Was sind Wirbelströme und welche Maßnahmen werden ergriffen, um sie zu reduzieren?
Kurze Definition
Wirbelströme sind Ströme, die in Leitern unter dem Einfluss eines magnetischen Wechselfeldes fließen. Nicht unbedingt muss sich das Feld ändern, der Körper kann sich in einem Magnetfeld bewegen, trotzdem beginnt ein Strom darin zu fließen.
Es ist unmöglich, die reale Flugbahn der Ströme zu finden, um sie zu berücksichtigen. Der Strom fließt dort, wo er den Weg mit dem geringsten Widerstand findet. Wirbelströme fließen immer in einem geschlossenen Kreislauf. Die Hauptbedingungen für sein Auftreten sind das Vorhandensein eines Objekts in einem magnetischen Wechselfeld oder seine Bewegung relativ zum Feld.
Entdeckungsgeschichte
Im Jahr 1824 wurde der Wissenschaftler D.F. Arago führte ein Experiment durch. Er montierte eine Kupferscheibe auf einer Achse und platzierte eine Magnetnadel darüber. Wenn sich die Magnetnadel dreht, beginnt sich die Scheibe zu bewegen. So wurde erstmals das Phänomen der Wirbelströme beobachtet. Die Scheibe begann sich zu drehen, weil aufgrund des Stromflusses ein Magnetfeld auftrat, das mit dem Pfeil wechselwirkte. Es wurde genannt, während das Phänomen von Arago.
Nach einigen Jahren erklärte M. Faraday, der das Gesetz der elektromagnetischen Induktion entdeckte, dieses Phänomen folgendermaßen: Ein sich bewegendes Magnetfeld induziert einen Strom in der Scheibe (wie in einer geschlossenen Schleife) und interagiert mit dem Pfeilfeld.
Warum ist der zweite Name Foucault Ströme? Denn der Physiker Foucault hat das Phänomen der Wirbelströme eingehend untersucht. Im Laufe seiner Forschungen machte er eine große Entdeckung. Es bestand darin, dass sich Körper unter dem Einfluss von Wirbelströmen erwärmen. Wir haben uns mit der Theorie befasst, jetzt werden wir darüber sprechen, wo Foucault-Ströme verwendet werden und welche Probleme verursachen.
Das folgende Video bietet eine detailliertere Definition dieses Phänomens:
Schaden durch Wirbelströme
Wenn Sie über das Design eines 50-Hz-Netztransformators nachdachten, haben Sie wahrscheinlich bemerkt, dass sein Kern aus dünnen Schichten besteht, obwohl es den Anschein hat, dass es einfacher ist, eine solide Gussstruktur herzustellen.
Tatsache ist, dass sie auf diese Weise mit Wirbelströmen zu kämpfen haben. Foucault stellte die Erwärmung der Körper her, in denen sie fließen. Da der Betrieb des Transformators auf den Prinzipien der Wechselwirkung variabler Magnetfelder beruht, sind Wirbelströme unvermeidlich.
Jede Erwärmung von Körpern ist die Freisetzung von Energie in Form von Wärme. In diesem Fall treten Kernverluste auf. Wie ist das gefährlich? Bei einer elektrischen Installation führt eine starke Erwärmung zur Zerstörung der Isolation der Wicklungen und zum Ausfall der Maschine. Wirbelströme hängen von den magnetischen Eigenschaften des Kerns ab.
So reduzieren Sie Verluste
Energieverlust im Magnetkreis ist nicht sinnvoll, wie soll man dann damit umgehen? Um ihre Größe zu verringern, wird der Kern aus dünnen Platten aus Elektrostahl rekrutiert - dies ist eine Art vorbeugende Maßnahme zur Reduzierung von Streuströmen. Solche Verluste werden durch die Formel beschrieben, nach der berechnet werden kann:
Wie Sie wissen: Je kleiner der Querschnitt des Leiters ist, desto größer ist sein Widerstand und je größer sein Widerstand, desto geringer ist der Strom. Die Platten sind durch Schuppen oder eine Lackschicht voneinander isoliert. Die Kerne großer Transformatoren werden durch einen isolierten Bolzen zusammengezogen. Dies reduziert den Kernverlust, d.h. Dies sind die wichtigsten Möglichkeiten, um Foucault-Ströme zu reduzieren.
Welche Konsequenzen hat der Einfluss dieses Phänomens? Das Magnetfeld, das durch den Fluss der Foucault-Ströme entsteht, schwächt das Feld, aufgrund dessen sie entstanden sind. Das heißt, Wirbelströme verringern die Stärke von Elektromagneten. Gleiches gilt für die Konstruktion von Teilen von Elektromotoren und Generatoren: Rotor und Stator.
Praktische Anwendung
Nun zu den nützlichen Anwendungen von Foucault-Strömen. Ein großer Beitrag zur Metallurgie wurde durch die Erfindung von Induktionsstahlherstellungsöfen geleistet. Sie sind so angeordnet, dass die geschmolzene Metallmasse in einer Spule angeordnet ist, durch die ein hochfrequenter Strom fließt. Sein Magnetfeld induziert große Ströme im Inneren des Metalls, bis es vollständig geschmolzen ist.
Anmerkung des Autors!Die Entwicklung von Induktionsöfen erhöhte die Umweltfreundlichkeit der Metallherstellung erheblich und veränderte die Idee der Schmelzmethoden. Ich arbeite in einem metallurgischen Werk, wo vor zehn Jahren eine neue Hightech-Werkstatt mit solchen Anlagen eröffnet wurde, und einige Jahre nach der Entwicklung neuer Geräte wurde der klassische offene Herd geschlossen. Dies zeigt die Produktivität dieser Methode zum Erhitzen von Metallen an. Wirbelströme werden auch zum Oberflächenhärten von Metall verwendet.
Visuelle Anwendung in der Praxis:
Neben der Metallurgie werden sie zur Herstellung von Vakuumgeräten eingesetzt. Das Problem ist die vollständige Entfernung von Gasen vor dem Verschließen des Kolbens. Mit Foucault-Strömen werden die Elektroden der Lampe auf hohe Temperaturen erwärmt, wodurch das Gas deaktiviert wird.
Im Alltag finden Sie Küchen-Induktionsherde, auf denen dank der Anwendung dieses Phänomens gekocht wird. Wie Sie sehen können, haben Wirbelströme ihre Vor- und Nachteile.
Foucaults Ströme sind sowohl nützlich als auch schädlich. In einigen Fällen bringt ihr Einfluss keine elektrischen Probleme mit sich. Beispielsweise zerfällt eine in der Nähe von Kabelleitungen verlegte Pipeline ohne erkennbare Gründe Dritter schneller. Gleichzeitig haben sich Induktionsheizgeräte sehr gut bewährt, zumal ein solches Gerät für den Hausgebrauch selbst montiert werden kann. Wir hoffen, dass Sie jetzt wissen, was Foucault-Wirbelströme sind und welche Anwendung sie in der Produktion und im Alltag gefunden haben.
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