Pöörisvool

Allikas: Vikipeedia

Pöörisvool ehk Foucault' vool on elektrivool, mis tekib elektrijuhis teda läbiva magnetvälja tugevuse muutmisel või püsimagnetvälja allika asukoha muutmisel elektrijuhi suhtes. Muutuva magnetvälja tõttu tekib juhis elektronide suunatud liikumine. Indutseeritud pöörisvool tekitab vastavalt Lenzi reeglile (parema käe reegel) omakorda magnetvälja, mis on polaarsuselt vastupidine pöörisvoolu tekitanud magnetväljale. Teisisõnu: indutseeritud pöörisvoolu magnetväli püüab kompenseerida teda tekitanud magnetvälja olemasolu. Pöörisvoolude magnetvälja tõttu esinevad juhtide või ka näiteks pooli ja selle südamikus paikneva püsimagneti vahel tõuke- ja tõmbejõud.

Nagu kõik elektrivoolud, tekitavad ka pöörisvoolud elektromagnetväljasid ja muudavad keskkonna temperatuuri. Praktikas saab seda kasutada induktsioonipliitides või mõnes muus induktsioonkuumutusel põhinevas seadmes. Elektromagnetjõudusid saab ära kasutada hõljumisefekti loomisel, liikumise esilekutsumiseks või pidurdusjõu tekitamiseks (näiteks rööpapidurid rongidel).

Pöörisvooludel on ka halbu kõrvalmõjusid. Näitena võib tuua voolukaod transformaatorites. Nende vähendamiseks kasutatakse trafodes õhukesi eraldusplaate, laminaatimist ja veel teisigi võimalusi.

Eneseindutseeritud pöörisvoolud põhjustavad nähtust, mida tuntakse skinnefektina. Viimast saab kasutada paljudes materjalides leiduda võivate mikropragude kontrollimiseks ilma materjali lõhkumata. Sarnane nähtus on ka proximity effect, mis tekib väliselt indutseeritud pöörisvoolude toimel.

Ajalugu[muuda | redigeeri lähteteksti]

Esimene inimene, kes pöörisvoolusid uuris, oli matemaatik, füüsik, astronoom ja Prantsusmaa peaminister François Arago (1786–1853). Aastal 1824 uuris ta nähtust, mida inglise keeles tuntakse kui rotatory magnetism, ja leidis, et voolu juhtivaid materjale saab magneetida. Need uurimised viis lõpule ja seletas lahti Michael Faraday.

Aastal 1834 sõnastas Heinrich Lenz Lenzi seaduse, mis ütleb, et indutseeritud voolu suund on selline, et tema poolt tekitatud magnetväli töötab vastu voolu tekitanud magnetväljale.

Pöörisvoolude avastamise au kuulub aga Léon Foucault'le (1819–1868). 1855. aasta septembris tegi ta avastuse, et vasest ketta keeramiseks vajaminev jõud peab olema suurem, kui ketta serv panna liikuma magneti põhja- ja lõunapooluse vahele. Ühtlasi ketas kuumeneb temas indutseeritud elektrivoolu toimel.

Esimene pöörisvoolude praktiline kasutamine materjalide testimiseks toimus aastal 1879, kui David Edward Hughes leiutas metallurgiliste sorteerimistestide metoodika[1].

Selgitus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kui elektrijuhti magnetvälja allika suhtes liigutada, siis tekitatakse juhis elektromotoorjõud. Vastavalt Faraday induktsiooniseadusele tekitavad need elektromotoorjõud enda jõujoonte ümber magnetvälja, mis sõltub elektrijuhi takistusest. See magnetväli aga püüab takistada voolumuutusi, ehk siis magnetväljal on induktiivsus.

Pöörisvoolusid on võimalik tekitada ainult siis, kui toimub mingisugune muutus magnetväljas juhi suhtes. Olgu see siis kas juhi liikumine läbi magnetvälja või magnetvälja allika liikumine juhi suhtes.

Ümara metallplaadi liikumisel risti läbi ekraani suunatud ühtlase magnetvälja, indutseeritakse plaadis pöörisvoolud, mille suund on paigas vastavalt Lenzi reeglile − plaadi liikumine on tänu sellele aeglustatud.

Nagu juuresolevalt pildilt näha võib, siis tekivad pöörisvoolud metallplaadis ainult seal, kus magnetväli muutub:

  • esmalt metallplaadi punktis, mis siseneb magnetvälja;
  • ning viimaks magnetväljast eemalduvas punktis.

Kuna magnetväli ise on homogeenne, siis selles alas pöörisvoolusid ei teki, sest väljamuutuseid ei esine. Sama kehtib ka magnetväljaga mitte seotud olevatest punktidest plaadil.

Põhjus, miks juhis just pöörisvool tekib, seisneb selles, et elektronidele mõjub Lorentzi jõud, mis on nende spinnile vastupidine. Sellest tulenevalt kalduvad nad endast kas paremale või vasakule sõltuvalt rakendatud välja suunast ning sellest, kas välja tugevus on kasvav või kahanev. Elektrijuhi takistus mõjub vooludele summutavalt ning püüab nende teed lühendada. Lenzi seadus väidab, et pöörisvoolude pöörlemine on tingitud nende "soovist" eemaldada magnetvälja, mis neid tekitas, sel teel, et nad kutsuvad esile ise magnetvälja, mis algsele väljale vastu töötaks. Nii on näiteks vahelduvvooluga − pöörisvoolu magnetväli on alati vastupidine teda esilekutsunud voolu magnetväljale olukorras, kus perioodiliselt muutuva magnetvälja tugevus jääb samaks või kasvab. Erandiks on olukord, kus perioodiliselt muutuva magnetvälja tugevus langeb − sel juhul pöörisvoolude magnetväli ühtib primaarse magnetvälja suunaga.

Olukorras, kus juhi kuju on selline, et voolud ei saa temas ringleda, kogunevad laengud kas juhi pinnale või sisse ning põhjustavad seeläbi staatilist elektrit.

Pöörisvoolud põhjustavad tihti takistusest tingitud kadusid, mis võivad näiteks kineetilist energiat muundada soojusenergiaks (Joule'i-Lenzi seadus). See kahandab erinevate vahelduvvoolu kasutavate seadmete, nagu näiteks trafode ja elektrimootorite, efektiivsust. Pöörisvoolusid välditakse sellistes olukordades kas seadmete madala elektrijuhtivusega südamike materjali (näiteks ferriit) valikuga või paigaldatakse vastavatesse kohtadesse õhukeset magnetilisest materjalist lehed (laminaadid). Viimaste puhul ei suuda elektronid laminaatide vahel olevat isoleeritud tühimikku läbida ning seeläbi ei suuda pöörisvoolud ka laiades kaartes enam levida. Sarnaselt Hall effect'ile kogunevad laengud laminaatide pinnale ning takistavad pöörisvooludest tulenevate võimalike laengute laminaatidele sattumist. Mida lähemal on üksteisele laminaadid ning mida rohkem neid on, seda enam surutakse pöörisvoolude efekti maha.

Süsteemi sisestatud energia muundumine kuumuseks pole alati halb nähtus. Näiteks saab seda ära kasutada rongi pidurdussüsteemis pöörisvoolu pidurite näol. Pidurduse ajal läbib metallist rattaid magnetväli, mis põhjustab neis pöörisvoolusid. Pöörisvooludele mõjub omakorda ratastes esinev elektriline takistus, mis avaldub ratastest eralduva soojusena. Mida kiiremini rattad liiguvad, seda suurem on pidurdusjõud ning seetõttu pole pöörisvoolu pidurid väiksematel kiirustel enam nii efektiivsed. Ühtlasi tagab see ka rongi sujuva peatumise. Lisaks kasutatakse induktsioonikuumust ära induktsioonipliitides ning metallesemete kuumutamisel.

Pöörisvoolude tugevus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Järgnevad valemid võimaldavad pöörisvooludega kaasnevat energiakadu arvutada ideaaljuhul, kus materjal ning magnetväli on ühtlane ja skin effect'i ei esine ehk elektromagnetlaine läbib materjali täielikult[2]:

  • Õhukeste lehtede puhul: P = \frac{\pi^2 B_p^2 d^2 f^2 }{6 \rho D}.
  • Õhukeste juhtmete puhul: P = \frac{\pi^2 B_p^2 d^2 f^2 }{12 \rho D}.

Nendes valemites P ‒ energiakadu (W/kg), Bp ‒ suurim magnetiline induktsioon (T), d ‒ lehe paksus või juhtme diameeter (m), fsagedus (Hz), ρ ‒ materjali eritakistus (Ωm), Derikaal (kg/m3)

Skinnefekt[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kiiresti muutuvate magnetväljade korral ning skinnefekti arvesse võttes ülaltoodud valemid ei kehti, sest magnetvoog ei läbi elektrijuhti ühtlaselt. Sügavust, mida magnetvoog suudab läbida, saab arvutada järgmiselt:

\delta = \frac{1}{\sqrt{\pi f \mu \sigma}}.[3]

Siin δ ‒ läbivussügavus (m), f ‒ sagedus (Hz), μ ‒ magnetiline läbitavus (H/m), σ ‒ erijuhtivus (S/m)

Rakendused[muuda | redigeeri lähteteksti]

Tõukumine ja hõljumisnähtus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kiiresti muutuva magnetvälja ning heade elektrijuhtide, nagu vask ja alumiinium, korral tekitab vool magnetväljas diamagneetilist laadi tõukumist. Õigete tingimuste korral on võimalik saavutada ka stabiilne hõljumine, seda küll suurte voolukadudega, mida taoline protsess endaga kaasa toob. Seda nähtust kasutatakse ära näiteks prügisorteerimisel, kus alumiiniumpurkides indutseeritakse magnetväli ning seeläbi saab neid teisest prügist eemaldada. Väga tugeva (näit. neodüümist tehtud püsimagneti ning metallmündiga on võimalik nähtust ka ise vaadelda. Nimelt kui magnetit kiiresti mündi kohal edasi-tagasi liigutada ning jälgida, et mündi ja magneti vaheline kaugus oleks võimalikult väike, siis sõltuvalt magneti tugevusest, mündi materjalist ning nende vahelisest kaugusest võib näha, kuidas münt hakkab kaasa liikuma. Nähtus esineb ka siis, kui münt ei sisalda magnetilisi elemente. Teine analoogne näide tuleb olukorrast, kus kukutatakse magnet läbi vasktoru[4] − kukkumine võtab silmnähtavalt kauem aega, kui mõne mittemagnetilise detaili läbi toru kukutamine.

Meissneri efekt: magnet hõljumas vedela lämmastikuga jahutatud ülijuhi kohal

Ideaalsed elektrijuhid võimaldavad voolu kadudeta edasikandmist ning seega tekitatakse pöörisvoolud, mis välistavad ainsagi katse välise magnetvälja poolt uut voolu indutseerida. See omakorda kutsub ka esile magnetilise hõljumise efekti. Kõrvalolevalt videolt on näha, kuidas ülijuhi abiga on tekitatud magnetiline hõljumine. Tegu on Meissneri efektiga, mis oma loomult on kvantmehaaniline nähtus ning seisneb ülijuhi omaduses eemale tõugata kõiki magnetvälja jõujooni, mis tema läheduses on, hetkel, kui toimub ülijuhtivasse olekusse üleminek. Sel hetkel on magnetvälja tugevus ülijuhi asukohas null.

Tõmbumisnähtus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kui elektrijuhi pind on magnetvälja jõujoonte suhtes 90 kraadi risti, siis esineb tõukumise asemel magnetvälja allika ning juhi vahel tõmbumine. Indutseeritud voolude poolt tekitatud jõud lükkab elektrijuhti allikale ligemale.

Erinevate metallide määratlemine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Mündiautomaatides kasutatakse pöörisvoolusid selleks, et ära tunda potentsiaalseid sisestatud võltsmünte. Tehnoloogia põhineb meetodil, kus mündi möödumisel püsimagnetist indutseeritakse mündis pöörisvoolud. Sellest tulenevalt mündi veeremise kiirus aeglustub. Olenevalt mündi materjalist suundub ta automaatselt edasi kas masinasse või saadetakse ta tagasi sisestajale.

Vibratsiooni ning asukoha tajumine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Pöörisvoolusid kasutatakse teatud tüüpi kaugussensorites, kus nende eesmärgiks on jälgida näiteks võllide vibratsiooni laagrites. See tehnoloogia pärineb aastast 1930, firmast nimega General Electric. Praeguseks kasutatakse neid põhiliselt valdkonnas, mis on seotud turbiinide tehnoloogiaga.

Elektromagnetiline pidurdustehnoloogia[muuda | redigeeri lähteteksti]

Pöörisvoolu pidureid kasutatakse näiteks lõbustuspargis atraktsioonil nimega ameerika mäed, kus vaguneid tuleb tihti suurtel kiirustel pidurdada. Taoline süsteem võimaldab väga täpset pidurduskontrolli. Tavaliselt paigutatakse vagunite külge rasked vasest plaadid, mis mööduvad sõidu ajal tugevatest püsimagnetitest. Magnetitest möödumisel tekkiv elektriline takistus vaskplaatides kutsub esile tõmbejõu plaadi ja magnetite vahel. Sarnane tehnoloogia on veel kasutusel raudteesõidukites ning ketassaagides.

Materjalide sisemise struktuuri kontrollimine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Pöörisvoolusid saab kasutada erinevate metallide sisemise struktuuri ning kvaliteedi kontrollimiseks (nondestructive examination ehk NDE). Sinna alla kuuluvad näiteks soojusvahetid, lennuki kere osad ning muud suurt vastutust omavad detailid.

Muud pöörisvooludega realiseeritud tehnilised lahendused:[muuda | redigeeri lähteteksti]

  1. Metallidetektor
  2. Kiirusekontrolli seadmed
  3. Elektriarvestid
  4. Liiklustiheduse arvestid
  5. Ainete kattematerjali tiheduse mõõtjad[5]
  6. Spidomeetrid

Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kirjandus[muuda | redigeeri lähteteksti]

  1. Eric R. Laithwaite. Linear Electric Machines- A Personal View, 28.06.2005
  2. http://books.google.com/books?id=E8caSplsF28C&pg=PA73
  3. http://books.google.com/books?id=ZvscLzOlkNgC&pg=PA570
  4. http://books.google.com/books?id=mMJxcWqm_1oC&pg=PA80
  5. F. Fiorillo, Measurement and characterisation of magnetic materials, Elsevier Academic Press, 2004, ISBN 0-12-257251-3, lk 31
  6. Seong-Soo Cho, Sang-Beom Kim, Joon-Young Soh, Sang-Ok Han, Effect of Tension Coating on Iron Loss at Frequencies Below 1 kHz in Thin-Gauged 3% Si-Fe Sheets, IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 45, No. 10, October 2009, lk 4165–4168

See artikkel on täielikult või osaliselt tõlgitud artikli Eddy current sellest versioonist.