáramokat a francia fizikus Foucault (1819-1868) tanulmányozta részletesen, és róla nevezte el. Foucault felfedezte a mágneses térben forgó fémtestek örvényáramok általi felmelegedésének jelenségét is – 1855 szeptemberében fedezte fel, hogy a rézkorong elforgatásához szükséges erő megnő, ha a peremét egy mágnes pólusai között kénytelen forgatni. miközben a lemez spontán módon felmelegíti a lemez fémében indukált örvényáramot.

A jelenség magyarázata

A szabad töltéshordozók ( elektronok ) egy fémlemezben a lemezzel jobbra mozognak, így a mágneses tér a Lorentz-erő hatására oldalirányú erőt fejt ki rájuk. Mivel a töltések v sebességvektora jobbra, a B mágneses tér pedig lefelé mutat, a gimlet szabály alapján a pozitív töltésekre ható Lorentz-erő F = q ( v × B ) a diagram hátulja felé mutat (nézve balra). menetirányban v ). Ez egy I áramot indukál hátul a mágnes alatt, amely a lemez mágneses mezőn kívüli részein az óramutató járásával megegyezően jobbra és az óramutató járásával ellentétes irányban balra, ismét a mágnes eleje felé forog. A fémben lévő mozgó töltéshordozók, az elektronok valójában negatív töltéssel rendelkeznek (q < 0), így mozgásuk ellentétes a hagyományos áram irányával.

A mágnes mágneses tere a mágnes alatt oldalra mozgó elektronokra ható, majd a fémlemez sebességével ellentétes Lorentz-erőt hoz létre. Az elektronok, amikor egy fémrács atomjaival ütköznek, ezt az erőt adják át a lemezre, és a lemezre a sebességével arányos ellenállási erőt fejtenek ki. Az ellenállási erő leküzdéséhez szükséges mozgási energiát a fém ellenállásán átfolyó áramok hőként disszipálják, így a fém hőt kap a mágnes alatt.

A Foucault-áramok egy időben változó (váltakozó) mágneses tér [d] hatására keletkeznek, és fizikai természetüknél fogva semmiben sem különböznek az elektromos transzformátorok vezetékeiben és szekunder tekercseiben keletkező indukciós áramoktól .

Tulajdonságok

A Foucault - áramok felhasználhatók vezető tárgyak lebegtetésére , mozgásra vagy erős fékezésre .

Az örvényáramok nemkívánatos hatásokkal is járhatnak, például a transzformátorok teljesítményveszteségével . Ebben az alkalmazásban vékony lemezek, vezetőlaminálás vagy más vezetőforma-részletek használatával minimálisra csökkenthetők. Mivel egy masszív [e] vezető elektromos ellenállása kicsi is lehet, a Foucault-áramok miatti induktív elektromos áram erőssége rendkívül nagy értékeket is elérhet. A Lenz-szabálynak megfelelően a Foucault-áramok a vezető térfogatában olyan utat választanak, amely ellensúlyozza azt az okot, amely a legnagyobb áramlást okozza, ami Le Chatelier elvének speciális esete . Ezért különösen az erős mágneses térben mozgó jó vezetők tapasztalnak erős lassulást a Foucault-áramok és a külső mágneses tér kölcsönhatása miatt. Ezt a hatást használják galvanométerek, szeizmográfok és egyéb műszerek mozgó alkatrészeinek csillapítására súrlódás nélkül, valamint a vasúti vonatok fékrendszereinek egyes kialakításaiban.

Az önindukált örvényáramok felelősek a vezetők bőreffektusáért [1] . A bőreffektus felhasználható anyagok roncsolásmentes, geometriai jellemzőinek, például mikrorepedések vizsgálatára. [2]

Teljesítmény disszipáció örvényáramok által

Bizonyos feltételezések mellett (homogén anyag, egyenletes mágneses tér, nincs bőrhatás, stb.) az egységnyi tömegre jutó örvényáramok okozta teljesítményveszteség vékony lemezre vagy huzalra a következő egyenletből számítható [3] :

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

ahol

P teljesítményveszteség tömegegységenként (W/kg), B p maximális mágneses tér (T), d lemezvastagság vagy huzalátmérő (m), f frekvencia (Hz), k konstans, amely egyenlő 1-gyel vékony lemez esetén és 2-vel vékony huzal esetén, ρ az anyag ellenállása (Ω m), D az anyag sűrűsége (kg / m 3 ).

Ez az egyenlet csak úgynevezett kvázistatikus körülmények között érvényes, ahol a mágnesezési frekvencia nem eredményez bőrhatást; vagyis az elektromágneses hullám teljesen áthatol az anyagon.

Diffúziós egyenlet

Az anyag örvényáramok hatásának modellezésére használható egyenlet levezetése az Ampère-törvény [4] differenciáljával, a magnetosztatikus formájával kezdődik , amely a J környezeti áramsűrűség H mágnesező mezőjének kifejezését adja:

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

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

Akkor Gauss mágneses törvényéből $\nabla \cdot \mathbf {H} =0$

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

Ohm törvényét használva , amely a J áramsűrűséget az E elektromos térrel hozza összefüggésbe az anyagvezetőképesség σ szempontjából, és egyenletes izotróp vezetőképességet feltételezve az egyenlet így írható fel. $\mathbf {J} =\sigma \mathbf {E}$

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

A Faraday -törvény differenciális alakját használva azt kapjuk, hogy $\nabla \times \mathbf {E} =-\partial \mathbf {B} /\partial t$

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

Definíció szerint ahol M az anyag mágnesezettsége, és μ 0 a vákuum permeabilitása. Így a diffúziós egyenlet a következőképpen alakul: $\mathbf {B} =\mu _{0}(\mathbf {H} +\mathbf {M} )$

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

Alkalmazás

A Foucault-áramok termikus hatását indukciós kemencékben használják , ahol egy vezető testet helyeznek egy nagyfrekvenciás nagy teljesítményű generátor által táplált tekercsbe, amelyben örvényáramok keletkeznek, amelyek olvadásig hevítik. Hasonló módon működnek az indukciós tűzhelyek is , amelyeknél a fémedényeket a tűzhely belsejében elhelyezett tekercs váltakozó mágneses tere által keltett örvényáramok melegítik fel.

Az örvényáramú vizsgálat a vezető anyagból készült termékek roncsolásmentes vizsgálatának egyik módszere. A Foucault-áramok segítségével a vákuumberendezések és a rádiócsövek fém részeit felmelegítik a kiürítés során történő gáztalanítás érdekében.

Fékrendszerek

A Lenz-szabálynak megfelelően az örvényáramok a vezető belsejében olyan utakon és irányokban áramlanak, hogy hatásuk a lehető legerősebb legyen, és ellenálljon az őket kiváltó oknak. Ennek eredményeként, amikor mágneses térben mozognak, a jó vezetőkre hatással van az örvényáramok és a mágneses tér kölcsönhatása által okozott fékezőerő. Ezt a hatást számos eszközben alkalmazzák mozgó részeik rezgésének csillapítására (Waltenhofen inga [5] )

Levitáció és taszító hatások

Változó mágneses térben az indukált áramok diamágneses-szerű taszító hatást mutatnak. A vezetőképes tárgy taszító erőt fog tapasztalni. Ez a jelenség képes felemelni a tárgyakat a gravitáció ellenében, de állandó teljesítményfelvétel mellett, hogy kompenzálja az örvényáramok által disszipált energiát. Alkalmazási példa az alumíniumdobozok elválasztása más fémektől örvényáramú szeparátorban. A vasfémek a mágneshez tapadnak, míg az alumíniumot (és más nemvas vezetőket) a mágnes taszítja; ez segít a hulladékáram vas- és színesfémhulladékra való szétválasztásában.

Egy nagyon erős kézi mágnesnél, például egy neodímiumból, könnyen megfigyelhető egy nagyon hasonló hatás, ha a mágnest egy kis réssel gyorsan az érmére vezetjük. A mágnes erősségétől, az érme azonosságától, valamint a mágnes és az érme távolságától függően lehetőség van arra, hogy az érmét enyhén a mágnes előtt nyomja – még akkor is, ha az érme nem tartalmaz mágneses elemeket, mint pl. az amerikai fillér. Egy másik példa egy erős mágnes esése egy rézcsőbe – a mágnes nagyon lassan esik [6] .

Az ellenállás nélküli szupravezetőben a felületi örvényáramok pontosan kiiktatják a vezető belsejében lévő teret, így nem hatol be mágneses tér a vezetőbe. Mivel az ellenállásban nem vész el az energia, a mágnesnek a vezetőhöz közeledésekor keletkező örvényáramok akkor is fennmaradnak, ha a mágnes álló helyzetben van, és pontosan ki tudja egyensúlyozni a gravitációs erőt, lehetővé téve a mágneses levitációt. A szupravezetők egy eleve elkülönülő kvantummechanikai jelenséget is mutatnak, amelyet Meissner-effektusnak neveznek , amelyben az anyagban lévő szupravezetővé váló mágneses erővonalak kiszorulnak, így a szupravezetőben a mágneses tér mindig nulla.

Az elektronikus fordulatszám-szabályozáshoz hasonló elektronikus kapcsolással rendelkező elektromágnesek segítségével tetszőleges irányban mozgó elektromágneses mezőket lehet létrehozni. Amint azt fentebb az örvényáramú fékekről szóló részben leírtuk, a nem ferromágneses vezető felülete hajlamos belenyugodni ebben a mozgó mezőbe. Ha azonban ez a mező mozog, a jármű lebeghet és mozoghat. A maglevhez hasonlítható , de nincs sínekhez kötve [7] .

Sok esetben a Foucault-áramok nemkívánatosak lehetnek. A leküzdésük érdekében speciális intézkedéseket tesznek: a transzformátorok magjainak fűtéséhez szükséges energiaveszteségek elkerülése érdekében ezeket a magokat szigetelőrétegekkel elválasztott vékony lemezekből veszik fel (keverés). A ferritek megjelenése lehetővé tette ezeknek a magoknak a szilárd magként történő gyártását.

Jegyzetek

↑ Az örvény kifejezés azt jelenti, hogy az aktuális erővonalak zártak.
↑ Az indukciót olyan elektromos áramnak nevezzük, amely egy vezetőben a vezető és az időben változó mágneses (elektromágneses) tér kölcsönhatása miatt jön létre (indukálva), nem pedig az áramforrások és az EMF (galvanikus cellák stb.) hatása miatt. az áramköri megszakításba tartozik.
↑ Az áramok kifejezést gyakran többes számban használják, mivel a Foucault-áramok a vezető térfogatában lévő elektromos áramot jelentik, és a transzformátor szekunder tekercsében lévő induktív árammal ellentétben nehéz egyetlen "villamos áramkört" meghatározni. az áramnál az elektromos töltések mozgásának egyetlen zárt pályája a vezető vastagságában.
↑ Szigorúan véve - váltakozó elektromágneses mező hatása alatt
↑ Vagyis nagy keresztmetszeti területtel

Források

↑ Israel D. Vagner. A magnetoaktív közeg elektrodinamikája / Israel D. Vagner, B. I. Lembrikov, Peter Rudolf Wyder. - Springer Science & Business Media, 2003. november 17. - P. 73–. - ISBN 978-3-540-43694-2 . Archiválva : 2021. október 20. a Wayback Machine -nél
↑ Walt Boyes. Műszerészeti kézikönyv . — Butterworth-Heinemann, 2009. november 25. — 570. o. - ISBN 978-0-08-094188-2 . Archiválva : 2021. október 20. a Wayback Machine -nél
↑ F. Fiorillo, Measurement and Characterization of Magnetic Materials, Elsevier Academic Press, 2004, ISBN 0-12-257251-3 , oldal. 31
↑ G. Hysteresis in Magnetism: Fizikusoknak, anyagtudósoknak és mérnököknek , San Diego: Academic Press, 1998.
↑ Alfred Hendel. A fizika alaptörvényei / ford. vele. I. F. Golovina, szerk. prof. N. N. Malova. - M. : Fizmatgiz, 1958. - S. 233. - 284 p. - 75.000 példány.
↑ Örvényáram csövek - YouTube . Letöltve: 2021. október 20. Az eredetiből archiválva : 2021. október 20. (határozatlan)
↑ Hendo Hoverboards – A világ első VALÓDI hoverboardja . Letöltve: 2021. október 20. Az eredetiből archiválva : 2018. július 12. (határozatlan)

Irodalom

Sivukhin DV: Általános fizika kurzus, 3. kötet. Villamos energia. 1977
Saveljev IV: Általános fizika tantárgy, 2. kötet. Villamos energia. 1970
Roncsolásmentes vizsgálat: kézikönyv: V 7v. Összesen alatt szerk. V. V. Klyuev. T. 2: 2 könyvben . - M . : Mérnöki szak, 2003.-688 p.: ill.

Linkek

Az örvényáramokról a "villanyszerelő iskolában"

Szótárak és enciklopédiák	Nagy katalán Nagy norvég Nagy Szovjet (1 kiadás) Britannica (online)
Bibliográfiai katalógusokban	BNF : 12138531t GND : 4190009-1 J9U : 987007531256405171 LCCN : sh85040943