Vířivé proudy, známé také jako Foucaultovy proudy, jsou v elektrotechnice poměrně častým jevem, který hraje pozitivní i negativní roli. V tomto článku se dozvíme o tom, jak vířivé proudy vznikají, jakou roli hrají v elektrických zařízeních a jaké užitečné funkce lze pomocí nich dosáhnout.
Vraťme se krátce ke školnímu kurzu fyziky. Jak víme, každé elektrické pole měnící se v čase a prostoru generuje měnící se magnetické pole. Platí to i naopak: ze střídavého magnetického pole vzniká střídavé elektrické pole. Kombinace polí měnících se v prostoru a čase se nazývá elektromagnetické pole.
Co rozumíme slovy „proměnný“ nebo „měnící se“? Tato slova popisují pole, jehož velikost se mění v čase nebo z jednoho bodu v prostoru do druhého. Například v sítích se střídavým proudem se intenzita elektrického pole, měřená ve V/m (voltech na metr), mění každých 0,02 sekundy. Pokud se zdroj elektromagnetického pole (řekněme cívka) přiblíží k vodivému předmětu (například k měděné desce), začne v předmětu protékat kruhový proud, tzv. vír nebo Foucaultův proud.
V jakých případech jsou vířivé proudy nežádoucím jevem?
Představme si rotor generátoru. Jak víte, vinutí pole je navrženo tak, aby vytvářelo magnetické pole. Jak to funguje? Budicím vinutím protéká stejnosměrný proud, proto také magnetické pole vytvořené tímto proudem bude konstantní – pole se nebude měnit na hodnotě vůči rotoru. Z pohledu stacionárního pozorovatele (nebo z pohledu statoru) má však pole v různých bodech prostoru různé velikosti. Jelikož se rotor otáčí, můžeme říci, že z pohledu statoru se magnetické pole mění v závislosti na čase.
Na cívkách instalovaných uvnitř statoru vytváří rotující magnetické pole elektromotorickou sílu, zhruba řečeno napětí. Ale protože se magnetické pole rotoru neustále pohybuje vzhledem k deskám statoru, začnou jimi proudit vířivé proudy, což vede k zahřívání skříně generátoru.
Podívejme se na další známý příklad – transformátor. Níže je schematický diagram vinutí transformátoru. Jak víte, vinutí je navinuto na jádru. Střídavý proud měnící svůj směr 100krát za sekundu vytváří střídavé magnetické pole, které se pohybuje ve formě magnetického toku F, označeného modře, podél jádra a také mění svůj směr 100krát za sekundu.
Střídavý magnetický tok vytváří elektrické pole. Toto elektrické pole vede k tomu, že v objemu jádra transformátoru začne protékat elektrický proud. Z tohoto důvodu se takový proud někdy nazývá objemný. Navíc směr tohoto vířivého proudu je takový, že magnetické pole, které vytváří, brání změně magnetického toku vytvářeného cívkami.
Jak Foucaultovy proudy ovlivňují provoz elektrických instalací?
Stejně jako u jiných proudů vede tok Foucaultových proudů k zahřívání vodičů, ve kterých proudí. Čím vyšší je odpor jednotlivých desek magnetického obvodu transformátoru nebo jiného elektrického stroje, tím slabší budou Foucaultovy proudy a tím menší zahřívání způsobí. K tomu jsou desky tenké a vzájemně izolované pomocí laku, který nevede elektrický proud.
Vířivé proudy se mohou vyskytovat i ve vodivých krytech elektrických zařízení, což způsobuje místní zahřívání krytu a dokonce ruší citlivá zařízení umístěná v blízkosti.
V jakých případech jsou vířivé proudy užitečné?
V metalurgii se k tavení kovů v indukčních pecích používají vířivé proudy: nad povrchem ohřátého polotovaru je umístěn zdroj výkonného vysokofrekvenčního (50 Hz – 400 kHz) střídavého magnetického pole. Velikost výsledných vířivých proudů dosahuje velmi vysokých hodnot a vede k výraznému uvolnění tepelné energie, protože ve skutečnosti neustále dochází ke zkratu v roztaveném materiálu.
Společnost indukčních pecí ECM
Indukční vařiče fungují na stejném principu: proudy protékají kovovým objemem nádobí, což vede k ohřevu jídla.
Směr vířivých proudů je dán vnějším magnetickým polem: Foucaultovy proudy tečou takovým způsobem, že vytvářejí magnetické pole, které brání změně vnějšího magnetického pole. Jinými slovy, „boj“ polí mezi sebou vede k tomu, že magnetické pole v materiálu se nikdy nerovná nule.
Tento efekt se využívá k zamezení chrastění kontaktů relé, stykačů, spouštěčů: na konec jádra elektromagnetu nebo kotvy je připevněna zkratovaná cívka, ve které protékají vířivé proudy. Neustálá přítomnost magnetického pole zajišťuje těsné spojení kontaktů, což zabraňuje brumu. Podobným způsobem je zajištěn účinek tlumení brzdění u analogových elektrických měřicích přístrojů, proto jejich šipky nespěchají ze strany na stranu, ale ukazují střední kvadraturu.
Jak můžete rychle a snadno ověřit existenci vířivých proudů?
Budeme potřebovat dlouhou měděnou trubku a silný neodymový magnet, který se do trubky vejde a velikost magnetu by měla být přibližně stejná jako vnitřní průměr trubky. Pokud hodíte magnet do svislé trubky, bude doba pádu znatelně odlišná od toho, co očekáváte.
Jak vidíte, inženýrství a skutečná věda jdou ruku v ruce. Právě tato charakteristická vlastnost – znalost, jak naše znalosti aplikovat v praxi – odlišuje specialisty laboratoře elektrofyzikálních měření TMRsila-M.
