Czym są prądy wirowe ?

Chcę napisać słów kilka o diagnostyce łożysk ślizgowych, a nieodłącznym elementem opisu są urządzenia do tego celu najczęściej wykorzystywane – sondy zbliżeniowe. Te z kolei najczęściej operują w oparciu o zjawisko tzw. prądów wirowych, stąd ta notka jest wprowadzeniem do tryptyku prądy wirowe->sondy zbliżeniowe->łożyska ślizgowe.

Zjawisko prądów wirowych osobiście uważam za jedno z bardziej hmm ciekawych użytkowo pasywnych źródeł oddziaływania. O co chodzi ? Trzeba nam wymieszać prawa dwóch tęgich głów – Faraday’a oraz Lenza. W myśl prawa tego pierwszego wiemy, że jeśli przewodnik elektryczny zostanie wystawiony na działanie zmiennego pola magnetycznego to w przewodniku owym dojdzie do powstania lokalnych różnic potencjałów co nierozłącznie wiąże się z przepływem ładunków elektrycznych. Nota bene przepływ ten jest niejako zamknięty tworząc ‚trajektorie’ ruchu ładunków przypominające wiry, stąd nazwa (ang. eddy currents). Ale wracając – przepływ ładunków elektrycznych jest niechybnie powiązany z indukowaniem pola magnetycznego, powstaje nam zatem drugie pole magnetyczne o pewnej ciekawej właściwości, wskazanej przez w/w Heinricha Lenza. Mianowicie to nowo wyindukowane pole magnetyczne ma taki kierunek że przeciwdziała ono polu które doprowadziło do jego powstania. Czyli: jest przewodnik (np. miedź) i zmienne pole magnetyczne (np. poruszający się magnes). Wyobraźmy sobie, że ruszamy magnesem wzdłuż miedzi – w jej wnętrzu dochodzi do lokalnego przepływu prądu, który indukuje pole magnetyczne działające dokładnie w przeciwnym kierunku niż nasze pierwotne, zmienne pole magnetyczne (to od magnesu). Innymi słowy to nowe pole stara się niejako powstrzymać ruch pierwotnego pola magnetycznego.

Indukowanie prądów wirowych jest z reguły zjawiskiem niepożądanym, zmniejszającym sprawność urządzeń, jednak człowiek nie byłby sobą gdyby nie potrafił wykorzystać potencjalnych minusów na własny użytek. No wiec ? Gdzie i jak można wykorzystać prądy wirowe ?

Osobiście najbardziej podoba mi się wykorzystanie w zupełnie autonomicznych i nie wymagających zewnętrznego zasilania systemach hamowania np. kolejek górskich w parkach rozrywki. W skrócie – mamy na stacji źródło stałego pola magnetycznego np. silny magnes neodymowy (aczkolwiek może być to równie dobrze np. elektromagnes). Kolejka górska posiada w podwoziu element przewodzący (o co nie trudno) z perspektywy którego to stałe pole magnetyczne jest de facto zmienne (bo kolejka się porusza). W wyniku wtargnięcia przewodnika w pole magnetyczne dochodzi do indukowania wtórnego pola magnetycznego o kierunku działania przeciwnym do pola pierwotnego, w wyniku czego dochodzi do hamowania całego układu. Bezpieczeństwo w najczystszej postaci.

Wiele zastosowań bierze się stąd, iż prądy wirowe są niemal natychmiast wytracane w przewodniku w postaci energii cieplnej. I tak kuchenne płyty indukcyjne opierają się o prądy wirowe gdzie w kuchence indukowane jest pierwotne pole magnetyczne (zmienne), a nasza patelnia czy nasz garnek posiadają element przewodzący i, ostatecznie, mocno grzejący się. Starsze typy mikrofałówek zachęcały do umieszczania np. aluminiowych łyżeczek w podgrzewanych płynach co miało znacznie przyspieszyć proces grzania. Co by tu jeszcze…automaty sprzedające np. batony wykorzystują efekt prądów wirowych do wykrywania przelatujących monet i ich nominałów – każda moneta spowoduje inne zaburzenie pola.

Efekt pomiaru zaburzenia pola związanego z powstawaniem prądów wirowych doprowadza mnie do zastosowania w układach o których napiszę w następnej notce – sondach zbliżeniowych wykorzystywanych przy diagnostyce łożysk ślizgowych.

Na deser polecam cały szereg filmików na znanym portalu, które w dość zadziwiający sposób demonstrują efekty wynikające z powstawania prądów wirowych. I tak dla przykładu klip poniżej pokazuje jak, bardzo silny z natury, magnes neodymowy, który w stanie spoczynku nie wchodzi w jakąkolwiek reakcję z metalami nie ferromagnetycznymi t.j. aluminium i miedzią, pod wpływem ruchu zaczyna odczuwać wpływ przeciwnie skierowanego pola magnetycznego. Efekt przetestowany osobiście podczas tworzenia stanowiska na zeszłoroczną Małopolską Noc Naukowców robi naprawdę piorunujące wrażenie. Cos mi tu zalatuje Matrixem…