جریان گردابی چیست

قطار وسیله نقلیه فوق العاده ای است و سوار شدن بر آن بسیار سرگرم کننده است. آیا به یاد می آورید که هنگام سوار شدن به قطار درختان را دیدید؟ آیا فریادهای بلندی را که قبل از توقف قطار شنیده می شد به خاطر دارید؟ چه صدایی شنیدی؟ خوب، قطار توسط خلبان کم می شد. با این حال، قطارهای سریع‌السیر جدیدتر، مونوریل‌ها و انواع دیگر قطارها این صدا را نمی‌شنوند. چرا اینطور است؟ همه چیز در مورد جریان های گردابی در این مقاله پوشش داده خواهد شد.

جریان های گردابی که اغلب به عنوان جریان های فوکو نامیده می شوند، حلقه های جریان الکتریکی هستند که مطابق با قانون القایی فارادی توسط یک میدان مغناطیسی در حال تغییر به هادی ها تبدیل می شوند. هنگام ترسیم نمودار، این جریان‌های دایره‌ای درون یک جسم فلزی گرداب‌ها یا گرداب‌های یک مایع را تقلید می‌کنند. در این مقاله با آنها بیشتر آشنا خواهیم شد.

آیا به سرعت سنج ماشین خود توجه کرده اید؟ یک آهنربای کم در نشانگر سرعت به محور محرک خودرو متصل است. بر اساس سرعت خودرو می چرخد. جریان گردابی اثر مخالف حرکت چرخشی و انحراف نشانگر در یک زاویه خاص دارد. ترازو کالیبره شده و نشانگر متصل سرعت خودرو را نشان می دهد.
جریان های گردابی انرژی را هدر می دهند زیرا تمایل دارند با یکدیگر مخالفت کنند. بسیاری از اشکال مفید انرژی، مانند انرژی جنبشی، توسط جریان های گردابی به گرما تبدیل می شوند که معمولاً مفید نیستند.

Eddy Current چیست؟

جریان های گردابی جریان هایی هستند که مانند گرداب های چرخان در یک جریان از طریق هادی ها حرکت می کنند. آنها در حلقه های بسته عمود بر صفحه میدان مغناطیسی جریان دارند و با جابجایی میدان های مغناطیسی تولید می شوند. جریان های گردابی ناشی از تغییر در قدرت یا جهت یک میدان مغناطیسی است که توسط یک هادی تجربه می شود، که می تواند زمانی اتفاق بیفتد که هادی در یک میدان مغناطیسی حرکت می کند یا زمانی که میدان مغناطیسی اطراف یک هادی ثابت در حال تغییر است. مقدار جریان گردابی با مقاومت رسانا نسبت معکوس دارد و به طور مستقیم با قدرت میدان مغناطیسی، مساحت حلقه و سرعت تغییر شار مرتبط است. جریان های گردابی درست مانند هر جریان دیگری که از یک هادی عبور می کند، میدان های مغناطیسی خود را ایجاد می کنند. طبق قانون لنز، میدان مغناطیسی تولید شده توسط یک جریان القایی مغناطیسی، مانند یک جریان گردابی، با تغییر میدان مغناطیسی که باعث آن شده است، مخالفت می کند. ترمز جریان گردابی، یک تکنیک پرکاربرد برای توقف ابزارهای برقی دوار و ترن هوایی، از این مقاومت تولید شده توسط میدان های مغناطیسی مخالف بهره می برد.

جریان گردابی چه زمانی تولید می شود؟

هنگامی که یک رسانا در یک میدان مغناطیسی حرکت می کند یا زمانی که میدان مغناطیسی اطراف یک هادی ثابت تغییر می کند، جریان های گردابی تولید می شود. در نتیجه، هر زمان که یک هادی تغییر در قدرت یا جهت میدان مغناطیسی را تجربه کند، ممکن است جریان گردابی تولید شود.
مانند گرداب های چرخان در یک جریان، جریان های گردابی از طریق هادی ها حرکت می کنند و اغلب در واکنش به یک میدان مغناطیسی در حال تغییر ایجاد می شوند. آنها به دلیل جابجایی میدان های مغناطیسی به جریان در حلقه های بسته ای که عمود بر صفحه میدان مغناطیسی هستند ایجاد می شوند. اینها با نام جریان های فوکو نیز شناخته می شوند. قانون لنز بیان می کند که جهت یک جریان القایی شبیه یک جریان گردابی خواهد بود، زیرا میدان مغناطیسی ایجاد شده با تغییر میدان مغناطیسی که آن را ایجاد کرده است، مخالف است. در یک رسانا، این نیاز به حرکت الکترون ها در صفحه ای عمود بر میدان مغناطیسی دارد. قدرت جریان گردابی:

• متناسب با قدرت میدان مغناطیسی
• متناسب با سطح حلقه
• مربوط به سرعت تغییر شار مغناطیسی است

برعکس مربوط به مقاومت است
جریان گردابی منجر به اتلاف انرژی در یک هادی می شود زیرا تمایل به مخالفت با تغییرات میدان مغناطیسی تولید کننده آن دارد. دستگاه ها انرژی الکتریکی یا جنبشی – دو نوع انرژی – را به گرما تبدیل می کنند. ما از مقاومت تولید شده توسط میدان مغناطیسی مخالف برای تولید جریان های گردابی برای ترمز استفاده می کنیم تا از چرخش ابزارهای برقی و ترن هوایی جلوگیری کنیم.

جریان های گردابی در اصل در سال 1824 توسط فرانسوا آراگو، بیست و پنجمین نخست وزیر فرانسه و ریاضیدان، دانشمند و ستاره شناس مشاهده شد. 1824. او اولین کسی بود که مغناطیس چرخشی را دید و فهمید که بیشتر اقلام رسانا را می توان مغناطیسی کرد. ده سال بعد، هاینریش لنز قانون لنز را منتشر کرد، اما تا سال 1855 بود که لئون فوکو، فیزیکدان فرانسوی، به طور رسمی جریان گردابی را کشف کرد. او چندین آزمایش انجام داد و به این نتیجه رسید که وقتی لبه یک دیسک مسی بین قطب های آهنربا قرار می گیرد، نیروی لازم برای چرخش آن افزایش می یابد (مانند آهنربای نعل اسبی). دیسک در نتیجه این جریان های گردابی القایی گرم می شود.

ویژگی های جریان های گردابی

جریان گردابی دارای ویژگی های زیر است.

• اینها فقط در داخل مواد رسانا رخ می دهند.
• عیوب مانند ترک، خوردگی، لبه های تیز و غیره آنها را تغییر می دهد.
• شدت جریان های گردابی در سطح افزایش می یابد و با عمق کاهش می یابد.

کاربردهای جریان گردابی

کاربردهای زیادی از جریان گردابی وجود دارد. برخی از آنها به شرح زیر است.

شناور شدن مغناطیسی

قطارهای مدرن Maglev با سرعت بالا از این نوع شناور دافعه برای اطمینان از حمل و نقل بدون اصطکاک استفاده می کنند. جریان های گردابی بر روی صفحه رسانای ثابتی که قطار بر روی آن حرکت می کند توسط شار مغناطیسی متحرک تولید شده توسط آهنربای ابررسانا نصب شده بر روی قطار در حال حرکت ایجاد می شود. جریان های گردابی و میدان مغناطیسی با یکدیگر ترکیب می شوند تا نیروهای شناور را ایجاد کنند.

درمان سرطان هایپرترمی

گرمایش جریان گردابی برای گرم کردن بافت در طول درمان سرطان هایپرترمی استفاده می شود. سیم پیچ های نزدیک به یک خازن برای ایجاد یک مدار مخزن که به منبع فرکانس رادیویی متصل است، باعث ایجاد جریان های گردابی در لوله های رسانا می شود.

ترمز جریان گردابی

انرژی جنبشی که به عنوان گرما در اثر تلفات جریان گردابی از دست می‌رود، کاربردهای صنعتی گسترده‌ای دارد، از جمله:

ترمز قطار

هنگامی که ترمز فشار وارد می کند، جریان گردابی در چرخ ها ایجاد می شود و چرخ های فلزی را در معرض میدان مغناطیسی قرار می دهد. چرخ ها توسط برهمکنش مغناطیسی بین میدان اعمال شده و جریان های گردابی کند می شوند. با کاهش سرعت قطار، نیروی ترمز کاهش می یابد و در نتیجه یک عمل توقف ملایم انجام می شود. هرچه این اثر قوی تر باشد، چرخ ها سریع تر می چرخند.

ترمز ترن هوایی

یک سری آهنرباهای قوی و دائمی به طور دائم در انتهای مسیر یک ترن هوایی نصب می شوند. با سرعت خودروها، این آهنرباها جریان های گردابی را در اجزای فلزی چسبانده شده در کناره های خودرو ایجاد می کنند. تا پایان سفر، خودروها قبل از درگیر شدن ترمزها و برخورد آهنرباها با فلز، آزادانه در اطراف مسیر حرکت می کنند.

اره یا مته برقی برای خاموش شدن آن در مواقع اضطراری

جریان گردابی نیز در اره برقی و مته برای توقف اضطراری استفاده می شود.

گرمایش القایی

با کمک یک الکترومغناطیس با فرکانس بالا و جریان های گردابی، یک جسم رسانا از طریق فرآیند گرمایش القایی به صورت الکتریکی گرم می شود. کاربردهای اولیه آن شامل پخت القایی، ذوب فلزات در کوره القایی، جوشکاری، لحیم کاری و سایر فرآیندها.

جریان‌های گردابی بزرگی در میدان‌های مغناطیسی ایجاد می‌شوند که به‌دلیل emf قوی تولید شده، به سرعت در حال تغییر هستند. دما توسط جریان های گردابی ایجاد می شود. در نتیجه دمای بالایی تولید می شود. بنابراین، یک سیم پیچ به دور یک فلز تشکیل دهنده پیچیده می شود که در یک میدان مغناطیسی قرار گرفته است که با فرکانس بالا تولید می شود و بسیار نوسانی است. فلز در دمای تولید شده ذوب می شود. فلزات با استفاده از این روش از سنگ معدن استخراج می شوند. با ذوب فلزات در یک کوره القایی در دمای بسیار بالا می توان آلیاژهایی ایجاد کرد.

درایوهای سرعت قابل تنظیم جریان گردابی

یک درایو سرعت متصل به جریان گردابی با کمک یک کنترل کننده بازخورد امکان پذیر است. این در پردازش پلاستیک، نوار نقاله، آهنگری فلز و غیره استفاده می شود.

فلزیاب ها

القای جریان گردابی در فلز، در صورت وجود، توسط فلزیاب ها برای شناسایی وجود فلزات در سنگ ها، خاک ها و سایر مواد استفاده می شود.
برنامه های کاربردی برای پردازش داده ها:

آزمایش غیر مخرب جریان گردابی برای بررسی ترکیب و چقرمگی سازه های فلزی استفاده می شود.

میرایی الکترومغناطیسی

گالوانومترهای Deadbeat از طریق میرایی الکترومغناطیسی ایجاد می شوند. قبل از نشستن سوزن، اغلب کمی در اطراف نقطه تعادل خود نوسان می کند. سیم پیچ به دور یک قاب فلزی پیچیده می شود که مغناطیسی نیست تا از تاخیر در خواندن ناشی از این جلوگیری شود. هنگامی که سیم پیچ منحرف می شود، جریان های گردابی در قاب فلزی ایجاد می شود که باعث می شود سوزن بلافاصله استراحت کند. بنابراین، “سیم پیچ” در حرکت خود مرطوب می شود. یک هسته ثابت از مواد فلزی غیر مغناطیسی در برخی از گالوانومترها استفاده می شود. جریان های گردابی تولید شده در هسته سیم پیچ با حرکت سیم پیچ در نوسان مخالفت می کند و سیم پیچ را متوقف می کند.

کنتورهای برق

جریان های گردابی باعث چرخش دیسک فلزی درخشان در کنتور برق می شود. جریان الکتریکی در دیسک توسط میدان مغناطیسی تولید می شود. دیسک درخشان از خانه شما نیز قابل مشاهده است.

سرعت سنج ها

این جریان ها برای تعیین سرعت خودرو استفاده می شوند. آهنربایی که به طور مداوم مطابق با سرعت ماشین ما می چرخد یک سرعت سنج را می سازد. در درام جریان های گردابی ایجاد می شود. اشاره گر متصل به درام سرعت وسیله نقلیه را نشان می دهد که درام در جهت چرخش آهنربا می چرخد.

تست جریان گردابی

تست جریان گردابی برای تشخیص موارد زیر استفاده می شود.

1. تشخیص ترک: تجهیزات تشخیص ترک های جریان گردابی را می توان به عنوان ابزار با فرکانس بالا برای مواد آهنی و غیر آهنی که دارای ترک های سطح شکن هستند و ابزار با فرکانس پایین برای مواد غیر آهنی که دارای ترک های زیرزمینی هستند طبقه بندی کرد.
2. آزمایش لوله و سیم کشی: سیستم های آزمایش جریان گردابی که می توانند لوله، میله و سیم را با سرعت 3 متر بر ثانیه بازرسی کنند، توسعه یافته اند. نصب آزمایشی به طور خودکار زمانی شروع می شود که اپراتور دستگاه را با استفاده از یک لوله یا سیم با خطاهای شناخته شده کالیبره می کند، محصولات معیوب را از خط تولید حذف می کند یا آنها را با رنگ رنگ می کند.
3. بازرسی لوله کندانسور: مبدل های حرارتی راکتورهای آب تحت فشار در حال حاضر تمرکز تحقیقات زیادی روی این کاربرد هستند زیرا آزمایش جریان گردابی در این مورد مفید است.
4. مرتب‌سازی مواد: این رویکرد نمونه بهتری از کیفیت مواد را نسبت به بسیاری از روش‌های مرتب‌سازی مواد دیگر ارائه می‌کند و مهم‌تر از آن، نسبتاً سریع است زیرا میدان‌های جریان گردابی به فراتر از سطح ماده آزمایشی نفوذ می‌کنند.
5. آزمایش جوش: آزمایش‌کننده‌های ساده جریان گردابی فرکانس بالا مدتی است که برای یافتن شکستگی انگشتان پا در جوش‌های آهنی استفاده می‌شوند. این تکنیک این مزیت را دارد که می تواند عیوب را از طریق چندین لایه رنگ مشاهده کند. سطوح بالای نویز ناشی از نوسانات نفوذپذیری جوش و نویز بلند شدن از سطوح درپوش ناهموار از معایب آن هستند.
6. اندازه گیری ضخامت پوشش: تست جریان گردابی به دلیل وضوح عالی نزدیک به سطح، برای اندازه گیری دقیق رنگ و پوشش های فلزی روی سطوح فلزی موثر است.

فرمول تلفات جریان گردابی

قانون القای الکترومغناطیسی فارادی بیان می کند که وقتی ماده مغناطیسی در معرض میدان مغناطیسی تولید شده توسط جریان متناوب قرار می گیرد، یک emf به ماده هسته القا می شود. ماده مغناطیسی دارای کیفیت رسانای الکتریکی است و emf القایی در ماده باعث ایجاد جریان جریان می شود. در درون ماده، جریان به اطراف حرکت می کند. و جریان های گردشی تولید شده توسط EMF به عنوان جریان گردابی شناخته می شوند. تلفات جریان گردابی نامی است که به گرمایی که در نتیجه جریان های گردابی در مواد مغناطیسی از دست می رود داده می شود.
جریان گردابی جریان گردشی است که EMF القایی ایجاد می کند. تلفات جریان گردابی به تلفات حرارتی ناشی از جریان گردابی اشاره دارد.

از دست دادن هیسترزیس دیگر از دست دادن در ماده مغناطیسی است. تلفات آهن، تلفات مغناطیسی و تلفات ثابت ترکیبی از تلفات جریان گردابی و هیسترزیس هستند.
جریان متناوب هنگامی که ماده مغناطیسی از سیم پیچ عبور می کند، شار مغناطیسی ایجاد می کند. با القای EMF در چندین سایت هسته، شار نیز به مواد هسته مربوط می شود. جریان چرخش حلقه بسته هسته ناشی از اختلاف پتانسیل است. جریان گردابی نام جریان گردشی است.
تلفات جریان گردابی متناسب با؛
مربع جریان گردابی (I2)
مقاومت هسته (R)
بنابراین فرمول تلفات جریان گردابی تلفات جریان گردابی (We) = K x I2 R (که در آن K ثابت جریان گردابی است) است.

چگونه تلفات جریان گردابی را کاهش دهیم؟

با کاهش جریان، می توانیم تلفات جریان گردابی را کاهش دهیم. با افزایش مقاومت هسته، جریان کاهش می یابد. مقاومت هسته را می توان از طریق زیر کاهش داد.

با استفاده از ورق های لمینت شده در هسته
استفاده از فولاد سیلیکونی با مقاومت بالا به عنوان ماده اصلی
برای ایجاد هسته از ورق های چند لایه نازک استفاده می شود. عایق الکتریکی بین دو ورق مجاور ارائه می شود

s توسط لمینیت روی ورق ها. مقاومت ورق نازک بیشتر است زیرا سطح مقطع آن کمتر است (R = ρL/A). جریان های گردابی به دلیل مقاومت بالا مختل می شوند. در نتیجه، اندازه جریان و تلفات کاهش می یابد.

استفاده از هسته فولادی CRGO (Cold Rolled Grain Oriented) تکنیک جایگزین برای کاهش جریان و تلفات است. به دلیل مقاومت الکتریکی بیشتر هسته فولادی CRGO، تلفات کاهش می یابد.

تلفات جریان گردابی در ترانسفورماتور

طبق قانون فارادی و قانون لنز، جریان میدان مغناطیسی درون هسته ترانسفورماتور باعث ایجاد EMF در هسته می شود و باعث می شود که جریان گردابی همانطور که در تصویر زیر نشان داده شده است، جریان یابد. به قسمت هسته ترانسفورماتور در تصویر نگاه کنید. جریان گردابی ieddy در داخل هسته در نتیجه میدان مغناطیسی B(t) ایجاد شده توسط جریان سیم پیچ i(t) به گردش در می آید.

تلفات جریان گردابی را می توان به صورت زیر بیان کرد:

Peddy=Kef2Bm2T2

در جایی که f فرکانس منبع تحریک، Bm مقدار پیک میدان مغناطیسی و T ضخامت ماده است، ke ثابتی است که به اندازه بستگی دارد و با مقاومت ماده نسبت معکوس دارد.