Vířivé proudy (Foucaultovy proudy). Vliv a ness

Specifičnost některých elektrických jednotek (například elektromotorů) zahrnuje přítomnost zvláštního typu interakce mezi magnetickými poli generovanými uvnitř konstrukce. Přitažlivé a odpudivé síly jsou v těchto zařízeních generovány statorovými vinutími v interakci s indukovaným elektromagnetickým polem pohybujícího se rotoru. Během těchto procesů jsou kovové součásti neustále vystaveny magnetickým polím, jejichž velikost se mění, což vede ke vzniku takzvaných „vířivých proudů“.

Toky nabitých částic, které se objevují při působení samoindukčního EMF, jsou uzavřeny ve hmotě magnetického jádra rotoru a statoru elektromotoru. Ve většině elektrických jednotek jsou vnímány jako parazitní jev, který narušuje normální činnost převodníku. V některých případech jsou však tyto proudy pro člověka prospěšné.

Jak byly objeveny vířivé proudy

První, kdo tento efekt objevil v roce 1824, byl francouzský vědec D. F. Arago, který prováděl experimenty s tenkým měděným kruhem umístěným na stejné ose jako rotující magnetická jehla. Disk byl umístěn níže a pod vlivem vědců neznámých sil se začal otáčet spolu s ukazatelem.

Na základě tohoto experimentu D. F. Arago navrhl, že toky nabitých částic se tvoří (indukují) ve stacionárním kruhu a jimi generované magnetické čáry začnou interagovat s polem šipky. V důsledku této interakce byl objeven další efekt, spočívající v mírném zahřátí materiálu disku. Právě to později posloužilo jako základ pro praktické využití tohoto fenoménu.

Tak byly objeveny vířivé proudy, které byly později pojmenovány po francouzském fyzikovi Foucaultovi, který jejich studiu zasvětil celý svůj život. Objevil, že při interakci magnetických polí je vznik vícesměrných toků nabitých částic doprovázen uvolňováním tepla ve zkoumaném materiálu (kovu). Později tento efekt teoreticky vysvětlil M. Faraday, který se opíral o zákon elektromagnetické indukce, který objevil.

Jako příklad jsou na (obr. 1) uvedeny vířivé proudy získané indukcí. Objevují se v masivním jádru, které je předem umístěno uvnitř cívky vinutí. Předpokladem jejich vzhledu je tok střídavého proudu dostatečné velikosti (síly) vinutím.

Vlivem kruhového pohybu nabitých částic v jádře se objevuje měnící se magnetické pole, které indukuje vlastní proudy. Z (obr. 1) je patrné, že jsou uzavřeny podél vrstevnic umístěných v rovině kolmé na primární toky.

<strong>Příčiny vzniku Foucaultova proudu</strong>

Když je kovový obrobek umístěn do silného elektromagnetického pole, objevují se v tloušťce kovu a na jeho povrchu síly, které působí na volné elektrické částice (elektrony). Vlivem indukčního EMF se elektrony rotující na svých drahách orientují podél vektoru napětí a vytvářejí svou vlastní strukturu pole, která začíná interagovat s vnějším. Podle zákona o samoindukci, vznik nového pole působí proti původnímu a stává se zdrojem pohybu volných nabitých částic, které tvoří vířivé proudy.

Je pozoruhodné, že některé z nich jsou vynaloženy na zahřívání těles, ve kterých k tomuto efektu dochází, což je obecně považováno za plýtvání energií. Protože elektrický odpor jádra je relativně malý, mohou v něm indukované vířivé proudy dosahovat velmi vysokých hodnot. V případech, kdy je jeho ohřev považován za užitečný jev (například v elektrických pecích), umožňuje tato metoda získat poměrně výkonná tepelná zařízení.

<strong>Metody snižování vlivu vířivých proudů</strong>

Ve většině elektrických přístrojů a přístrojů jsou vířivé proudy považovány za parazitní jev, kterého se snaží s minimálními náklady zbavit. Faktem je, že energie použitá k ohřevu jádra konkrétního elektrického zařízení prudce snižuje jeho účinnost a užitečná energie se zbytečně plýtvá.

Pro snížení ztrát vířivými proudy se používá umělá metoda, která spočívá ve zvýšení vnitřního odporu magnetického obvodu (jádra). Za tímto účelem je sestaven z mnoha tenkých plechů z elektrooceli, které jsou od sebe izolovány speciálním lakem. Touto technologií se vyrábí a montují magnetické obvody a jádra všech elektrických strojů s třífázovým napájením 380 V a také kotev stejnosměrných zařízení.

U některých elektrických výrobků se k izolaci sestav desek používá nevodivý film (tato operace se nazývá studené fosfátování). Při jejich montáži je zvláštní pozornost věnována zajištění toho, aby rovina polotovarů potažených filmem byla rovnoběžná s čarami magnetického toku vytvořeného v jádře. Rozdělením magnetického materiálu na malé prvky (desky) se v něm znatelně zeslabují vířivé proudy. Na fyzické úrovni se to vysvětluje tím, že se snižuje počet uzavřených siločar (jsou přerušeny na hranicích mezi různými médii). V důsledku toho je celková hodnota magnetických toků „zodpovědných“ za tvorbu vířivých proudů oslabena.

Kromě toho se používá další metoda ke snížení nežádoucích proudových útvarů. Spočívá v zavádění speciálních přísad do materiálu jádra, které výrazně zvyšují jeho elektrický odpor. Pro snížení vodivosti zejména feromagnetik se do elektrooceli při její výrobě přidává malé množství křemíku.

<strong>Laminování a další metody snížení vířivého efektu</strong>

Při výrobě některých elektrotechnických výrobků jsou jejich magnetická jádra sestavena z polotovarů, které jsou kusy žíhaného drátu. Při montáži se pokládají tak, že montážní pásy jsou umístěny podél čar magnetického toku. V tomto případě jsou parazitní vířivé proudy generované v kolmé rovině omezeny co do velikosti použitím izolačních těsnění. Pro stejný účel jsou jádra elektrických výrobků určených pro vysokofrekvenční proudy vyrobena z magnetických dielektrik.

Při výrobě běžných propojovacích vodičů se používá speciální technika pro snížení vírového efektu, která umožňuje jejich výrobu ve formě svazku vodičů navzájem izolovaných. Drát získaný pomocí této technologie, nazývaný litz wire, se široce používá k přenosu vysokofrekvenčních oscilací na značné vzdálenosti.

<strong>Kde se používají vířivé proudy?</strong>

Zvláštnosti použití Foucaultových proudů souvisejí s jejich schopností působit proti vnějším elektromagnetickým polím v důsledku výskytu jejich vlastního magnetického momentu. Tento efekt je základem pro jejich použití při řešení následujících technických problémů:

• Efektivní brzdění rotujících jednotek s významnou provozní hmotností.
• „Uklidnění“ pohyblivých částí elektrických měřicích zařízení.
• Získání „ultračistého“ vakua.
• Indukční tavení kovů.

V prvním případě vede průnik rotujících uzlů s čarami vnějšího magnetického pole ke vzniku uzavřených proudů, které vytvářejí výrazné protipůsobící momenty. Po zavedení takové elektromagnetické „brzdy“ do pracovní oblasti setrvačníku je například pozorováno její hladké zastavení bez přímého kontaktu mechanických částí.

Vířivé proudy se nejčastěji používají jako „tlumič“ pohyblivých prvků ve standardních elektroměrech. Disk v nich obsažený je upevněn na ose zařízení a otáčí se v mezeře tvořené póly permanentního magnetu. Proudy v něm indukované během rotace interagují s hlavním magnetickým tokem a vytvářejí brzdný moment.

<strong>Výroba vakuových zařízení</strong>

Vířivé efekty se využívají i v technologických operacích prováděných pomocí vysokofrekvenčních proudů. Nejčastěji jsou tyto technologie žádané při výrobě vakuových trubic, kdy je potřeba odstranit zbytkový vzduch a plyny ze skleněné baňky. Po předběžném čerpání zůstává uvnitř skleněného pláště vždy určité množství molekul plynu, které je v některých případech nutné odstranit.

Pro dočištění vnitřků od zbytků plynných směsí se baňka s vestavěnými kovovými armaturami umístí do pole RF generátoru. Po zapnutí zařízení se v kovu indukují vířivé proudy, které zahřívají výztuž na vysokou teplotu. V důsledku jejího zahřátí je zbývající plyn v baňce zcela neutralizován.

<strong>Tavení kovů indukcí</strong>

Další oblastí praktické aplikace vířivých proudů s přínosem pro člověka je jejich použití v indukčních pecích. Činnost těchto zařízení je založena na působení vysokofrekvenčního magnetického pole generovaného speciální cívkou na kelímku s kovovým obrobkem.

Jeho působením se v kovu indukují vysokofrekvenční proudy, jejichž energie se přeměňuje na teplo, které se pak vynakládá na roztavení obsahu kelímku.

Související témata:

• Bludné proudy. Vznik a ochrana. Zvláštnosti
• Coulombův zákon. Objev a aplikace. Zvláštnosti
• Faradayovy zákony. Pro elektromagnetickou indukci a při elektrolýze
• Povrchový efekt. Vlastnosti a použití
• Elektrické pole. Druhy a práce. Aplikace a vlastnosti
• Indukované napětí. Příčiny a nebezpečí
• Aktivní a jalový výkon. Za co platíme a pracujeme