大型赣南民俗音画《客家儿郎》在京上演(1)

Вителни струи (вртложни струи или Фукоови струи) — ?амки на електрична стру?а предизвикани во проводници при промената на магнетното поле во проводникот, поради Фарадеевиот закон за индукци?а. Вителните струи течат во затворените ?амки на проводниците, во рамнини нормални на магнетното поле. Тие можат да бидат предизвикани од неподвижни проводници во нивната близина со временско променливо магнетно поле создадено од електромагнет или трансформатор на променлива стру?а, на пример, или од страна на релативно движе?е поме?у магнет и близок проводник. Големината на стру?ата во одредена ?амка е пропорционална со силата на магнетното поле, со површината на ?амката, и стапката на промена на флуксот, и обратнопропорционална на отпорноста на матери?алот.

Според Ленцовиот закон, вителните струи создаваат магнетно поле, кое се противи на магнетно поле што го создава, а со тоа вителните струи се вра?аат кон изворот на магнетно поле. На пример, проводната површина во близина ?е приложи сила на завлекува?е на магнетот во движе?е што се противи на не?зиното движе?е, поради вителните струи предизвикани на површината на магнетно поле во движе?е. Ово? ефект е карактеристичен за вителните кочници кои се користат за брзо закочи врте?ето на алатите кога тие се исклучени. Стру?ата ко?а тече низ отпорноста на спроводникот, исто така, ?а распределува енерги?ата како топлина во матери?алот. Така вителните струи се причина за загуба на енерги?ата ка? наизменичната стру?а, намотки, трансформатори, електромотори и генератори, и други видови на машини, при што е потребно да се изработат посебни ламинирани магнетни ?адра за да ги минимизираат вителните струи. Вителните струи исто така се користат за загрева?е на об?екти птрку индуктивно грее?е ка? печки и опрема, како и за открива?е на пукнатини и дефекти во метални делови со користе?е на вителни тестирачки инструменти.

Потекло на поимот

Поимот вителни струи доа?а од истоветните струи забележани во водата при весла?е со весла, предизвикува??и локализирани области на турбуленции. Истоветно, на вителните струи потребно им е време за да се создадат и можат да издржат многу кусо време во спроводници поради нивната индуктивност.

Истори?а

пит ко? го прикажува Валтенхофеновото нишало. Тука се покажува создава?ето и сузбива?ето на Предлошка:Wm, каде метално клатно се колеба поме?у двата пола (делови) на силен Предлошка:Wm. Штом се пушти доволно силно Предлошка:Wm, нишалото закочува, т.е. не може да навлезе во полето. Извел: на проф. Оливер За?ков. Институт за физика на Природно-математичкиот факултет во Скоп?е.

Првиот човек ко? ги наб?удувал вителните струи бил Франсоа Араго (1786-1853), 25-тиот премиер на Франци?а, ко? исто така бил математичар, физичар и астроном. Во 1824 година то? го наб?удувал ротационениот магнетизам, и забележал дека пове?ето спроводени тела може да се магнетизираат; овие открити?а беа надополнети и об?аснети од Ма?кл Фараде? (1791-1867).

Во 1834 година, Ха?нрих Ленц го постави Ленцовиот закон, ко? вели дека насоката на тече?ето на индуцираната стру?а во предметот ?е биде таква што не?зиното магнетно поле ?е се спротивстави на промените на магнетното поле предизвикани од протокот на стру?а. Вителните струи формираат секундарно поле кое прекинува дел од надворешното поле и прави надворешниот флукс да го избегне проводникот.

Францускиот физичар Леон Фуко (1819-1868) е заслужен за открива?ето на вителните струи. Во септември 1855 година, то? открил дека силата потребна за врте?е на бакарен диск станува поголема кога то? врти ме?у половите на магнетот, истовремено дискот се загрева од вителните струи навлезени во металот. Првата употреба на вителните струи за полезно тестира?е се случило во 1879 година, кога Де?вид Х?уз ги искористил принципите за да изведе металуршки тестови за сортира?е.

Об?аснува?е

Вителни струи (I, црвена) предизвикани во метален проводник (C) додека се движи десно под магнетот (N). Магнетното поле (В, зелена) е насочено надолу низ металната плоча. Зголеменото поле на кра?от на магнетот (лево) произведува стру?а со насока спротивна од часовникот, ко?а според Ленцов закон го создава своето магнетно поле (лева сина стрелка) насочена нагоре, ко?а се противи на магнетното поле, произведува??и сила на успорува?е. Слично на тоа, на задниот раб на магнетот (десно), создадена е стру?а со насока на стрелките на часовникот и долно контра поле, (десна сина стрелка) исто така произведува??и сила на успорува?е.

Кочница на вителни струи.

Магнетот предизвикува кружни струи во метален лим минува??и покра? него. Погледа?те на сликата десно. На сликата е прикажан лим (C) движе??и се десно под неподвижен магнет. Магнетното поле (B, зелени стрелки) од Северниот Пол на магнетот N се пренесува низ лимот. Биде??и металот се движи, магнетниот тек низ лимот се менува. На делот од лимот под работ на магнетот (лева страна) магнетното поле над лимот се зголемува како што се приближува до магнетот, $\scriptstyle {dB \over dt}\;>\;0$. Од Фарадеевиот закон за индукци?а, во лимот се создава кружно електрично поле во насока спротивна од часовникот, околу магнетните силови линии. Ова поле предизвикува тече?е на стру?а во лимот во насока спротивна од стрелките на часовникот (I, црвена). Оваа стру?а е вителна стру?а. На задниот раб на магнетот (десна страна) магнетното поле низ лимот се намалува, $\scriptstyle {dB \over dt}\;<\;0$, поттикнува??и втора вителна стру?а во лимот во насока на стрелките на часовникот.

Друг начин да се разбере стру?ата е да се види дека слободните носители на електрицитет (електрони) во лимот се движат на десно, па магнетното поле предизвикува странична сила врз нив, поради Лоренцовата сила, биде??и брзината v на носителите е на десно и магнетното поле B е насочено надолу , од правилото на десната рака, Лоренцовата сила за позитивни полнежи F = q(v × B) и е насочена наназад. Ова предизвикува стур?а I кон задниот дел под магнетот, ко?а кружи наоколу низ делови од лимот надвор од магнетното поле, во насока на стрелките на часовникот на десно и во насока спротивна од стрелките на часовникот во лево. Носителите на електрицитет во металот, електроните, всушност, имаат негативен полнеж (q < 0) така што нивното движе?е е спротивно во насока на прикажаната конвенционална стру?а.

Поради Амперовиот закон секо?а од овие кружни струи создава спротивно магнетно поле (сини стрелки), кое поради Ленцовиот закон се противи на промената на магнетно поле кое ?а предизвикало, предизвикува??и сила на завлекува?е кон лимот. На работ на магнетот (лева страна) според правилото на десна рака, стру?ата со насока спротивна од стрелките на часовникот создава магнетно поле насочено нагоре, спротивсавува??и му се на магнетното поле, предизвикува??и одбивна сила поме?у магнетот и работ на магнетот. Спротивно на тоа, на задниот раб (десна страна), стру?ата со насока кон стрелките на часовникот предизвикува магнетно поле насочено надолу, во иста насока со магнетното поле, создава??и привлечна сила поме?у лимот и задниот раб на магнетот. И двете сили се противат на движе?ето на лимот. Кинетичката енерги?а, ко?а се троши за да се надмине оваа завлечна сила, преминува во топлина од струите кои течат низ отпорноста на металот, па металот се загрева под магнетот.

Вителни струи во проводници со отпорност различна од нула произведуваат топлина и електромагнетни сили. Топлината може да се користи за индуктивно грее?е. Електромагнетните сили може да се користат за левитаци?а, придвижува?е или да дадат силен сопирачки ефект. Вителните струи исто така може да имаат несакани ефекти, на пример губе?е на мо?носта ка? трансформаторите. При оваа примена, тие се сведени на минимум со тенки плочи, преку ламинира?е на спроводници или други детали на спроводничките облици.

Самопредизвиканите вителни струи се одговорни за површинскиот ефект ка? спроводници. Тие може да се користат за полезно тестира?е на матери?али за геометриски одлики, како микро-пукнатини. Сличен ефект е ефектот на блискост, ко? е предизвикан од надворешни вителни струи.

Тело или дел од тело ко? е изложен на посто?ан интензитет на полето и насоката во ко?а што сè уште има релативно движе?е на полето и на телото (на пример, во средината на полето на сликата), или нестабилни поли?а каде струите не можат да циркулираат како резултат на геометри?ата на спроводникот. Во овие ситуации електрицитетот се насобира на или во рамките на телото и овие електрицитети тогаш произведуваат статички електрични потенци?али кои се противат на какви било понатамошни струи. Струите може првично да бидат поврзани со создава?ето на статички потенци?али, но тие може да бидат минливи и мали.

(лево) Вителни струи (I, црвена) до ?адрото на железен трансформатор. (десно) Изработка на ?адрото од тенки ламинати паралелни на полето (B, зелена) со изолаци?а ме?у нив ги намалува вителните струи. Иако полето и вителните струи се прикажани во една насока, тие, всушност, ?а менуваат насоката со наизменичната стру?а во трансформаторот.

Вителните струи создаваат отпорни загуби кои трансформираат некои форми на енерги?а, како што е кинетичка енерги?а, во топлина. Ова ?улово грее?е ?а намалува ефикасноста на трансформаторите со железно ?адро и на електричните мотори и други уреди кои користат менува?е на магнетни поли?а. Вителни струи се сведени на минимум во овие уреди, со избира?е на матери?али со магнетно ?адро кои имаат ниска електрична спроводливост (на пример, ферити) или со користе?е на тенки лимови од магнетен матери?ал, познати како ламинати. Електроните не може да ?а преминат изолационата шуплина поме?у ламинаци?ата и така не се во состо?ба да циркулираат во широки лакови. Електрицитетот се насобира на границите на ламинатите, во процес сличен на Халовиот ефект, создава??и електрични поли?а, кои се противат на каков било дополнителен раст на електрицитетот, а со тоа и ги потиснуваат на вителните струи. Што е покусо расто?анието поме?у соседните ламинати (на пример, што поголем е бро?от на ламинати по единица површина, нормална на применетата област), толку е поголемо потиснува?ето на вителните струи.

Претвора?ето на енергетскиот внес во топлина не е секогаш пожелено, но сепак има некои практични примени. Една од тие примени е ка? сопирачките на некои возови познати како вителни кочници. При сопира?е, металните тркала се изложени на магнетното поле од електромагнет, создава??и вителни струи во тркалата. Оваа вителна стру?а е создадена преку движе?ето на тркалата. Значи, според Ленцовиот закон, магнетното поле создадено од вителната стру?а ?е се спротивстави на причината за неговото постое?е. Така тркалото ?е се соочи со сила ко?а се спротивставуваа на почетното движе?е на тркалото. Колку побрзо тркалата се вртат, толку е посилен ефектот, што значи дека како што возот забавува, силата на коче?е се намалува, овозможува??и полесно сопира?е.

Индукциско грее?е исто така користи вителни струи за да обезбеди грее?е на метални предмети.

Мо?ност на дисипаци?а на вителни струи

Под одредени претпоставки ( непроменлив матери?ал, посто?ано магнетно поле, без површински ефект, итн) изгубената мо? под де?ство на вителни струи по единица маса за тенок лим или жица може да се пресмета со следнава равенка:

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

каде

P е изгубената мо? по единица маса (W/kg),

B_p e врвното магнетно поле (T),

d е дебелината на лимот или пречникот на жицата (m),

f е честотата (Hz),

k е константа еднаква на 1 за тенок лим и еднаква на 2 за тенка жица

ρ е отпорот на матери?алот (Ω m), и

D е густината на матери?алот (кг/м³).

Оваа равенка важи само во рамките на т.н. квазистатички услови, каде што честотата на магнетизаци?ата не резултира во површински ефект; при што, електромагнетните бранови целосно навлегуваат во матери?алот.

Површински ефект

Главна стати?а: Површински ефект

При многу брзи промени на полето, магнетното поле не навлегува целосно во внатрешноста на матери?алот. Ово? површински ефект ?а прави горната равенка неважечка. Ме?утоа, во секо? случа?, зголемената честота со иста вредност на полето секогаш ?е ги зголеми вителните струи, дури и со непосто?ано навлегува?е на полето.

Длабочината на навлегува?ето на добар проводник може да се пресмета преку следнава равенка:

$\delta ={\frac {1}{\sqrt {\pi f\mu \sigma }}},$

каде δ е длабочината на навлегува?ето (m), f е честотата (Hz), μ е магнетната пермеабилност на матери?алот (H/m), и σ е електрична спроводливост на матери?алот (S/m).

Дифузиона равенка

Изведува?ето на корисна равенка за моделира?е на ефектот на вителни струи во матери?ал започнува со диференци?ална, магнетостатична форма на Амперовиот закон, обезбедува??и изразува?е на магнетизирачко поле H опкружува??и густина на стру?а J:

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

Зема??и го предвид [[ротор (математика)|роторот]] на двете страни на оваа равенка, а потоа користе??и познат векторски идентитет за роторот на роторот се добива:

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

Од Гаусовиот закон за магнетизам, ? · H = 0, па

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

Користе??и го Омовиот закон, J = σE, ко? се однесува на густината на стру?ата J кон електричното поле E во однос на спроведливоста на матери?алот σ, и под претпоставка на изотропска хомогена спроводливост, равенката може да се запише како

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

Користе??и го диференци?алниот облик на Фарадеев закон, ? × E = ??B/?t, се добива

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

По дефиници?а, B = μ₀(H + M), каде M е магнетизамот на матери?алот и μ₀ е вакуумската пермеабилност. Равенката на дифузи?а е

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

Примена

Електромагнетно сопира?е

Главна стати?а: Електромагнетно сопира?е

Силите на коче?е кои произлегуваат од вителни струи во метална плоча се движат низ надворешно магнетно поле

Вителни струи се користат за сопира?е; биде??и не постои контакт ме?у папучата и барабанот, не постои механичкo трие?е. Сепак, кочницата ко?а користи вителна стру?а не може да обезбеди ?опсто?ува?е“ на вртежениот момент и од оваа причина мора да се користи во комбинаци?а со механички кочници, на пример, на кранови. Друга примена е ка? луди железници, каде тешки бакарни плочи кои се протегаат од вагонот се сместуваат ме?у парови на многу силни посто?ани магнети. Електричениот отпор во рамките на плочите предизвикува ефект на завлекува?е сличен на трие?е, ко? ?а намалува кинетичката енерги?а на автомобилот. Истата техника се користи во електромагнетни кочници во вагоните за брзо да се запрат сечилата во алати како кружни пили. Користе??и електромагнети, за разлика од посто?ани магнети, силата на магнетното поле може да се прилагоди и така големината на ефектот на сопира?е може да се промени.

Одбивни ефекти и левитаци?а

Главна стати?а: Електродинамичка суспензи?а

Пресек низ линеарен мотор поставен над дебела алуминиумска плоча. Биде??и моделот на магнетното поле на линеарен индукциски мотор забегува кон лево, вителните струи се оставени назад во металот и ова предизвикува линиите на полето да се постават.

Во променливо магнетно поле индуцираните струи покажуваат ди?амагнетски одбивни ефекти. Спроводливо тело ?е биде под де?ство на силата на одбивност. Оваа сила може да подигнува об?екти противе??и се на гравитаци?ата, иако со посто?ан доток на мо?ност за замена на енерги?ата потрошена од вителните струи. Пример за примена е раздво?ува?ето на алуминиумските конзерви од други метали во вителен сепаратор. Феритните метали се задржуваат на магнетот, а алуминиумот (и другите неферитни проводници) не се задржуваат на магнетот; на ово? начин може да се разделат металите на феритни и неферитни.

Со многу силeн рачен магнет, како што се оние направени од неодиум, лесно може да се наб?удува многу сличен ефект, со брзо превртува?е на магнетот над монета на мало расто?ание. Во зависност од силата на магнетот, составот на монетата, и расто?анието поме?у магнетот и монетата, може да се предизвика монетата да биде турната малку понапред од магнетот - дури и ако монетата не содржи магнетни елементи. Друг пример вклучува пушта?е силен магнет надолу низ цевка на бакар - магнетот па?а со драматично бавно темпо.

Во совршен проводник без отпор (суперспроводник), површинските вителни струи го прекинуваат полето точно во внатрешноста на спроводникот, па нема магнетно поле кое го продира спроводникот. Биде??и не е изгубена енерги?а од отпорот, вителни струи опсто?уваат кога магнетот ?е се донесе во близина на спроводникот, постое??и дури и кога магнетот е во мирува?е и точно ги урамнотежуваат силите на гравитаци?а, обезбедува??и магнетна левитаци?а. Суперспроводниците исто така имаат посебно изразен квантно механички по?ава наречен Ма?снеров ефект според ко? магнетните силови линии присутни во матери?алот кога то? станува суперпроводлив се отсутни, со што магнетното поле во суперпроводникот е секогаш еднакво на нула.

Со користе?е на електромагнети со електронско префрла?е споредбено со електронската регулаци?а на брзината можно е да создаваат електромагнетни поли?а движе??и се во произволна насока. Како што е опишано во претходниот дел за вителните кочници, површината на неферомагнетен спроводник тежнее да биде во мирува?е се во ова подвижно поле. Сепак кога ова поле се движи, едно возило може да лебди и да се придвижува. Ова е слично на маглев, но не е поврзано со шините.

Привлечни ефекти

Во некои геометриски целини целокупната сила на вителните струи може да биде привлечна, на пример, ка? линиите на флуксот кои се нормални на површината, индуцираните струи во близина на проводникот предизвикуваат сила ко?а го турка спроводникот кон електромагнетот.

Препознава?е на метали

Во продажните автомати кои користат монети, вителни струи се користат за открива?е на фалсификувани пари. Монетата се тркала кон неподвижен магнет, и вителните струи ?а забавуваат брзината. Силата на вителните струи, а со тоа и успорува?ето, зависи од спроводливоста на металот на монетата. Фалсификуваните пари се успорени за различен степен од вистинските пари, со што тие се користат за да ги испратат во отворот за одбива?е.

Вибрации и позициони сензори

Вителните струи се користат во одредени видови на сетилници на близина за да се наб?удува вибраци?ата и позици?ата на вртежните оски во рамките на нивните лежишта. Оваа технологи?а првично беше создадена во 1930-тите со користе?е на кола од вакуумски цевки од истражувачите на ??енерал електрик“. Во доцните 1950-ти години, употребливи верзии биле развиени од страна на Доналд Бентли во корпораци?ата ?Бентли Невада“. Овие сетилници се исклучително чувствителни на многу мали поместува?а што ги прави погодни за наб?удува?е на мали вибрации (од редот на неколку ил?адити делови од еден сантиметар) во современата турбомашинери?а. Типичен сетилник за близина ко? се користи за следе?е на вибрациите има осетливост од 200 mV/mil. Широката употреба на ваквите сетилници во турбомашинери?ата доведе до разво? на индустриски стандарди кои ги пропишуваат нивната употреба и примена. Примери за такви стандарди се стандардите на Американскиот институт за нафта (API) 670 и ISO 7919.

Фераровиот сетилник за забрзува?е, исто така, наречен Фераров сетилник, е бесконтактен сетилник ко? користи вителни струи за мере?е на релативното забрзува?е.

Структурно тестира?е

Техниките на вителни струи на?често се користат за полезно испитува?е (NDE) и следе?е на состо?бата на голем бро? на метални конструкции, вклучува??и ги тука и цевките разменувачи на топлина, труповите на авионот и авионските структурни компоненти.

Несакани ефекти

Вителните струи се основен предизвикувач на површинскиот ефект во проводниците со наизменична стру?а.

Ламинира?е на магнетни ?адра во трансформатори во голема мера ?а подобрува ефикасноста со минимизира?е вителни струи

Слично на тоа, во магнетните матери?али со конечна спроводливост, вителни струи предизвикуваат ограничува?е на поголемиот дел од магнетните поли?а на само неколку површински слоеви на површината на матери?алот. Ово? ефект го ограничува флуксното поврзува?е во спроводниците и трансформаторите со магнетно ?адро.

Примена

• Вителни кочници
• Направа за слободен пад
• Метални детектори
• Спроводливи метри за немагнетни метали
• Дискови на вителни струи со прилагодена брзина
• Тестира?е на вителни струи
• Електрични метри
• Индукциско грее?е
• Сетилник на близина
• Продажни автомати
• Мере?е на отпорноста
• Вителен сепаратор на метали
• Механички мерачи на брзина

Надворешни врски

• Eddy Currents and Lenz's Law Архивирано на 7 февруари 2009 г. (Audio slideshow from the National High Magnetic Field Laboratory)
• Eddy Current Separator Cogelme for non-ferrous metals separation – Info and Video in Cogelme site