Corrente parasita - Eddy current

As correntes parasitas (também chamadas de correntes de Foucault ) são loops de corrente elétrica induzida dentro dos condutores por um campo magnético variável no condutor de acordo com a lei da indução de Faraday . As correntes parasitas fluem em loops fechados dentro dos condutores, em planos perpendiculares ao campo magnético. Eles podem ser induzidos dentro de condutores estacionários próximos por um campo magnético variável no tempo criado por um eletroímã CA ou transformador , por exemplo, ou por movimento relativo entre um ímã e um condutor próximo. A magnitude da corrente em um dado loop é proporcional à força do campo magnético, à área do loop e à taxa de variação do fluxo, e inversamente proporcional à resistividade do material. Quando representadas graficamente, essas correntes circulares dentro de um pedaço de metal parecem vagamente redemoinhos ou redemoinhos em um líquido.

Pela lei de Lenz , uma corrente parasita cria um campo magnético que se opõe à mudança no campo magnético que o criou e, assim, as correntes parasitas reagem de volta à fonte do campo magnético. Por exemplo, uma superfície condutora próxima exercerá uma força de arrasto em um ímã em movimento que se opõe ao seu movimento, devido a correntes parasitas induzidas na superfície pelo campo magnético em movimento. Este efeito é empregado em freios por correntes parasitas que são usados ​​para parar a rotação de ferramentas elétricas rapidamente quando são desligadas. A corrente fluindo através da resistência do condutor também dissipa energia como calor no material. Assim, as correntes parasitas são uma causa de perda de energia em indutores de corrente alternada (CA) , transformadores , motores e geradores elétricos e outras máquinas CA, exigindo uma construção especial, como núcleos magnéticos laminados ou núcleos de ferrite para minimizá-los. As correntes parasitas também são usadas para aquecer objetos em fornos e equipamentos de aquecimento por indução e para detectar rachaduras e falhas em peças de metal usando instrumentos de teste de correntes parasitas .

Origem do termo

O termo corrente parasita vem de correntes análogas vistas na água na dinâmica dos fluidos , causando áreas localizadas de turbulência conhecidas como redemoinhos, dando origem a vórtices persistentes. De forma análoga, as correntes parasitas podem levar algum tempo para se acumular e podem persistir por tempos muito curtos nos condutores devido à sua indutância.

História

A primeira pessoa a observar as correntes parasitas foi François Arago (1786-1853), o 25º primeiro-ministro da França, que também era matemático, físico e astrônomo. Em 1824, ele observou o que foi chamado de magnetismo rotatório, e que a maioria dos corpos condutores podem ser magnetizados; essas descobertas foram concluídas e explicadas por Michael Faraday (1791-1867).

Em 1834, Heinrich Lenz estabeleceu a lei de Lenz , que diz que a direção do fluxo de corrente induzida em um objeto será tal que seu campo magnético se oporá à mudança de fluxo magnético que causou o fluxo de corrente. As correntes parasitas produzem um campo secundário que cancela uma parte do campo externo e faz com que parte do fluxo externo evite o condutor.

O físico francês Léon Foucault (1819–1868) é creditado por ter descoberto correntes parasitas. Em setembro de 1855, ele descobriu que a força necessária para a rotação de um disco de cobre torna-se maior quando ele é feito girar com sua borda entre os pólos de um ímã, ao mesmo tempo que o disco fica aquecido pela corrente parasita induzida em o metal. O primeiro uso de correntes parasitas para testes não destrutivos ocorreu em 1879, quando David E. Hughes usou os princípios para conduzir testes de classificação metalúrgica.

Explicação

Correntes parasitas ( I, vermelho ) induzidas em uma placa de metal condutiva (C) conforme ela se move para a direita sob um ímã (N) . O campo magnético ( B, verde ) é direcionado para baixo através da placa. A força de Lorentz do campo magnético nos elétrons do metal induz uma corrente lateral sob o ímã. O campo magnético, agindo sobre os elétrons que se movem lateralmente, cria uma força de Lorentz oposta à velocidade da folha, que atua como uma força de arrasto na folha. As ( setas azuis ) são contra-campos magnéticos gerados pelo movimento circular das cargas.
Forças em um elétron na folha de metal sob o ímã, explicando de onde vem a força de arrasto na folha. O ponto vermelho mostra um elétron de condução na folha logo após ter sofrido uma colisão com um átomo, e mostra o mesmo elétron depois de ter sido acelerado pelo campo magnético. Em média, após o electrão tem a mesma velocidade que a folha ( , seta preta ) na direcção. O campo magnético ( , seta verde ) do pólo norte N do ímã é direcionado para baixo na direção. O campo magnético exerce uma força de Lorentz no elétron (seta rosa) de , onde e é a carga do elétron. Como o elétron tem carga negativa, pela regra da mão direita ele é direcionado na direção. No esta força dá o electrão um componente de velocidade na direcção lateral ( . Seta preta ) O campo magnético actua sobre esta velocidade lateralmente, em seguida, exerce uma força de Lorentz sobre a partícula de . Pela regra da mão direita, isso é direcionado na direção oposta à velocidade da folha de metal. Essa força acelera o elétron, dando-lhe um componente de velocidade oposto ao da folha. As colisões desses elétrons com os átomos da folha exercem uma força de arrasto na folha.
Freio de corrente parasita. A peça do pólo magnético Norte (topo) neste desenho é mostrada mais longe do disco do que o Sul; isso é apenas para deixar espaço para mostrar as correntes. Em um freio por corrente parasita real, as peças polares são posicionadas o mais próximo possível do disco.

Um ímã induz correntes elétricas circulares em uma folha de metal que se move através de seu campo magnético. Veja o diagrama à direita. Ele mostra uma folha de metal (C) movendo-se para a direita sob um ímã estacionário. O campo magnético ( B, setas verdes ) do pólo norte N do ímã desce através da folha. Como o metal está se movendo, o fluxo magnético em uma determinada área da folha está mudando. Na parte da folha que se move sob a borda dianteira do ímã (lado esquerdo), o campo magnético através de um determinado ponto da folha aumenta à medida que se aproxima do ímã . De acordo com a lei da indução de Faraday , isso cria um campo elétrico circular na folha no sentido anti-horário em torno das linhas do campo magnético. Este campo induz um fluxo anti-horário de corrente elétrica ( I, vermelho ) , na folha. Esta é a corrente parasita. Na parte da folha sob a borda posterior do ímã (lado direito), o campo magnético através de um determinado ponto na folha está diminuindo à medida que se afasta do ímã , induzindo uma segunda corrente parasita no sentido horário em a folha.

Outra maneira equivalente de entender a corrente é ver que os portadores de carga livre ( elétrons ) na folha de metal estão se movendo com a folha para a direita, de modo que o campo magnético exerce uma força lateral sobre eles devido à força de Lorentz . Uma vez que a velocidade v das cargas está para a direita e o campo magnético B é direcionado para baixo, da regra da mão direita a força de Lorentz nas cargas positivas F = q ( v  ×  B ) está em direção à parte traseira do diagrama (à esquerda quando voltado na direção do movimento v ). Isso causa uma corrente I na direção da parte traseira sob o ímã, que circula por partes da folha fora do campo magnético, no sentido horário para a direita e no sentido anti-horário para a esquerda, para a frente do ímã novamente. Os portadores de carga móvel no metal, os elétrons , na verdade têm uma carga negativa ( q <0), então seu movimento é oposto na direção da corrente convencional mostrada.

O campo magnético do ímã, agindo sobre os elétrons que se movem lateralmente sob o ímã, então exerce uma força de Lorentz direcionada para trás, oposta à velocidade da folha de metal. Os elétrons, em colisões com os átomos da rede metálica, transferem essa força para a folha, exercendo uma força de arrasto na folha proporcional à sua velocidade. A energia cinética que é consumida superando essa força de arrasto é dissipada como calor pelas correntes que fluem através da resistência do metal, de modo que o metal fica quente sob o ímã.

Devido à lei circuital de Ampère, cada uma das correntes circulares na folha cria um campo magnético contrário ( setas azuis ). Outra maneira de entender a força de arrasto é ver que, devido à lei de Lenz, os contra-campos se opõem à mudança no campo magnético através da folha. Na borda dianteira do ímã (lado esquerdo), pela regra da mão direita, a corrente no sentido anti-horário cria um campo magnético apontado para cima, opondo-se ao campo do ímã, causando uma força repulsiva entre a folha e a borda dianteira do ímã. Em contraste, na borda posterior (lado direito) , a corrente no sentido horário provoca um campo magnético apontado para baixo, na mesma direção do campo do ímã, criando uma força atrativa entre a folha e a borda posterior do ímã. Ambas as forças se opõem ao movimento da folha.

Propriedades

As correntes parasitas em condutores de resistividade diferente de zero geram calor e também forças eletromagnéticas. O calor pode ser usado para aquecimento por indução . As forças eletromagnéticas podem ser usadas para levitação, criando movimento ou para dar um forte efeito de frenagem . As correntes parasitas também podem ter efeitos indesejáveis, por exemplo, perda de potência em transformadores . Nesta aplicação, eles são minimizados com placas finas, por laminação de condutores ou outros detalhes do formato do condutor.

As correntes parasitas auto-induzidas são responsáveis ​​pelo efeito de pele nos condutores. O último pode ser usado para testes não destrutivos de materiais para recursos de geometria, como microfissuras. Um efeito semelhante é o efeito de proximidade , que é causado por correntes parasitas induzidas externamente.

Um objeto ou parte de um objeto experimenta intensidade de campo estável e direção onde ainda há movimento relativo do campo e do objeto (por exemplo, no centro do campo no diagrama), ou campos instáveis ​​onde as correntes não podem circular devido ao geometria do condutor. Nessas situações, as cargas se acumulam sobre ou dentro do objeto e, em seguida, essas cargas produzem potenciais elétricos estáticos que se opõem a qualquer outra corrente. As correntes podem ser inicialmente associadas à criação de potenciais estáticos, mas estes podem ser transitórios e pequenos.

(esquerda) Correntes parasitas ( I, vermelho ) dentro de um núcleo de transformador de ferro sólido. (direita) Fazer o núcleo de laminações finas paralelas ao campo ( B, verde ) com isolamento (C) entre eles reduz as correntes parasitas. Embora o campo e as correntes sejam mostrados em uma direção, eles na verdade invertem a direção com a corrente alternada no enrolamento do transformador.

As correntes parasitas geram perdas resistivas que transformam algumas formas de energia, como a energia cinética, em calor. Este aquecimento Joule reduz a eficiência de transformadores de núcleo de ferro e motores elétricos e outros dispositivos que usam campos magnéticos variáveis. As correntes parasitas são minimizadas nesses dispositivos pela seleção de materiais do núcleo magnético com baixa condutividade elétrica (por exemplo, ferritas ) ou pelo uso de folhas finas de material magnético, conhecidas como laminações . Os elétrons não podem cruzar a lacuna de isolamento entre as laminações e, portanto, são incapazes de circular em arcos largos. As cargas se acumulam nas fronteiras de laminação, em um processo análogo ao efeito Hall , produzindo campos elétricos que se opõem a qualquer acúmulo adicional de carga e, portanto, suprimindo as correntes parasitas. Quanto menor a distância entre as laminações adjacentes (ou seja, quanto maior o número de laminações por unidade de área, perpendicular ao campo aplicado), maior será a supressão das correntes parasitas.

No entanto, a conversão da energia de entrada em calor nem sempre é indesejável, pois existem algumas aplicações práticas. Um está nos freios de alguns trens conhecidos como freios por correntes parasitas . Durante a frenagem, as rodas de metal são expostas a um campo magnético de um eletroímã, gerando correntes parasitas nas rodas. Esta corrente parasita é formada pelo movimento das rodas. Portanto, pela lei de Lenz , o campo magnético formado pela corrente parasita irá se opor à sua causa. Assim, a roda enfrentará uma força oposta ao movimento inicial da roda. Quanto mais rápido as rodas estiverem girando, mais forte será o efeito, o que significa que, à medida que o trem desacelera, a força de frenagem é reduzida, produzindo um movimento de parada suave.

O aquecimento por indução faz uso de correntes parasitas para fornecer aquecimento de objetos de metal.

Dissipação de energia de correntes parasitas

Sob certas suposições (material uniforme, campo magnético uniforme, sem efeito de pele , etc.), a energia perdida devido a correntes parasitas por unidade de massa para uma folha fina ou fio pode ser calculada a partir da seguinte equação:

Onde

P é a potência perdida por unidade de massa (W / kg),
B p é o campo magnético de pico (T),
d é a espessura da folha ou diâmetro do fio (m),
f é a frequência (Hz),
k é uma constante igual a 1 para uma chapa fina e 2 para um fio fino,
ρ é a resistividade do material (Ω m), e
D é a densidade do material (kg / m 3 ).

Esta equação é válida apenas nas chamadas condições quase estáticas, onde a frequência de magnetização não resulta no efeito pelicular ; ou seja, a onda eletromagnética penetra totalmente no material.

Efeito de pele

Em campos de mudança muito rápida, o campo magnético não penetra completamente no interior do material. Este efeito de pele torna a equação acima inválida. No entanto, em qualquer caso, o aumento da frequência do mesmo valor de campo sempre aumentará as correntes parasitas, mesmo com penetração de campo não uniforme.

A profundidade de penetração para um bom condutor pode ser calculada a partir da seguinte equação:

onde δ é a profundidade de penetração (m), f é a frequência (Hz), μ é a permeabilidade magnética do material (H / m) e σ é a condutividade elétrica do material (S / m).

Equação de difusão

A derivação de uma equação útil para modelar o efeito das correntes parasitas em um material começa com a forma magnetostática diferencial da Lei de Ampère , fornecendo uma expressão para o campo de magnetização H em torno de uma densidade de corrente J :

Pegar o cacho em ambos os lados desta equação e, em seguida, usar uma identidade de cálculo vetorial comum para o cacho do cacho resulta em

Da lei de Gauss para o magnetismo , ∇ · H = 0 , então

Usando a lei de Ohm , J = σ E , que relaciona a densidade de corrente J ao campo elétrico E em termos de condutividade de um material σ, e assumindo condutividade homogênea isotrópica, a equação pode ser escrita como

Usando a forma diferencial da lei de Faraday , ∇ × E = −∂ B / ∂ t , isso dá

Por definição, B = μ 0 ( H + M ) , onde M é a magnetização do material e μ 0 é a permeabilidade ao vácuo . A equação de difusão, portanto, é

Formulários

Frenagem eletromagnética

Demonstração do pêndulo de Waltenhofen, precursor dos freios por correntes parasitas. A formação e supressão de correntes parasitas são aqui demonstradas por meio deste pêndulo, uma placa de metal oscilando entre as peças polares de um eletroímã forte. Assim que um campo magnético suficientemente forte for ligado, o pêndulo é parado ao entrar no campo.

Os freios por correntes parasitas usam a força de arrasto criada pelas correntes parasitas como freio para desacelerar ou parar objetos em movimento. Como não há contato com a sapata ou tambor de freio, não há desgaste mecânico. No entanto, um freio por corrente parasita não pode fornecer um torque de "retenção" e, portanto, pode ser usado em combinação com freios mecânicos, por exemplo, em pontes rolantes. Outra aplicação é em algumas montanhas-russas, onde pesadas placas de cobre que se estendem do carro são movidas entre pares de ímãs permanentes muito fortes. A resistência elétrica dentro das placas causa um efeito de arrasto análogo ao atrito, que dissipa a energia cinética do carro. A mesma técnica é usada em freios eletromagnéticos em vagões ferroviários e para parar rapidamente as lâminas em ferramentas elétricas como serras circulares. Usando eletroímãs, ao contrário de ímãs permanentes, a força do campo magnético pode ser ajustada e, portanto, a magnitude do efeito de frenagem pode ser alterada.

Efeitos repulsivos e levitação

Uma seção transversal através de um motor linear colocado acima de uma placa de alumínio espessa. Conforme o padrão de campo do motor de indução linear varre para a esquerda, correntes parasitas são deixadas para trás no metal e isso faz com que as linhas de campo se inclinem.

Em um campo magnético variável, as correntes induzidas exibem efeitos de repulsão do tipo diamagnético. Um objeto condutor experimentará uma força de repulsão. Isso pode levantar objetos contra a gravidade, embora com entrada de energia contínua para substituir a energia dissipada pelas correntes parasitas. Um exemplo de aplicação é a separação de latas de alumínio de outros metais em um separador de correntes parasitas . Os metais ferrosos aderem ao ímã e o alumínio (e outros condutores não ferrosos) são forçados para longe do ímã; isso pode separar um fluxo de resíduos em sucata de metal ferrosa e não ferrosa.

Com um ímã portátil muito forte, como os feitos de neodímio , pode-se observar facilmente um efeito muito semelhante ao passar rapidamente o ímã sobre uma moeda com apenas uma pequena separação. Dependendo da força do ímã, da identidade da moeda e da separação entre o ímã e a moeda, pode-se induzir a moeda a ser empurrada ligeiramente à frente do ímã - mesmo se a moeda não contiver elementos magnéticos, como a moeda americana . Outro exemplo envolve a queda de um ímã forte em um tubo de cobre - o ímã cai em um ritmo dramaticamente lento.

Em um condutor perfeito sem resistência , as correntes parasitas de superfície cancelam exatamente o campo dentro do condutor, de forma que nenhum campo magnético penetre no condutor. Como nenhuma energia é perdida na resistência, as correntes parasitas criadas quando um ímã é aproximado do condutor persistem mesmo depois que o ímã está estacionário e podem equilibrar exatamente a força da gravidade, permitindo a levitação magnética . Supercondutores também exibem um fenômeno de mecânica quântica inerente separado , chamado de efeito Meissner, no qual quaisquer linhas de campo magnético presentes no material quando ele se torna supercondutor são expelidas, portanto, o campo magnético em um supercondutor é sempre zero.

Usando eletroímãs com comutação eletrônica comparável ao controle eletrônico de velocidade , é possível gerar campos eletromagnéticos movendo-se em uma direção arbitrária. Conforme descrito na seção acima sobre freios por corrente parasita, uma superfície de condutor não ferromagnético tende a repousar dentro deste campo móvel. Porém, quando este campo está se movendo, um veículo pode ser levitado e impulsionado. É comparável a um maglev, mas não está vinculado a um trilho.

Identificação de metais

Em algumas máquinas de venda automática que funcionam com moedas , as correntes parasitas são usadas para detectar moedas falsas ou lesmas . A moeda passa por um ímã estacionário e as correntes parasitas diminuem sua velocidade. A força das correntes parasitas e, portanto, o retardo, depende da condutividade do metal da moeda. As balas são desaceleradas em um grau diferente do que as moedas genuínas, e isso é usado para enviá-las para o slot de rejeição.

Sensor de vibração e posição

As correntes parasitas são usadas em certos tipos de sensores de proximidade para observar a vibração e a posição dos eixos rotativos dentro de seus rolamentos. Essa tecnologia foi originalmente lançada na década de 1930 por pesquisadores da General Electric usando circuitos de tubo a vácuo. No final dos anos 1950, as versões de estado sólido foram desenvolvidas por Donald E. Bently na Bently Nevada Corporation. Esses sensores são extremamente sensíveis a deslocamentos muito pequenos, o que os torna adequados para observar as vibrações mínimas (da ordem de vários milésimos de polegada) nas turbomáquinas modernas . Um sensor de proximidade típico usado para monitoramento de vibração tem um fator de escala de 200 mV / mil. O uso generalizado de tais sensores em turbomáquinas levou ao desenvolvimento de padrões da indústria que prescrevem seu uso e aplicação. Exemplos de tais padrões são American Petroleum Institute (API) Standard 670 e ISO 7919.

Um sensor de aceleração Ferraris, também chamado de sensor Ferraris , é um sensor sem contato que usa correntes parasitas para medir a aceleração relativa.

Teste estrutural

As técnicas de correntes parasitas são comumente usadas para o exame não destrutivo (NDE) e o monitoramento da condição de uma grande variedade de estruturas metálicas, incluindo tubos trocadores de calor , fuselagem de aeronaves e componentes estruturais de aeronaves.

Efeitos de pele

As correntes parasitas são a causa raiz do efeito de pele em condutores que transportam corrente CA.

A laminação de núcleos magnéticos em transformadores melhora muito a eficiência, minimizando as correntes parasitas

Da mesma forma, em materiais magnéticos de condutividade finita, as correntes parasitas causam o confinamento da maioria dos campos magnéticos a apenas algumas profundidades de pele da superfície do material. Este efeito limita a ligação de fluxo em indutores e transformadores com núcleos magnéticos .

Laminações de transformadores EI mostrando caminhos de fluxo. O efeito da lacuna onde as laminações são unidas pode ser mitigado pela alternância de pares de laminações E com pares de laminações I, fornecendo um caminho para o fluxo magnético em torno da lacuna.

Outras aplicações

Referências

Citações online
Referências gerais

Leitura adicional

  • Stoll, RL (1974). The Analysis of Eddy Currents . Imprensa da Universidade de Oxford.
  • Krawczyk, Andrzej; JA Tegopoulos. Modelagem Numérica de correntes parasitas .

links externos