Corrent de Foucault

Archiu:Wikipedia Eddy Currents es.png

A mida que la placa metàlica circular es mou a través d'una chicoteta regió de camp magnètic constant entrante a l'image, les corrents de Foucault són induïdes en esta. La direcció d'eixes corrents està determinada per la Llei de Lenz.

La corrent de Foucault (corrent paràsita també coneguda com "corrents tribulí o turbillonarias", o eddy current en anglés) és un fenomen elèctric descobert pel físic francés Léon Foucault en 1851. Es produïx quan un conductor està en un camp magnètic variable, o quan el conductor es mou en un camp magnètic. El canvi en el camp magnètic o el moviment relatiu causa una circulació d'electrons, o corrent induïda, dins del conductor. Estes corrents circulares de Foucault creen electroimanes en camps magnètics que s'oponen a l'efecte del camp magnètic aplicat (vore Llei de Lenz). Quant més fort siga el camp magnètic aplicat, o major la conductivitat del conductor, o major la velocitat relativa de moviment, majors seran les corrents de Foucault i els camps opositors generats.

En els núcleus de bobines i transformadors es generen tensions induïdes per les variacions de fluix magnètic a que se someten aquells núcleus. Estes tensions induïdes són causa de que es produïxquen corrents paràsites en el núcleu (cridades corrents de Foucault), que no són òptimes per a la bona eficiència elèctrica d'est.

Les corrents de Foucault creen pèrdues d'energia a través del efecte Joule. Més concretament, dites corrents transformen formes útils d'energia, com la cinètica, en calor no desijada, per lo que generalment és un efecte inútil, quan no perjudicial. A la seua volta disminuïxen l'eficiència de molts dispositius que usen camps magnètics variables, com els transformadorés de núcleu de ferro i els motors elèctrics. Estes pèrdues es poden minimisar considerablement.

En alta freqüència: utilisant núcleus en materials magnètics que tinguen baixa conductivitat elèctrica (com per eixemple ferrita)

En baixa freqüència: utilisant prims fulls d'acer elèctric, apilades pero separades entre sí per mig d'un barniz aïllant o oxidadas tal que queden mútuament aïllades eléctricament. Els electrons no poden travessar la capa aïllant entre els laminados i, per lo tant, no poden circular en arcs oberts. S'acumulen càrregues en els extrems del laminado, en un procés anàlec al efecte Hall, produint camps elèctrics que s'oponen a una major acumulació de càrregues i a la seua volta eliminant les corrents de Foucault. Quant més curta siga la distància entre laminados adjacents (per eixemple, quant major siga el número de laminados per unitat d'àrea, perpendicular al camp aplicat), major serà l'eliminació de les corrents de Foucault i, per lo tant, menor el calfament del núcleu.

Orígens de les corrents de Foucault

Si es fa oscilar un péndola constituït per una placa de coure entre els pols d'un electroimant, s'observarà que es va frenant fins a parar-se per complet, produint-se este efecte més ràpidament quant major siga l'intensitat del camp. En tractar-se d'una placa de coure, material no magnètic, el frenat de la péndola no és per l'atracció dels pols de l'iman.

Lo que succeïx és que en la placa, en tallar el fluix entre les peces polars, s'induïx una força electromotriz, segons prediu la llei de Lenz. Com el coure és un bon conductor i la placa oferix una gran secció al pas de la corrent, la seua resistència òhmica és chicoteta i les corrents induïdes intenses. Estes corrents s'oponen a l'acció de l'orige que les produïx, açò és, la pròpia oscilació de la péndola, per tant, actuen de fre.

l'energia cinètica de la péndola en moviment, pel principi conservació, es transforma en calor pel efecte Joule.

Atres eixemples clars a on apareixen este tipo de corrents inductoras ho podem observar en la majoria de maquinària elèctrica, dinamos, motors de corrent contínua, alternadorés, transformadorés i en qualsevol màquina a on existixca un fluix d'inducció.

En general, les corrents de Foucault són indeseadas, ya que representen un inútil malbarat d'energia en forma de calor.

Explicació

Archiu:Eddy currents due to magnet.svg

Les corrents de Foucalt (I, roig) induïdes en una placa de metal conductora de l'electricitat (C) quan es desplaça cap a la dreta baix un iman (N). El camp magnètic (B, verda) apunta cap a avall travessant la placa. La força de Lorentz del camp magnètic sobre els electrons en el metal induïx una corrent lateral per efecte de l'iman. El camp magnètic, actuant sobre els electrons que es desplacen de manera lateral, crea una força de Lorentz oposta a la velocitat de la placa, lo que actua com a força de resistència sobre la placa. Les fleches blaves són camp magnètics oposts generats pel moviment circular de la càrregues.

Archiu:Eddy currents - explanation of drag force.svg

Forces actuant sobre un electró en una placa de metal exposta davant un iman, que expliquen l'orige de la força de resistència al moviment. El punt roig i₁ mostra un electró de conducció en la placa just despuix a chocat en un àtom, i i₂ mostra al mateix electró després de que ha segut accelerat pel camp magnètic. En promig en i₁ l'electró posseïx la mateixa velocitat que la placa (v, flecha negra) en la direcció +x. El camp magnètic (B, flecha verda) del pol magnètic Nort de l'iman s'orienta en direcció decendente en −i. El camp magnètic produïx una Força de Lorentz que actua sobre l'electró (flecha rosada) F₁ = −i(v × B), a on i és la càrrega elèctrica de l'electró. Ya que l'electró posseïx una càrrega negativa, aplicant la regla de la mà dreta esta força es dirigix en direcció +z. En i₂ la força li proveïx a l'electró una component de velocitat en direcció lateral (v₂, flecha negra) El camp magnètic que actua sobre esta component lateral de la velocitat, llavors produïx una força de Lorentz en la partícula F₂ = −i(v₂ × B). Aplicant la regla de la mà dreta, la força es dirigix en direcció −x, oposta a la de la velocitat v de la placa metàlica. Esta força accelera a l'electró otorgant-li una component de velocitat oposta a la placa. El choc d'estos electrons en els àtoms en la placa produïxen una força de rozamiento sobre la placa.

Archiu:Eddy current brake diagram.svg

Fre per mig de corrent de Foucalt. La part del pol magnètic Nort (superior) en este esquema es troba més separat del disc que el pol Sur; açò solament es fa per a poder mostrar les corrents elèctriques. En el cas d'un fre real per mig de corrents de Faucalt les parts dels dos pols es troben ubicades tan prop del disc com siga possible.

Un iman induïx corrents elèctriques circulares en una placa metàlica que es desplaça a través del seu camp magnètic. Vore l'esquema ala dreta. L'esquema mostra una placa metàlica (C) que es desplaça cap a la dreta baix un iman estacionario. El camp magnètic (B, fleches verdes) del pol Nort de l'iman travessa la placa cap a avall. Ya que la placa s'està desplaçant, el fluix magnètic a través d'un àrea de la placa varia. En el sector de la placa que es desplaça baix el lateral d'atac de l'iman (costat esquerre) el camp magnètic a través d'un punt de la placa aumenta ya que s'està aproximant a l'iman, Plantilla:Sfrac > 0. Per la llei d'inducció de Faraday, això genera un camp elèctric circular en la placa en una direcció antihoraria al voltant de les llínees del camp magnètic. Este camp induïx un fluix de corrent elèctrica en sentit contrari a les agulles del rellonge (I, roig), en la làmina. Esta és la corrent de Foucault. En la part de la làmina baix el vora d'eixida de l'iman (costat dret) el camp magnètic a través d'un punt donat de la làmina va disminuint a mida que s'allunta de l'iman, {sfrac < 0}}, induint una segona corrent de Foucault en sentit horari en la làmina.

Una atra forma equivalent d'entendre la corrent és vore que els portadors de càrregas lliures (electrons) en la làmina metàlica es mouen en la làmina cap a la dreta, per lo que el camp magnètic eixercix una força lateral sobre ells per la força de Lorentz. Com la velocitat v de les càrregues està a la dreta i el camp magnètic B està dirigit cap a avall, a partir de la regla de la mà dreta la força de Lorentz sobre les càrregues positives F = q(v × B) és cap a la part posterior del diagrama (a l'esquerra quan es mira en la direcció del moviment v). Açò provoca una corrent I cap a la part atrassera baix l'iman, que circula per parts de la làmina fòra del camp magnètic, en el sentit de les agulles del rellonge cap a la dreta i en sentit contrari cap a l'esquerra, fins a la part davantera de l'iman de nou. Els portadors de càrrega mòvils en el metal, els electrons, tenen en realitat una càrrega negativa (q < 0), per lo que el seu moviment és de direcció oposta a la corrent convencional mostrada.

El camp magnètic de l'iman, actuant sobre els electrons que es mouen lateralment baix l'iman, eixercix llavors una força de Lorentz dirigida cap a arrere, oposta a la velocitat de la làmina metàlica. Els electrons, en les colisions en els àtoms de la ret metàlica, transferixen esta força a la làmina, eixercint una força d'arrastre sobre la làmina proporcional a la seua velocitat. l'energia cinètica que es consumix en superar esta força d'arrastre es dissipa en forma de calor per les corrents que fluïxen a través de la resistència del metal, per lo que el metal es calfa baix l'iman.

Per la llei circuital de Ampere cada una de les corrents circulares en la làmina crea un camp magnètic contrari (fleches blaves). Una atra forma d'entendre la força d'arrastre és vore que per la llei de Lenz els contracampos s'oponen el canvi de camp magnètic a través de la làmina. En el vora d'atac de l'iman (costat esquerre) per la regla de la mà dreta la corrent contrària crea un camp magnètic apuntant cap a dalt, oponent-se al camp de l'iman, causant una força de repulsió entre el full i la vora d'atac de l'iman. Pel contrari, en la vora d'eixida (costat dret), la corrent en el sentit de les agulles del rellonge provoca un camp magnètic que apunta cap a avall, en la mateixa direcció que el camp de l'iman, creant una força d'atracció entre el full i la vora d'eixida de l'iman. Abdós forces s'oponen al moviment del full.