Prądy wirowe: historia odkrycia, sposoby ograniczania szkodliwego wpływu sił przepływu, zastosowanie tego zjawiska

Prądy wirowe lub prądy Foucaulta - indukcyjne objętościowe prądy elektryczne powstające w przewodnikach w wyniku zmiany czasu działającego na nie strumienia pola magnetycznego. Ponieważ rezystancja dużych przewodników jest niewielka, prąd Foucaulta może być dość duży. Ruch prądu w przewodniku, zgodnie z regułą Lenza, odbywa się po drodze największego oporu wobec sił, które go spowodowały.

Historia odkrycia zjawiska

Po raz pierwszy to zjawisko odkryty przez francuskiego naukowca Arago w latach dwudziestych XIX wieku. Na jednej osi zainstalował miedziany dysk, a nad nim igłę magnetyczną. Następnie zaczął obracać strzałę, w wyniku czego dysk również zaczął się obracać.

Zjawisko to zostało nazwane na cześć naukowca Arago. Kiedy Faraday kilka lat później odkrył prawo indukcji elektromagnetycznej, był w stanie wyjaśnić to zjawisko. Pole magnetyczne obracane przez strzałkę prowadzi do pojawienia się w dysku prądu wirowego, który wykonał jego ruch.

Bardziej szczegółowe badanie tego zjawiska podjął fizyk Foucault, który ujawnił nagrzewanie się metalowych ciał w wyniku ekspozycji na pole magnetyczne. Rosyjski fizyk Lenz również badał i eksperymentował z przepływami wirowymi. Odkrył, że nie mają one wpływu na zmianę pola magnetycznego, z którego powstały.

Siły wirowe

Aby zwiększyć wydajność dowolnego mechanizmu, konieczne jest zminimalizowanie sił przepływów wirowych. Aby to zrobić, zwiększ opór elektryczny drutu magnetycznego. Sposób ograniczania skutków prądów wirowych zależy od rodzaju urządzenia elektrycznego. Tłumienie prądów Foucault realizowane w następujący sposób:

1. Podczas montażu transformatorów rdzenie są wyciągane z cienkich izolowanych płyt. Pozwala to zmniejszyć stopień nagrzewania się pod wpływem prądu Foucaulta.
2. Płytki metalowe są ustawione tak, aby kierunek prądu wirowego był prostopadły do ​​ich granic.
3. Wraz z pojawieniem się ferrytów, które mają wysoką odporność, stało się możliwe wytwarzanie solidnych rdzeni.

A także podczas odlewania elementów rdzenia dodawany jest krzem, który zwiększa opór elektryczny. Niekiedy wykorzystuje się je do montażu kawałków drutu metalowego, które są wstępnie poddawane obróbce cieplnej.

Dodatkowo stosowane są specjalne uszczelki izolacyjne. Takie metody podczas montażu mogą znacznie zmniejszyć siłę prądów Foucaulta, w wyniku czego zwiększa się wydajność dowolnej jednostki.

Przewody magnetyczne w urządzeniach o wysokiej częstotliwości są starannie izolowane od siebie i skręcane w wiązkę. Każdy skręt pokryty jest specjalnym elementem izolacyjnym. Do przesyłania energii elektrycznej na duże odległości stosuje się kabel wielożyłowy z izolowanymi przewodami.

Użyj w wykrywaniu wad

Testowanie prądami wirowymi to jeden ze sposobów sprawdzania struktury różnych materiałów. Opiera się na analizie zmian zachodzących w oddziaływaniu zewnętrznego pola elektromagnetycznego z prądami wirowymi badanego obiektu.

Jako źródło pola elektromagnetycznego stosuje się cewkę indukcyjną, na podstawie której produkowane są defektoskopy. Urządzenia te produkują kontrola jakości materiałów przewodzących prąd elektryczny:

• metale i ich stopy;
• półprzewodniki;
• grafit itp.

Pole elektromagnetyczne prądów Foucaulta w badanym obiekcie działa na cewkę urządzenia, indukując w niej siłę elektromotoryczną lub zmieniając opór elektryczny. Zmiana napięcia cewki determinuje właściwości i jakość badanego obiektu.

Oprócz defektoskopów, które wykrywają pęknięcia na powierzchni materiałów, produkują urządzenia do określania struktury i wielkości obiektów. W oparciu o wykorzystanie prądów wirowych wytwarzana jest aparatura do wykrywania elementów przewodzących prąd elektryczny (wykrywacz metalu).

Zastosowanie prądów Foucault

Eksperci uważają, że przy stosowaniu prądów Foucaulta mają one bardziej szkodliwe skutki niż pozytywne. Niemniej jednak znalazły szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach życia. Dotyczy to zwłaszcza następujących obszarów:

• przemysł metalurgiczny;
• transport;
• technologia komputerowa;
• Inżynieria elektryczna.

W oparciu o prądy wirowe dla hutnictwa produkowane są urządzenia umożliwiające transport i hartowanie stopionych metali. Piece indukcyjne są szeroko stosowane w tej samej branży. Pod względem wydajności znacznie przewyższają podobne urządzenia, których praca opiera się na innych rodzajach działania.

Ponadto procesy topienia i hartowania metali są możliwe tylko przy użyciu tego zjawiska. W transporcie, podczas przemieszczania szybkich pociągów na poduszkach magnetycznych, stosuje się układy hamulcowe, których zasada opiera się na prądach Foucaulta.

Stworzenie nowoczesnej technologii komputerowej i transformatorów stało się możliwe tylko dzięki wykorzystaniu i udoskonaleniu przepływów wirowych w ich konstrukcjach. Stosowane są również w urządzeniach próżniowych, gdzie przeprowadzają całkowite wypompowanie powietrza i innych gazów.

Takie urządzenia są bardzo ekonomiczne i wydajne. Obecnie fizycy w wielu krajach nadal badają i eksperymentują z tym zjawiskiem. Dzięki temu co roku można udoskonalać urządzenia i sprzęt działający na zasadzie prądów wirowych.