Virvelströmmar i spolar samt rör
En snabb fråga bara angående virvelströmmar. Jag har läst i boken angående virvelströmmar i bland annat induktionsspisar där dessa värmer upp metallplattor osv.
Men kan man även säga att virvelströmmar uppstår i bl.a. rör och spolar där det magnetiska flödet ändras?
Om man exempelvis för en magnetisk stav med nordänden nära en spole så förändras det magnetiska flödet och en ström induceras som motverkar förändringen av det magnetiska flödet.
Den induktionsströmmen kan man väl kalla för virvelströmmen eftersom den cirkulerar runt i cirklar?
Likadant blir det väl också för en magnet som faller igenom ett aluminiumrör och bromsas av magnetfältet som skapas av virvelströmmar inuti aluminiumröret?
Nä, bara för att den inducerade strömmen i spolen följer spolens ledare som i sin tur löper i någon slags cirkelliknande geometri, så är det inte detsamma som virvelströmmar (som inte heller behöver vara just cirkelformade, däremot måste de löpa i slutna banor).
Att magneten faller långsamt genom aluminium röret har däremot med virvelströmmar att göra. Men ett rör är ur elektrisk synpunkt väldigt olikt en spole. Spolen får sina egenskaper tack vare sina lindningar, medan ett rör inte har några lindningar. En magnet skulle falla/glida långsamt även på ett lutande plan av aluminium, på grund av virvelströmmar. Men ett lutande aluminiumplan skulle aldrig kunna användas som spole.
Okej, men om vi tar en titt på den här uppgiften med en aluminiumring som omsluter järnkärnan på en spole.
Du menar alltså att den inducerade strömmen i aluminiumringen inte är en virvelström som orsakas av det förändrade magnetiska flödet inuti ringen? (deluppgift a))
Jag skulle säga att strömmen som cirkulerar runt i ringen inte är en virvelström.
Är det någon som berättat annorlunda för dig?
Däremot, om du tittar på spolens järnkärna så är den inte massiv utan består av många ihopbuntade tunna plåtar som är lackade (dvs är isolerade från varandra). Det är för att undvika att det magnetiska flöde som finns inuti järnkärnan ska skapa virvelströmmar i kärnan, därmed förluster i form av värme, och göra spolen mindre effektiv.
Okej, ja det verkar rimligt, men tyvärr håller inte facit med. Facit kallar denna induktionsström i aluminiumringen för virvelström.
Och jag är medveten om att virvelströmmar uppstår i ledningar som inte består av lindningar utan exempelvis plattor och plana ytor som grytor (induktionsspisar) mm.
Så hur kommer det sig att denna induktionsström i aluminiumringen kallas för virvelström?
Och det var bra att du påpekade att järnet inuti spolen är indelat i tunna plattor för att undvika förlust av värme och att järnet därmed inte ska smälta.
Men innebär det då att det magnetiska flödet inuti en järnkärna i en spole kan kan skapa virvelströmmar I kärnan som som därmed riskerar att smälta, som i figuren nedan? Denna järnkärna är inte indelad i tunna plattor utan är "hel och sammanbunden" kan man säga.
Hur skulle du säga att virvelströmmar rör sig i en sådan järnkärna?
Så hur kommer det sig att denna induktionsström i aluminiumringen kallas för virvelström?
Ja sedär! (Du märkte kanske att jag svävade på ordet här ovan). Med en viss definition av vad en virvelström är så skulle strömmen i ringen falla inom begreppet virvelström. Med tillräckligt vid definition av begreppet virvelström så skulle man kunna kalla alla strömmar i ledare som sammansatta av små virvelströmmar, där resultanten av alla virvelströmmar flyter längs ledningen (om ledningen bildar en sluten krets så att strömmen kan flyta i den riktningen).
Jag tror det kanske är därför som läroboken är otydlig om definitionen, eftersom det inte finns någon strikt definition. Den definition som jag lärde mig en gång i tiden är ganska visuell. Att virvelströmmar, eller eddy current, kallas detta just därför att de uppenbarar sig likt vätskevirvlar i en vätska. Strömmen som cirkulerar i ringen har en ganska otydlig likhet med sådana vätskevirvlar...
Vet du vad, jag tycker du ska fråga din lärare vilken definition han/hon tycker att du ska använda på gymnasienivå.
Men innebär det då att det magnetiska flödet inuti en järnkärna i en spole kan kan skapa virvelströmmar I kärnan som som därmed riskerar att smälta, som i figuren nedan?
Det handlar om storlekar på magnetfältet. Sedan är jag inte helt säker på att kärnan i bilden är en järnkärna. Det finns jättemånga olika kärnmaterial som som kan se ut som massivt järn, men är tillverkade på olika speciella sätt för att undvika virvelströmmar.
Hur skulle du säga att virvelströmmar rör sig i en sådan järnkärna?
Nedanstående bild är saxad från https://en.wikipedia.org/wiki/Transformer. Den lila pilen är det magnetiska flödet, strömvirvlarna vinkelräta mot flödet. Eftersom strömvirvlarna omsluter ett mindre flöde i den nedre figuren så blir strömstyrkan i virvlarna också mindre om järnkärnan är laminerad.
Vet du vad, jag tycker du ska fråga din lärare vilken definition han/hon tycker att du ska använda på gymnasienivå.
Men innebär det då att det magnetiska flödet inuti en järnkärna i en spole kan kan skapa virvelströmmar I kärnan som som därmed riskerar att smälta, som i figuren nedan?
Det handlar om storlekar på magnetfältet. Sedan är jag inte helt säker på att kärnan i bilden är en järnkärna. Det finns jättemånga olika kärnmaterial som som kan se ut som massivt järn, men är tillverkade på olika speciella sätt för att undvika virvelströmmar.
Men fortsätt fråga här också, jag tänker fortsätta svara på dina frågor efter bästa förmåga. Men eftersom begreppet virvelströmmar också kan vara talspråk så kan det vara bra att få second opinion på det från din lärare.
Jag var lite otydlig om värmeutvecklingen på grund av virvelströmmar. Den kan bli avsevärd om man dimensionerar på "fel" sätt (som induktionsspisen är ett exempel på). Men i labmiljö är inte risken så stor, eftersom i sådan miljö så ser man till att skydda sig. Om man råkar göra fel och kärnan blir het, så kommmer effektutvecklingen förmodligen att begränsas av labutrustningen (spänningsaggregatet har effektbegränsning, säkringar löser ut, etc).
Jag var lite otydlig om värmeutvecklingen på grund av virvelströmmar. Den kan bli avsevärd om man dimensionerar på "fel" sätt (som induktionsspisen är ett exempel på).
Visst är det fascinerane när något upptäcker ett "fel" och lyckas göra något användbart av det! Det finns fler exempel:
NMR - fysikerna tyckte det blev "fel" när exempelvis en kolatom reagerade på olika frekvenser beroende på vad som fanns i närheten av den atomen, kemisterna tyckte det var användbart
mikrovågsugnen - en radaroperatör la märke till att hans chokladkaka, som han hade i fickan, smälte när han kom i närheten av radaranläggningen (jag har också hört att det trillade ner stekta fåglar i närheten av anläggningarna...) och funderade ut att det kunde vara användbart
det finns säkert ännu fler!
Okej, då fick man lite bättre koll det hela. Och den bilden du länkade är ett ganska bra exempel på att ett magnetfält kan skapa strömmar.
Sådana virvelströmmar kan har en sådan riktning att man skulle kunna tillämpa högerhandstegeln på dessa (liksom på en spole). Alltså tummen i magnetfältets riktning och virvelströmmar i fingrarnas riktning. Har jag tolkat det rätt?
Sedan undrar jag också vad det är som orsakar värmen/värmeförluster? Är det så att värmeförlusterna uppstår på grund av att det magnetiska materialet byter magnetiseringsriktning men också på grund av materialets resistans? Dvs ju högre resistans desto högre värmeförluster?
Då vill jag också konstatera att värmeföslusterna verkar endast utvecklas om strömmen är växelström, men inte likström som i fallet med en induktionsspis där en stark växelström med en hög frekvens går genom spisens kopparspole.
Det måste alltså vara konstant förändring av det magnetiska flödet för att värmen ska utvecklas, och en likström genererar inte en konstant förändring av det magnetiska flödet, utan hos likström är df/dt=0. Har jag förstått rätt?
Sådana virvelströmmar kan har en sådan riktning att man skulle kunna tillämpa högerhandstegeln på dessa (liksom på en spole). Alltså tummen i magnetfältets riktning och virvelströmmar i fingrarnas riktning. Har jag tolkat det rätt?
Ja, precis som vanligt. spänning induceras enligt induktionslagen, vilket ger en ström ifall det finns en väg för strömmen att gå i sluten bana, och strömmens riktning är sådan att den motverkar magnetfältet som skapade den, använd högerhandsregeln (Och eftersom allting sker "som vanligt" så går det inte egentligen att skilja en virvelström ifrån en "vanlig" ström).
Sedan undrar jag också vad det är som orsakar värmen/värmeförluster? Är det så att värmeförlusterna uppstår på grund av att det magnetiska materialet byter magnetiseringsriktning men också på grund av materialets resistans? Dvs ju högre resistans desto högre värmeförluster?
Värmeförlusterna uppkommer på grund materialets resistans (resistivitet kallas materialegenskapen), enligt . Det innebär att ju lägre resistiviteten är i materialet, desto högre blir förlusterna. Detta beror på att ju lägre resistiviteten i materialet är, desto större blir strömmen som skapas av den inducerade spänningen.
Det måste alltså vara konstant förändring av det magnetiska flödet för att värmen ska utvecklas, och en likström genererar inte en konstant förändring av det magnetiska flödet, utan hos likström är df/dt=0. Har jag förstått rätt?
Jag tror det. (förändringen behöver inte vara "konstant" som du skriver. Men jag tror du gör en typo). Enligt induktionslagen ska flödet ha en tidsverivata som är skilld ifrån noll, det räcker.
Okej, men om vi går tillbaka till den hoppande aluminiumringen som en följd av en förändring av det magnetiska flödet inuti den, vad är skillnaden på den inducerande strömmen genom den ringen (som enligt boken kallas virvelström) och den inducerade strömmen genom aluminiumringen i den här bilden?
Man borde ju kalla den inducerade strömmen för virvelström även i en sådan situation som i bilden ovan eftersom det också handlar om exakt samma situation?
Sedan vill jag också veta om anledningen till att järnkärnan inuti spolen i bilden ovan inte är laminerad (indelad i tunna plattor) som i den första bilden är att värmen som skapas inuti kärnan inte är stark pga. att virvelströmmar endast alstras i början när strömmen sätts på eftersom källan är likström?
Hade källan varit en växelströmskälla så hade den konstanta växelspänningen på 230 V (effektivvärde) skapat virvelströmmar inuti spolen som till slut hade smält järnkärnan?
Visst skapas det värmeförluster till följd av kärnans resistans, men dessa är inte lika starka som värmeförluster som virvelströmmar orsakar. Och det är just därför som exempelvis järnkärnorna i transformatorer är laminerade och indelade i tunna skivor. Är jag inne på rätt spår?
