virvelstrøm

Virvelstrøm er navnet gitt til en strøm som er indusert i en utvidet elektrisk leder i et magnetfelt som endres over tid eller i en bevegende leder i et tidsmessig konstant, men romlig inhomogent magnetfelt. Navnet ble valgt fordi induksjonsstrømlinjene er selvstendige som virvler.

beskrivelse

Hvis en metallskive faller i en rett linje gjennom et magnetfelt som er vinkelrett på den, induserer dette virvelstrømmer i skiven, som igjen genererer to magnetfelt som bremser skiven ned. ( I : konvensjonell strømretning)

Virvelstrømmer genererer i sin tur et magnetfelt som i følge Lenzs regel motvirker endringen i feltet. Som et resultat blir strømmen forskjøvet fra lederens sentrum ved høye frekvenser og store tverrsnitt ( hudeffekt ).

Hvis lederen har en begrenset elektrisk motstand, varmes den opp. Når det gjelder et magnetfelt som endres over tid, tilsvarer disse virvelstrømstapene et faseforskyvning mellom strøm og spenning i den spennende spolen som avviker fra 90 °, eller, i tilfelle av relativ bevegelse mellom felt og leder, en bremsekraft. Kraften skaleres lineært, krafttapet skaleres kvadratisk med frekvensen eller hastigheten, så langt som hudeffekten er ubetydelig. Spesielt forsvinner kraften når den relative hastigheten mellom felt og leder blir null.

En nøyaktig beregning av strømfordelingen og de virkende kreftene krever å løse Maxwells ligninger for applikasjonsorienterte geometrier ved bruk av numeriske metoder .

Bruk og mottiltak

Virvelstrømmenes amplitude og fase

Den virvelstrømprøving blir brukt for ikke-destruktiv materialprøving , og materialkarakterisering og basert på måling av amplituden og fasen av virvelstrømmer.

Den skjermende virkning av ikke-ferromagnetiske metallhus mot vekslende magnetiske felt er basert på virvelstrømmer i huset, idet magnetfeltet som delvis kompenserer for feltene. Mengden av skjermingseffekten blir registrert med skjermdempningsmengden . Det er bra når virvelstrømmene bare dempes lett av elektrisk motstand.

Demping av strømmen fører til et faseskift i forhold til det genererende feltet. I den skyggelagte polmotoren skaper en kortslutning som vikler seg rundt den skyggelagte polen, et forsinket felt over hovedfeltet og sammen med det et roterende felt. I kontaktorer og trekkmagneter som drives med vekselstrøm, forhindrer en kortslutning som vikles rundt en del av ankeret at trekkraften med jevne mellomrom blir null. Strengt tatt er strømmen i kortslutningsviklingen ikke en virvelstrøm fordi dens bane er forhåndsbestemt av lederens form.

Force effekt

Tving effekter av magnetfelt generert av virvelstrømmer ved hjelp av eksemplet på en metallplate som beveger seg over feltlinjene til et eksternt magnetfelt

Et raskt økende inhomogent magnetfelt frastøter lukkede gode ledere. Dette brukes til magnetdannelse og elektromagnetisk pulsveising og med Gauss-riflen .

Bremsekraften mellom en bevegelig, lukket leder og et magnetfelt brukes i virvelstrømsbremser i skinnevogner , i fritt falltårn, sykkelergometre og for å dempe mekaniske vibrasjoner i skanningstunnelmikroskoper og målesystemer for bevegelige spoler .

Selv om magnetfeltet beveger seg i forhold til lederen, opprettes en kraft og lederen kan beveges. Også her er kraften proporsjonal med differensialhastigheten. I asynkrone motorer , som også kan utformes som lineære motorer , genereres det roterende eller kjørende feltet elektromagnetisk. I mekaniske hastighetsmålere og teller, avbøyer en roterende permanentmagnet en aluminiumsskive mot en fjærkraft.

Virvelstrømseparatorer fungerer på lignende måte , med hvilke ikke-jernholdige metaller som kobberkabler og aluminiumsbokser eller folier skilles fra avfall ved frekvenser på opptil flere kilohertz . I motsetning til magnetiske separatorer , som tiltrekker seg ferromagnetiske deler, blir ikke-magnetiske, men magnetiserbare partikler frastøtt av det raskt roterende magnetfeltet i virvelstrømsprosessen .

I Ferraris-strømmålere har virvelstrømmen både en drivende og en dempende effekt: et magnetisk kjørefelt dannet av mengdene som skal måles, strøm og spenning, driver en aluminiumsskive, hvis rotasjon er kraftig dempet av en permanent magnet.

oppvarming

Virvelstrømmer i jernblokken (over) og i laminerte ark (under)

Induktiv oppvarming av metall (f.eks. I smelteovner, kokekar på induksjonstopper , arbeidsstykker for induktiv herding eller termisk krymping) bruker et alternerende magnetfelt. Ved produksjon av elektronrør varmes det opp en liten kopp eller ring induktivt gjennom glasspæren for å fordampe getter inni . Det er nødvendig at metallkaret som skal oppvarmes, inkludert dets innhold, er i det minste flatt, er tilstrekkelig elektrisk ledende i området som skal varmes opp og er lett tilgjengelig fra andre, spesielt flate, metallbeslag av røret.

Tapene knyttet til oppvarmingen er ofte en uønsket bivirkning ved bruk av vekslende magnetfelt. Som et mål mot virvelstrømstap (for andre se under jerntap ), blir ikke jernkjerner av transformatorer og elektriske motorer gjort solide, men heller " laminerte ". Pakker av stort sett lakkisolert elektriske plater er orientert parallelt med de magnetiske feltlinjer , slik at de mulige store virvelstrømveier blir avbrutt (se figuren); bare mindre virvelstrømmer kan utvikle seg i de enkelte arkene, men strømtapet er lavt. Ved høye frekvenser, ferritter eller pulverkjerner anvendes for transformatorer og drosselspoler .

Ledere for høytytende oljetransformatorer er utformet som tvinnede ledere (Röbel wire) med et tverrsnitt som består av to tilstøtende stabler med isolerte flate ledninger (reduserer virvelstrømstap i kobberet), som kontinuerlig stables, transponeres, dvs. vrides suksessivt, noe som skaper fleksibilitet for vikling . Magnetviklingene i reststrøm og strømbrytere består noen ganger også av bunter med isolerte individuelle ledere.

For å unngå strømforskyvning ( hudeffekt ) består ledere for vekselstrøm med høyere frekvens av sammenvevde, isolerte, parallellkoblede individuelle ledere ( HF litz wire ).

historie

François Arago (1786–1853) gjorde sine første observasjoner i 1824 ("roterende magnetisme"). Han fant ut at med Arago-effekten settes en magnetisert og bevegelig montert stang (for eksempel en kompassnål ) i rotasjon av en nærliggende, roterende og ikke-magnetisk metallskive. Observasjonen ble supplert og forklart av Michael Faraday (1791–1867). Det statiske magnetfeltet på stangen induserer virvelstrømmer i den roterende skiven, som igjen genererer et magnetfelt som samhandler med stangen og setter den i bevegelse.

Emil Lenz etablerte Lenz-regelen i 1834 .

Franske Léon Foucault (1819–1868) er kreditert for å oppdage virvelstrømmer i 1855.

Som et resultat var det mulig å jobbe spesifikt med å unngå uønskede virvelstrømmer og bruke virvelstrømmer for materialanalyse.

Virvelstrømmer ble først brukt i 1879 av David Edward Hughes til metallurgiske tester som grunnlag for sortering av materiale.

Se også

• Levitasjon i et høyfrekvent vekslende magnetfelt

litteratur

• Heinrich Kaden: Virvelstrømmer og skjerming i kommunikasjonsteknologi. Springer, Berlin 2006, ISBN 3-540-32569-7 .

weblenker

Wiktionary: virvelstrøm  - forklaringer av betydninger, ordets opprinnelse, synonymer, oversettelser

• Litteratur av og om virvelstrømmer i katalogen til det tyske nasjonalbiblioteket

Individuelle bevis

1. ↑ Christian Neubauer, Barbara Stoifl, Maria Tesar, Peter Thaler: sortering og gjenvinning av plastavfall i Østerrike: Status 2019 , side 95, Federal Environment Agency, Wien / Østerrike. I: Umweltbundesamt.at
2. ↑ Kobber i elektroteknikk - kabler og ledninger , Deutsches Kupferinstitut eV, Düsseldorf, mars 2000, s. 36. Hentet 6. september 2015. (PDF; 635 kB).
3. ^ Skulls in the Stars: Arago finner ny fysikk med kompass (1824). I: Skulls in the Stars. 24. mars 2018, åpnet 30. mars 2021 .