جریان گردابی

الکترومغناطیس

برق · مغناطیس الکتروستاتیک بار برقی · قانون کولن میدان برقی · قانون گاوس پتانسیل برقی گشتاور دوقطبی برقی مغناطیس ساکن قانون آمپر · جریان برق میدان مغناطیسی · قانون گاوس در مغناطیسی قانون بیو−ساوار . شار مغناطیسی گشتاور دوقطبی مغناطیسی الکترودینامیک خلأ قانون نیروی لورنتس نیروی محرکه برقی · القای الکترومغناطیسی قانون فارادی · جریان جابجایی معادلات ماکسول · میدان الکترومغناطیسی تابش الکترومغناطیسی جریان گردابی · تانسور ماکسول · بردار پوئینتینگ · معادلات جفیمنکو مدار برقی رسانایی برقی مقاومت برقی · خازن · القاگر امپدانس · تشدیدگر · جریان متناوب · موج بر فرمول بندی هموردا پتانسیل لنارد−ویخرت تانسور الکترومغناطیسی تانسور تنش−انرژی الکترومغناطیسی دانشمندان کولن · آمپر · ماکسول · فارادی · هانری · هرتز · تسلا · وبر · اورستد · الیور هویساید · ولتا

با حرکت صفحه رسانای دایروی در یک میدان مغناطیسی ثابت، که به سمت داخل صفحه می‌باشد، جریان الکتریکی در رسانا القا می‌گردد. جهت این جریان الکتریکی با استفاده از قانون لنز تعیین می‌گردد.

‫در فیزیک جریان گردابی ‫یا جریان فوکو به جریان الکتریکی گویند که در یک رسانا، در اثر یک میدان مغناطیسی متغیر و یا در حال حرکت، و یا در اثر حرکت رسانا در میدان مغناطیسی، ایجاد می‌شود.

هنگامی که یک رسانا در معرض تغییر میدان مغناطیسی ناشی از جنبش نسبی منبع میدان و رسانا است یا بخاطر تغییرات میدان بوجود می‌آیند. این می‌تواند باعث ایجاد جریان گردش الکترون‌ها یا یک جریان در داخل رسانا شود. این گرداب‌های چرخشی جریان، میدان‌های مغناطیسی القایی را بوجود می‌آورند که با تغییر میدان مغناطیسی اولیه بخاطر قانون لنز مقابله می‌کنند و باعث ایجاد نیروهای دامنه یا جاذبه بین رسانا و مغناطیس می‌شوند. میدان مغناطیسی اعمال شده را قوی‌تر می‌کند یا رسانایی الکتریکی رسانا را افزایش می‌دهد یا میدانی را سریع‌تر می‌کند که رسانا در معرض تغییرات قرار گرفته‌است سپس جریانات بوجود آمده و میدان مخالف را بزرگتر می‌کند.

اصطلاح جریان گردابی از جریانات مشابه در آب گرفته شده‌است این جریانات در هنگام پارو زدن در آب بوجود می‌آیند. نواحی موضعی تلاطم به نام گرداب‌ها در گرداب‌های مداوم بوجود می‌آیند.

جریانات گردابی مانند تمام جریانات الکتریکی گرما و نیز نیروهای الکترومغناطیسی تولید می‌کنند. گرما را می‌توان برای گرمایش القایی تحت کنترل درآورد. نیروهای الکترومغناطیسی را می‌توان برای شناوری، ایجاد حرکت یا ایجاد یک تأثیر عایقی قوی بکار برد. جریانات گردابی همچنین تأثیرات نامطلوبی دارند از جمله اتلاف توان در مبدل‌ها، کاربرد آنها با صفحه‌های نازک توسط لایه لایه سازی رساناها یا جزئیات دیگر ی از شکل رسانا به حداقل می‌رسند.

جریانات گردابی خودالقایی مسبب اثر سطحی در رساناها هستند. از اثر سطحی می‌توان برای تست غیرمخرب ویژگی‌های هندسی مواد از جمله ترک‌های کوچک استفاده کرد. یک تأثیر مشابه، اثر نزدیکی می‌باشد که توسط جریانات گردابی القاء شدة بیرونی به وجود می‌آید.

تاریخچه

اولین شخصی که جریانات گردابی را مشاهده کردفرانسوا آراگو (۱۸۵۳-۱۷۸۶) بیست و پنجمین رئیس جمهور فرانسه بود او همچنین ریاضیدان، فیزیکدان و منجم بود. در سال ۱۸۲۴ او چیزی را که کشش چرخشی نام دارد، مشاهده کرد و واقعیتی را دریافت که اکثر اجسام می‌توانند مغناطیسی شوند. این کشف را مایکل فارادی (۱۸۶۸-۱۷۹۱) تکمیل کرد و به طور مفصل توضیح داد.

در سال ۱۸۳۴، هنریک لنز، اصلی را بیان کرد که تعریف می‌کند چگونه ویژگی‌های اشیاء آزمایشی به سیستم آزمایشی مرتبط می‌شوند. قانون لنز بیان می‌کند که جهت جریان در شیء آزمایشی باید به طوری باشد که میدان مغناطیسی آن با میدان مغناطیسی مقابله کند که مسبب جریان جاری در شیء آزمایشی است. منظور اینست: جریانات گردابی توسط ایجاد جریان ثانویه که بخشی از جریان سیم پیچ را حذف می‌کند (معادل بزرگی و فاز جریان بوجود آمده توسط جریانات گردابی است) با سیم پیچ آزمایشی ارتباط برقرار می‌کند. لئون فوکالت فیزیکدان فرانسوی (۱۸۶۸-۱۸۱۹) با کشف جریانات گردابی شهرت یافت. در سپتامبر سال ۱۸۵۵ او کشف کرد که نیروی لازم برای چرخش یک دیسک مسی هنگامی بزرگتر می‌شود که مجبور شود با لبه‌هایش بین قطب‌های آهنربا بچرخد، در همین هنگام دیسک توسط جریان گردابی القاء شده در فلز داغ می‌شود. اولین کاربرد جریان گردابی برای تست غیرمخرب در سال ۱۸۷۹ بود هنگامی که دی.ای. هاگز از این اصول برای انجام تست‌های تطبیقی مربوط به فن استخراج و ذوب فلز استفاده کرد.

تشریح جریان گردابی

هنگامی که یک رسانا نپت به میدان بوجود آمده توسط یک منبع حرکت می‌کند، نیروهای محرکة الکتریکی (EMF) می‌توانند در اطراف حلقه‌های داخل رسانا تولید شوند. طبق قانون القایی فرادی، EMF اعمال بر مقاومت مواد یک جریان در اطراف حلقه (سیم‌پیچ) تولید می‌کنند. این جریان‌ها انرژی را اتلاف می‌کنند و یک میدان مغناطیسی ایجاد می‌کنند که با ایجاد تغییرات در میدان مقابله می‌کند.

هنگامی که یک رسانای متحرک با تغییراتی در میدان مغناطیسی بوجود آمده توسط یک شیء راکد مواجه می‌شود نیز هنگامی که یک رسانای راکد با میدان مغناطیسی متغیر مواجه می‌شود جریان‌های گردابی بوجود می‌آیند. هر دو در هنگامی وجود دارند که یک رسانا از یک میدان مغناطیسی متغیر حرکت می‌کند همانطوری که این مورد در لبه‌های بالا و پایین ناحیه مغناطیسی در نمودار نشان داده شده‌است. جریانات گردابی در هر جایی که یک شیء رسانا دچار تغییر در رشدت یا جهت میدان مغناطیسی در هر نقطه داخلش شود (نه فقط در مرزها) بوجود می‌آیند.

وضعیت جریان چرخشی در رسانا به خاطر این است که در الکترون‌ها نیروی لورتنس عمود بر جنبش آنها اعمال می‌شود بنابراین، بنابر جهت میدان به سمت چپ یا راستشان تغییر مسیر می‌دهند و مقاومت میدان افزایش یا کاهش می‌یابد. مقاومت رسانا فراوانی جریانات گردابی را از بین می‌برد و همچنین مسیرهای آنها را تقویت می‌کند. قانون لنز این واقعیت را نشان می‌دهد که جریان به صورتی می‌چرخد تا یک میدان مغناطیسی القائی را ایجاد کند و این میدان مغناطیسی با پدیده‌ای که ایجاد کرده‌است مقابله می‌کند. در مورد میدان اعمال شده متغیر، میدان القاء شده همیشه در جهت مخالف با میدان اعمال شده‌است. هنگامی که مقاومت یک میدان بیرونی متغیر افزایش می‌یابد همین وضعیت وجود خواهد داشت. هنگامی که مقاومت میدان متغیر کاهش می‌یابد، میدان القاء شده در جهت میدان اعمال شده خواهد بود تا با افت مقاومت مقابله کند.

یک شیء یا قسمتی از شیء جهت و شدت میدان پادار را در جایی تجربه می‌کند که جنبش نسبی میدان و شیء هنوز وجود دارد (به عنوان مثال در نمودار در مرکز میدان) و میدان‌های ناپایدار در جایی هستند که جریانات بخاطر علم هندسة رسانا نمی‌توانند چرخش کنند. در این شرایط، بارها در رو یا داخل شیء جمع می‌شوند و سپس پتانسیل‌های الکتریکی ایستا را تولید می‌کنند که با هر جریان دیگر مقابله می‌کنند. جریان‌ها در ابتدا با ایجاد پتانسیل‌های ایستا ارتباط دارند اما موقتی و کم هستند.

جریان‌های گردابی، اتلاف‌های مقاومتی را تولید می‌کنند که برخی از اشکال انرژی از جمله انرژی جنبشی را به گرما تبدیل می‌کنند. در بسیاری از وسایل، گرمای انرژی کارایی مبدل‌های آهنی و موتورهای الکتریکی را کاهش می‌دهد و کارایی وسایل دیگری را کاهش می‌دهد که از تغییر میدان‌های مغناطیسی استفاده می‌کنند جریانات گردابی در این وسایل با انتخاب مواد هسته مغناطیسی به حداقل می‌رسند که رسانایی الکتریکی کمی دارد یا از ورقه‌های نازک مواد مغناطیسی به نام لایه استفاده می‌کنند. الکترون‌ها نمی‌توانند از شکاف عایقی بین لایه‌ها عبور کنند بنابراین قادر به چرخش در قوس‌های عرضی نیستند. بارها در مرزهای لایه جمع می‌شوند (در فرایند مشابه اثر هال) و میدان‌های الکتریکی را تولید می‌کنند که با هر تجمع دیگر بار مقابله می‌کنند و جریانات گردابی را متوقف می‌کنند. فاصله کوتاه‌ترین بین لایه‌های مجاور (مثلاً تعداد بیشتر لایه‌ها در هر واحد، عمود با میدان اعمال شده) موجب سرکوبی بیشتر جریانات گردابی می‌شود.

تبدیل انرژی به گرما همیشه ناخوشایند نیست به ویژه در مواقع کاربرد عملی. یک مورد در ترمزهای برخی از قطارهاست که ترمزهای جریان گردابی نام دارند. در طی ترمز، چرخ‌های فلزی در معرض میدان مغناطیسی یک الکترومغناطیس قرار می‌گیرند و جریانات گردابی در چرخ‌ها تولید می‌شوند. جریانات گردابی با مقاومت مواجه می‌شوند در هنگامی که جریان از طریق فلز شارژ می‌شود، بنابراین انرژی به صورت گرما پراکنده می‌شود و در نتیجه حرکت چرخ‌ها کند می‌شود. چرخش سریع‌تر چرخ‌ها و اثر قوی‌تر به معنی این است که هنگامی که سرعت قطار کند است نیروی ترمز کاهش یافتهه‌است و توقف یکنواخت جنبش ایجاد می‌شود.

نیروی جریانات گردابی

تحت فرضیات معین (مواد یکسان، میدان مغناطیسی یکنواخت، بدون اثر سطحی) اتلاف توان ناشی از جریانات گردابی را می‌توان از معادلات زیر محاسبه کرد:

برای ورقه‌های نازک

برای سیم‌های نازک

در صورتی که p پراکندگی توان (wlkg)، Bp اوج چگالی شارژ () d ضخامت ورقه یا قطر سیم (m)، f فراوانی (H۲)، p = مقاومت خاص (m)،  نفوذپذیری مغناطیسی، D چگالی خاص (۳kg/m).

باید بخاطر بسپارید که این معادلات فقط تحت شرایط شبه ایستا معتبر هستند در جایی که فراوانی مغناطیسی شدن منجر به تاثیر سطحی نمی‌شود از جمله موج الکترومغناطیسی کاملاً به مواد نفوذ می‌کند.

بنابراین موارد زیر معمولاً اندازه و اثرات جریان‌های گردابی را افزایش می‌دهند.

ـ میدان‌های مغناطیسی قویتر، چگالی شارژ را افزایش می‌دهد (B).

ـ میدان‌های مغنایسی با تغییر سریع (بخاطر سرعت‌های نسبی سریع‌تر) فراوری f را افزایش می‌دهد.

ـ مواد ضخیم‌تر، ضخامت d را افزایش می‌دهند.

ـ موادی با مقاومت پایین‌تر (آلومینیوم، مس، نقره).

برخی چیزها اثرات را کاهش می‌دهند: ـ مغناطیس‌های ضعیف‌تر – B پایین‌تر

ـ تغییر میدان‌ها کندتر (سرعت‌های نسبی کندتر، - f پایین تر)

ـ مواد نازک‌تر – d کمتر

ـ مواد شکاف‌دار می‌شوند بطوری که جریانات نمی‌توانند چرخشی کنند – d در مخرج کاهش می‌یابد.

مواد لایه‌دار می‌شوند بطوری که جریانات نمی‌توانند گردش کنند – d کاهش می‌یابد.

ـ موادی با مقاومت بالاتر (آهن سرشار از سیلیکون).

اثر سطحی

معادلات فوق در میدان‌هایی با تغییر خیلی سریع ناشی از اثر سطحی معتبر نیستند زیرا میدان مغناطیسی بطور یکنواخت در ماده نفوذ می‌کند. بنابراین، در هر مورد افزایش فراوانی مقدار میدان همیشه جریانات گردابی را حتی با نفوذ غیر یکنواخت میدان افزایش می‌دهد. عمق نفوذ را می‌توان از طریق معادلة زیر محاسبه کرد:

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

در صورتی که عمق نفوذ (m)، f فرکانس (HZ)، نفوذپذیری مغناطیسی، رسانایی الکتریکی (s/m) هستند.

کاربردها

اثرات دافعه و شناوری

در یک میدان مغناطیسی با تغییر سریع، جریانات القایی در رساناهای خوب به ویژه مس و آلومینیوماثرات رانشی را در میدان مغناطیسی نشان می‌دهند (و اثرات رانشی و حتی شناوری پایدار را تولید می‌کنند) اگر چه با پراکندگی توان بالا ناشی از جریانات زیاد همراه است.

آنها می‌توانند میدان مغناطیسی را در قوطی‌های آلومینیومی القاء کنند که به آنها اجازه می‌دهند به آسانی از دیگر مواد قابل بازیافت جدا می‌شوند. با یک آهن ربای دست ساز بسیار قوی ساخته شده از neodymium می‌توان تاثیر بسیار مشابه را توسط حرکت سریع آهنربا روی یک سکه با یک جدا کننده مشاهده کرد.

منابع

مشارکت‌کنندگان ویکی‌پدیا، «Eddy current»، ویکی‌پدیای انگلیسی، دانشنامهٔ آزاد (بازیابی در ۱۹ مارس ۲۰۰۸).

در ویکی‌انبار پرونده‌هایی دربارهٔ جریان گردابی موجود است.