Кіріспе
Электромагнетизмде, бұрандалы ток (Фуко тогы деп те аталады) – өткізгіштегі магнит өрісінің өзгеруінен немесе өткізгіштің магнит өрісіндегі салыстырмалы қозғалысынан өткізгіште туындаған электр тогының айналымы. Бұрандалы токтар өткізгіштердің ішінде, магнит өрісіне перпендикуляр жазықтықтағы жабық контурлер бойынша ағады. Олар уақыт бойынша өзгеретін магнит өрісі арқылы, мысалы, айнымалы ток электромагниті немесе трансформаторы арқылы немесе магнит пен жақын орналасқан өткізгіш арасындағы салыстырмалы қозғалыс арқылы жақын орналасқан тұрақты өткізгіштерде де туындауы мүмкін. Берілген контурдағы ток күші магнит өрісінің күшіне, контурдың ауданына және магнит ағынының өзгеру жылдамдығына пропорционал, ал материалдың кедергісіне кері пропорционал. Графикте көрсетілгенде, металл ішіндегі бұл айналмалы токтар сұйықтықтағы айналдар мен құйындарға ұқсас көрінеді. Ленц заңына сәйкес, бұрандалы ток оны тудырған магнит өрісінің өзгеруіне қарсы келетін магнит өрісін жасайды, осылайша бұрандалы токтар магнит өрісінің көзіне кері әсер етеді. Мысалы, жақын орналасқан өткізгіш бет қозғалатын магнитке оның қозғалысына қарсы келетін сүйреу күшін түсіреді, бұл қозғалатын магнит өрісінің әсерінен бетте туындаған бұрандалы токтардың салдарынан болады. Бұл эффект айналмалы электр құралдарын өшіргенде жылдам тоқтатуға арналған бұрандалы ток тежегіштерінде қолданылады. Өткізгіштің кедергісі арқылы өтетін ток энергияны материалдағы жылу түрінде шығарып тастайды. Осылайша, бұрандалы токтар айнымалы ток (AC) индукторларында, трансформаторларда, электр моторларында және генераторларда, сондай-ақ басқа да AC машиналарын энергия жоғалту себебі болып табылады, оларды азайту үшін ламинатталған магниттік өзектер немесе ферриттік өзектер сияқты арнайы конструкциялар қажет. Бұрандалы токтар сонымен қатар индукциялық қыздыру пештерінде және жабдықтарында заттарды қыздыру үшін, сондай-ақ бұрандалы ток сынау құралдарын қолдану арқылы металл бөлшектеріндегі жарықтар мен ақауларды анықтау үшін қолданылады.
In electromagnetism, an eddy current (also called Foucault's current) is a loop of electric current induced within conductors by a changing magnetic field in the conductor according to Faraday's law of induction or by the relative motion of a conductor in a magnetic field. Eddy currents flow in closed loops within conductors, in planes perpendicular to the magnetic field. They can be induced within nearby stationary conductors by a time varying magnetic field created by an AC electromagnet or transformer, for example, or by relative motion between a magnet and a nearby conductor. The magnitude of the current in a given loop is proportional to the strength of the magnetic field, the area of the loop, and the rate of change of flux, and inversely proportional to the resistivity of the material. When graphed, these circular currents within a piece of metal look vaguely like eddies or whirlpools in a liquid. By Lenz's law, an eddy current creates a magnetic field that opposes the change in the magnetic field that created it, and thus eddy currents react back on the source of the magnetic field. For example, a nearby conductive surface will exert a drag force on a moving magnet that opposes its motion, due to eddy currents induced in the surface by the moving magnetic field. This effect is employed in eddy current brakes which are used to stop rotating power tools quickly when they are turned off. The current flowing through the resistance of the conductor also dissipates energy as heat in the material. Thus eddy currents are a cause of energy loss in alternating current (AC) inductors, transformers, electric motors and generators, and other AC machinery, requiring special construction such as laminated magnetic cores or ferrite cores to minimize them. Eddy currents are also used to heat objects in induction heating furnaces and equipment, and to detect cracks and flaws in metal parts using eddy current testing instruments.
Терминнің шығу тегі
Эдди ағыны термині сұйық динамикасындағы суда кездесетін ұқсас ағымдардан туындайды, олар тұншықтырудың (немесе маңайлы ағындардың) жергілікті аймақтарын және тұрақты айналымдарды құрайды. Сол сияқты, эдди ағындары қалыптасуға уақыт алады және өздік индуктивтілігіне байланысты өткізгіштерде ұзақ уақыт бойы сақталуы мүмкін.
Тарих
Алғашқы вихрьтік тоқтарды байқаған адам Франсуа Араго (1786–1853), 10 мамырдан 24 маусымға дейінгі қысқа мерзімде 2-ші Франция Республикасының Министрлер Кеңесінің президенті (1848 жыл) (қазіргі Франция премьер-министрінің лауазымына тең), сонымен қатар математик, физик және астроном болды. 1824 жылы ол айналмалы магнетизм деп аталатын құбылысты байқады, сондай-ақ көптеген өткізгіш денелердің магниттенуге болатынын анықтады; осы жаңалықтарды Майкл Фарадей (1791–1867) толықтырып, түсіндірді. 1834 жылы Эмиль Ленц Ленц заңын тұжырымдады, ол бойынша объектідегі индукцияланған ток ағысының бағыты сондай болады, оның магнит өрісі ток ағынын тудырған магнит ағынының өзгеруіне қарсы келеді. Вихрьтік тоқтар сыртқы өрістің бір бөлігін жоятын және сыртқы ағынның бір бөлігін өткізгіштен қашықтықта ұстайтын екіншілік өріс тудырады. Француз физигі Леон Фуко (1819–1868) вихрьтік тоқтарды ашқанмен ерекшеленеді. 1855 жылдың қыркүйегінде ол мыс дискінің айналуы үшін қажетті күштің, диск магниттің полюстері арасында айналғанда артатынын, сонымен бірге диск металл ішіндегі вихрьтік тоқтан қызып кететінін анықтады. Вихрьтік тоқтың бұзбайтын сынақ ретінде алғаш рет қолданылуы 1879 жылы болды, осы кезде Дэвид Э. Хьюз металлургиялық сұрыптау сынақтарын жүргізу үшін осы принциптерді пайдаланды.
Түсіндірме
Магнит өзінің магнит өрісі арқылы қозғалатын металл жапырақшаларда дөңгелек электр тоқтарын тудырады. Оң жақтағы суретті қараңыз. Онда тұрақты магниттің астында оңға қарай 'v' жылдамдығымен қозғалатын металл жапырақша (С) көрсетілген. Магниттің солтүстік полюсі N магниттік өрісі ("B", жасыл жебелер) жапырақша арқылы төмен өтеді. Металл қозғалғандықтан, жапырақшаның берілген ауданындағы магниттік ағым өзгеріп отырады. Магниттің алдыңғы жиегінің астында қозғалатын жапырақшаның бөлігінде (сол жағы) магнит өрісі магнитке жақындаған сайын күшейеді. Фарадейдің индукция заңы бойынша, бұл магнит өрісі сызықтарының айналасында сағат тіліне қарсы бағытта дөңгелек электр өрісін жасайды. Бұл өріс жапырақшада сағат тіліне қарсы электр тогының (I, қызыл) ағынына себеп болады. Бұл – бұрқырауық ток. Магниттің артқы жиегінің астындағы жапырақшаның бөлігінде (оң жағы) магнит өрісі магниттен алыстаған сайын әлсірейеді, бұл жапырақшадағы екінші бұрқырауық токты сағат тілімен бағыттауды тудырады. Токтарды түсінудің тағы бір әдісі – металл жапырақшадағы еркін заряд тасымалдаушылардың (электрондардың) жапырақшамен бірге оңға қарай жылғалысы, сондықтан магнит өрісі Лоренц күші арқылы оларға бүйірлік күш түсіреді. Зарядтардың жылдамдығы 'v' оңға қарай, ал магнит өрісі 'B' төменге қарай бағытталғандықтан, оң қол ережесі бойынша оң зарядтарға Лоренц күші суреттің арт жағына қарай (қозғалыс 'v' бағытына қарай алғанда сол жаққа қарай) бағытталған болады. Бұл магниттің астында артқа қарай I тогын тудырады, ол магнит өрісінен тыс жайманың бөліктері арқылы айналып өтеді, оң жақта сағат тілімен және сол жақта сағат тіліне қарсы, магниттің алдыңғы жағына қайта оралады. Металдың жылжымалы заряд тасымалдаушылары, электрондар, теріс зарядталған (q < 0), сондықтан олардың қозғалысы көрсетілген кәдімгі токқа кері бағытталған. Магниттің магнит өрісі магнит астында бүйірінен қозғалатын электрондарға әсер етеді, содан кейін Лоренц күшін артқа қарай, металл жапырақшаның жылдамдығына қарсы бағыттайды. Электрондар металл тор атомдарымен соқтығысқанда, бұл күшті жапырақшаға жеткізеді, оның жылдамдығына пропорционалды соқтығысу күшін тудырады. Осы соқтығысу күшін жеңу үшін жұмсалатын кинетикалық энергия металдың кедергісі арқылы ағып жатқан тоқтардың әсерінен жылу түрінде таралады, сондықтан металл магнит астында жылынады. Ампердің айналмалы заңы бойынша, жапырақшадағы әрбір дөңгелек ток қарсы магнит өрісін (көк жебелер) жасайды. Соқтығысу күшін түсінудің тағы бір жолы – Ленц заңы бойынша, қарсы өрістер жапырақша арқылы магнит өрісінің өзгеруіне қарсылық көрсетеді. Магниттің алдыңғы жиегінде (сол жағында) оң қол ережесі бойынша сағат тіліне қарсы ток магнит өрісіне қарсы бағытталған магнит өрісін жасайды, бұл жапырақша мен магниттің алдыңғы жиегі арасында итергіш күшті тудырады. Керісінше, артқы жиегінде (оң жағында) сағат тілімен ағылатын ток магнит өрісімен бірдей бағытта төмен қарай бағытталған магнит өрісін жасайды, бұл жапырақша мен магниттің артқы жиегі арасында тартымды күшті тудырады. Бұл екі күш те жапырақшаның қозғалысына қарсы тұрады.
Қасиеттері
Эдди тоқтары нөлдік емес кедергісі бар өткізгіштерде жылу және электромагниттік күштер тудырады. Жылу индукциялық қыздыру үшін қолданылуы мүмкін. Электромагниттік күштерді левитацияға, қозғалыс жасауға немесе күшті тежеу әсерін беруге пайдалануға болады. Эдди тоқтарының да қолайсыз әсерлері болуы мүмкін, мысалы, трансформаторлардағы қуат жоғалтуы. Бұл жағдайда олар өткізгіштерді ламинациялау арқылы немесе өткізгіштің пішінін өзгерту арқылы азайтылады. Өздігінен туындаған эдди тоқтары өткізгіштердегі тері эффексіне жауапты. Соңғысы материалдардың геометриялық ерекшеліктерін, мысалы, микрожарықтарды анықтау үшін бұзбайтын сынақтарда қолданылуы мүмкін. Оған ұқсас эффект – жақындық эффексісі, ол сыртқы эдди тоқтарының әсерінен туындайды. Объект немесе оның бөлігі өріс пен объектінің салыстырмалы қозғалысы бар тұрақты өріс қарқындылығы мен бағытын сезінеді (мысалы, диаграммадағы өрістің ортасында) немесе өткізгіштің геометриясы токтардың айналуына мүмкіндік бермейтін тұрақсыз өрістерде. Мұндай жағдайларда зарядтар объектінің ішінде немесе бетінде жиналады және осы зарядтар кез келген қосымша токқа қарсы келетін статикалық электр потенциалын тудырады. Токтар бастапқыда статикалық потенциалдардың пайда болуымен байланысты болуы мүмкін, бірақ олар уақытша және аз болуы мүмкін. Эдди тоқтары энергияның кейбір түрлерін, мысалы, кинетикалық энергияны жылуға айналдыратын кедергілік шығындарды тудырады. Бұл Джоуль қыздыруы темір өздігі бар трансформаторлардың, электр моторларының және өзгеріп тұратын магнит өрістерін пайдаланатын басқа да құрылғылардың тиімділігін төмендетеді. Бұл құрылғыларда эдди тоқтарын азайту үшін электр өткізгіштігі төмен магниттік өздік материалдар (мысалы, ферриттер немесе шайырмен араластырылған темір ұнтағы) немесе ламинациялар деп аталатын магниттік материалдың жұқа қабаттары қолданылады. Электрондар ламинациялар арасындағы оқшаулағыш кеңістіктен өте алмайды, сондықтан кең доғаларда айнала алмайды. Зарядтар ламинация шекараларында Холл эффексіне ұқсас процесте жиналады, бұл кез келген қосымша зарядтың жиналуына қарсы тұратын электр өрістерін тудырады, осылайша эдди тоқтарын басады. Жақын орналасқан ламинациялардың арақашықтығы неғұрлым қысқа болса (яғни, бірлік ауданы бойынша ламинациялардың саны қолданған өріске перпендикуляр болса), эдди тоқтарының басылуы соғұрлым жоғары болады. Алайда, кіріс энергиясын жылуға айналдыру әрқашан да қолайсыз емес, өйткені оның практикалық қолданыстары бар. Олардың бірі – кейбір пойыздың тоқалғыштарында, олар эдди тоқалғыштары деп аталады. Тежеу кезінде металл дөңгелектер электромагниттен шығарылатын магнит өрісіне ұшырайды, бұл дөңгелектерде эдди тоқтарын тудырады. Бұл эдди тоғы дөңгелектердің қозғалысынан пайда болады. Ленц заңы бойынша, эдди тоғының магнит өрісі оның тудырған себебіне қарсы болады. Осылайша дөңгелек дөңгелектің бастапқы қозғалысына қарсы күшке ұшырайды. Дөңгелектердің айналу жылдамдығы жоғары болған сайын, эффект күштірек болады, яғни пойыз баяулаған сайын тежеу күші төмендейді, бұл тегіс тоқтату қозғалысын қамтамасыз етеді. Индукциялық қыздыру металл заттарды қыздыру үшін эдди тоқтарын пайдаланады.
Электромагниттік тежегіш
Эдди тоқтарымен жұмыс істейтін тежегіштер, қозғалатын объектілерді баяулату немесе тоқтату үшін эдди тоқтарының тудырған соққы күшін тежегіш ретінде пайдаланады. Тежегіш элементі немесе барабанымен тікелей жанасу болмағандықтан, механикалық тозу болмайды. Дегенмен, эдди тоқтарымен жұмыс істейтін тежегіш "ұстап тұру" моментін қамтамасыз ете алмайды, сондықтан оны механикалық тежегіштермен бірге қолдануға болады, мысалы, көпірлік крандарда. Тағы бір қолданылуы – кейбір аттракциондарда, онда вагондан созылған ауыр мыс пластиналар өте күшті тұрақты магниттердің жұптары арасынан өтеді. Пластиналардың ішіндегі электр кедергісі, машинаның кинетикалық энергиясын ыдыратып, үйкеліске ұқсас сүйреу әсерін тудырады. Осы технология теміржол вагондарындағы электромагниттік тежегіштерде және дөңгелек аралары сияқты электр құралдарындағы кескіштерді жылдам тоқтату үшін де қолданылады. Электромагниттерді тұрақты магниттердің орнына пайдалану арқасында магнит өрісінің күшін реттеуге және тежеу әсерінің дәрежесін өзгертуге болады.
Репульсивті әсерлер және левитация
Өзгермелі магнит өрісінде индуцирленген токтар димагнетик тәрізді итергіш әсер көрсетеді. Тоқ өткізгіш дене итергіш күшті сезінеді. Бұл ауырлық күшіне қарсы денелерді көтеруге мүмкіндік береді, бірақ бұл үшін айналмалы токтардың шашыраған энергиясын толықтыру үшін үнемі қуат беру қажет. Мысалы, айналмалы токтарды пайдаланатын сепараторда алюминий банкаларын басқа металдардан бөлуге болады. Темірлі металдар магнитке жабысады, ал алюминий (және басқа темір емес өткізгіштер) магниттен итеріледі; бұл қалдықтарды темірлі және темір емес металл сынықтарына бөлуге мүмкіндік береді. Неодимнен жасалған сияқты күшті қолдағы магнитті монетаның үстінен жылдам қозғау арқылы осыған ұқсас әсерді оңай байқауға болады. Магнит күшіне, монета түріне және магнит пен монета арасындағы қашықтыққа байланысты, монетаны магниттен сәл алға жылжытуға болады – тіпті монетада АҚШ центі сияқты магниттік элементтер болмаса да. Тағы бір мысал – мыс түтік арқылы күшті магнитті түсіру, онда магнит айтарлықтай баяу жылдамдықпен түседі. Кемел өткізгіште, кедергісіз, беткі айналмалы токтар өткізгіштің ішіндегі өрісті толығымен жояды, сондықтан магнит өрісі өткізгішке енбейді. Кедергіде энергия жоғалмайтындықтан, магнитті өткізгішке жақындатқанда туындайтын айналмалы токтар магнит тоқтағаннан кейін де сақталады және ауырлық күшіне теңестіре алады, бұл магниттік левитацияға мүмкіндік береді. Суперөткізгіштерде Мейсснер эффектісі деп аталатын жеке кванттық-механикалық құбылыс та байқалады, онда материал суперөткізгішке айналған кезде ондағы барлық магнит өрісі сызықтары сыртқа шығарылады, сондықтан суперөткізгіштегі магнит өрісі әрқашан нөлге тең болады. Электрондық жылдамдықты басқаруға ұқсас электрондық коммутациялы электромагниттерді пайдалану арқылы кез келген бағытта қозғалатын электромагниттік өрістерді жасауға болады. Жоғарыда айтылған айналмалы токтарды пайдаланатын тежегіштер бөлімінде сипатталғандай, ферромагниттік емес өткізгіш беті осы қозғалатын өрісте тұрақтанады. Бірақ бұл өріс қозғалғанда, көлік көтеріліп, жылдамдатылуы мүмкін. Бұл маглевке ұқсас, бірақ рельске байланысты емес.
Металдарды анықтау
Кейбір монетамен жұмыс істейтін автоматтарда, айналымдық токтар жалған монеталарды немесе "слюгтарды" анықтау үшін қолданылады. Монета тұрақты магниттің жанынан өтеді, ал айналымдық токтар оның жылдамдығын баяулатады. Айналымдық токтардың күші, демек, баяулау дәрежесі, монета металлының өткізгіштігіне байланысты. "Слюгтар" нағыз монеталардан өзгеше баяулайды, және осы айырмашылық оларды қабылдаудан бас тартуға арналған ұяға жіберу үшін пайдаланылады.
Дәрелі мен орналасуын анықтау
Эдди тоқтары жақындық сенсорларының кейбір түрлерінде, олардың подшипниктеріндегі айналатын біліктердің дірілі мен орнын қадағалау үшін қолданылады. Бұл технологияны алғаш 1930 жылдары General Electric компаниясының зерттеушілері вакуумдық шамдар арқылы енгізген. 1950 жылдардың соңында Дональд Э. Бенти Бенти Невада корпорациясында оның қатты күйдегі нұсқаларын жасады. Бұл сенсорлар өте кішкентай ығысуларға өте сезімтал, сондықтан оларды қазіргі заманғы турбомашиналардағы өте шағын дірілдерді (бірнеше мыңнан бір бөлік шамасында) байқауға қолайлы етеді. Дірілді бақылауға қолданылатын жақындық сенсорының масштабтық коэффициенті 200 мВ/мил құрайды. Мұндай сенсорларды турбомашиналарда кеңінен пайдалану олардың қолданылуын және қолданылу тәсілдерін регламенттейтін салалық стандарттарды әзірлеуге алып келді. Мұндай стандарттардың мысалдары – Америка Мұнай Институтының (API) 670 стандарты және ISO 7919 стандарты. Феррарис үдеу сенсоры, сондай-ақ Феррарис сенсоры деп те аталады, – бұл контактісіз сенсор, ол салыстырмалы үдеуді өлшеу үшін эдди тоқтарын пайдаланады.
Құрылымдық сынақтар
Эдди тогы әдістері металл конструкциялардың, оның ішінде жылу алмастырғыш құбырлардың, ұшақ корпусының және ұшақ құрылымдық элементтерінің бұзбай бақылауын (БББ) және жағдайын мониторингтеу үшін кеңінен қолданылады.
Тері әсері
Эдди токтары ауыспалы ток өткізгіштеріндегі беттік әсердің түпкі себебі болып табылады. Сол сияқты, шектеулі өткізгіштігі бар магниттік материалдарда, Эдди токтары магниттік өрістің басым бөлігінің материалдың бетіне жақын бірнеше тері тереңдігімен шектелуіне себеп болады. Бұл эффект магниттік өзектері бар индукторлар мен трансформаторлардағы магниттік байланыстың күшін азайтады.