Corrientes de Foucault

Corrientes de Foucault , o corrientes de Foucault (en honor a J. B. L. Foucault ) - corriente eléctrica volumétrica [c] de inducción [ a] de Foucault [a ] , que surge en los conductores eléctricos cuando el flujo del campo magnético que actúa sobre ellos cambia con el tiempo .

Origen del término

El término corriente de Foucault proviene de fenómenos similares observados en medios fluidos en dinámica de fluidos, que causan áreas localizadas de turbulencia , conocidas como remolinos , y remolinos en el medio. Por analogía, las corrientes de Foucault pueden tardar en acumularse y pueden persistir en los conductores durante un tiempo muy breve debido a su inductancia.

Historia

Las corrientes de Foucault fueron descubiertas por primera vez por el científico francés D. F. Arago (1786-1853) en 1824 en un disco de cobre ubicado en un eje debajo de una aguja magnética giratoria. Debido a las corrientes de Foucault, el disco entró en rotación. Este fenómeno, llamado fenómeno de Arago, fue explicado unos años más tarde por M. Faraday desde el punto de vista de la ley de inducción electromagnética que descubrió: un campo magnético giratorio induce corrientes de Foucault en un disco de cobre que interactúa con una aguja magnética.

Las corrientes de Foucault fueron estudiadas en detalle por el físico francés Foucault (1819-1868) y recibieron su nombre. Foucault también descubrió el fenómeno del calentamiento de cuerpos metálicos que giran en un campo magnético por corrientes de Foucault: en septiembre de 1855 descubrió que la fuerza requerida para hacer girar un disco de cobre aumenta cuando se fuerza a girar su borde entre los polos de un imán. mientras que el disco se calienta espontáneamente por corrientes de Foucault inducidas en el metal del disco.

Explicación del fenómeno

Los portadores de carga libres ( electrones ) en una hoja de metal se mueven con la hoja hacia la derecha, por lo que el campo magnético ejerce una fuerza lateral sobre ellos debido a la fuerza de Lorentz. Dado que el vector de velocidad v de las cargas apunta hacia la derecha y el campo magnético B apunta hacia abajo, según la regla de Gimlet , la fuerza de Lorentz sobre las cargas positivas F = q ( v × B ) está hacia la parte posterior del diagrama (a la izquierda cuando se ve en el sentido de la marcha v ). Esto induce una corriente I hacia la parte posterior debajo del imán, que gira sobre las partes de la hoja fuera del campo magnético, en el sentido de las agujas del reloj hacia la derecha y en el sentido contrario a las agujas del reloj hacia la izquierda, nuevamente hacia el frente del imán. Los portadores de carga móviles en un metal, los electrones , en realidad tienen una carga negativa (q < 0), por lo que su movimiento es opuesto a la dirección de la corriente convencional que se muestra.

El campo magnético del imán, que actúa sobre los electrones que se mueven lateralmente debajo del imán, crea una fuerza de Lorentz hacia atrás, opuesta a la velocidad de la hoja de metal. Los electrones, al chocar con los átomos de una red metálica, transfieren esta fuerza a la lámina, ejerciendo una fuerza de resistencia sobre la lámina, proporcional a su velocidad. La energía cinética que se requiere para vencer esta fuerza de resistencia se disipa como calor por las corrientes que fluyen a través de la resistencia del metal, de modo que el metal recibe calor bajo el imán.

Las corrientes de Foucault surgen bajo la acción de un campo magnético (alterno) variable en el tiempo [d] y , por su naturaleza física, no difieren en nada de las corrientes de inducción que surgen en los cables y devanados secundarios de los transformadores eléctricos .

Propiedades

Las corrientes de Foucault se pueden utilizar para la levitación de objetos conductores , el movimiento o el frenado brusco .

Las corrientes de Foucault también pueden tener efectos no deseados, como pérdidas de potencia en los transformadores . En esta aplicación, se minimizan mediante el uso de placas delgadas, laminación del conductor u otros detalles de la forma del conductor. Dado que la resistencia eléctrica de un conductor [e] masivo puede ser pequeña, la fuerza de la corriente eléctrica inductiva debida a las corrientes de Foucault puede alcanzar valores extremadamente grandes. De acuerdo con la regla de Lenz , las corrientes de Foucault en el volumen de un conductor eligen un camino tal que contrarresta la causa que las hace fluir en mayor medida, lo cual es un caso especial del principio de Le Chatelier . Por lo tanto, en particular, los buenos conductores que se mueven en un campo magnético fuerte experimentan una fuerte desaceleración debido a la interacción de las corrientes de Foucault con un campo magnético externo. Este efecto se utiliza para amortiguar las partes móviles de galvanómetros, sismógrafos y otros instrumentos sin el uso de la fricción, así como en algunos diseños de los sistemas de frenos de los trenes.

Las corrientes de Foucault autoinducidas son responsables del efecto pelicular en los conductores [1] . El efecto piel se puede utilizar para pruebas no destructivas de materiales para características geométricas como microfisuras. [2]

Disipación de potencia por corrientes de Foucault

Bajo ciertas suposiciones (material homogéneo, campo magnético uniforme, sin efecto pelicular, etc.), la pérdida de potencia debida a las corrientes de Foucault por unidad de masa para una hoja o alambre delgado se puede calcular a partir de la siguiente ecuación [3] :

P={\frac {\pi ^{2}B_{\text{p))^{\,2}d^{2}f^{2)){6k\rho D)),

dónde

P pérdida de potencia por unidad de masa (W/kg), B p campo magnético máximo (T), d espesor de chapa o diámetro de alambre (m), f frecuencia (Hz), k es una constante igual a 1 para lámina delgada y 2 para alambre delgado, ρ resistividad del material (Ω m), D es la densidad del material (kg/m 3 ).

Esta ecuación solo es válida en las llamadas condiciones cuasiestáticas, en las que la frecuencia de magnetización no produce un efecto pelicular; es decir, la onda electromagnética penetra completamente en el material.

Ecuación de difusión

La derivación de una ecuación útil para modelar el efecto de las corrientes de Foucault en un material comienza con el diferencial, la forma magnetostática de la ley de Ampère [4] , que proporciona una expresión para el campo magnetizante H de la densidad de corriente ambiental J:

\nabla \times \mathbf {H} =\mathbf {J} .

{\color {blanco}-}\nabla \left(\nabla \cdot \mathbf {H} \right)-\nabla ^{2}\mathbf {H} =\nabla \times \mathbf {J} .

De la ley de Gauss para el magnetismo , entonces $\nabla \cdot \mathbf {H} =0$

-\nabla ^{2}\mathbf {H} =\nabla \times \mathbf {J} .

Usando la ley de Ohm , que relaciona la densidad de corriente J con el campo eléctrico E en términos de conductividad material σ, y suponiendo una conductividad uniforme isotrópica, la ecuación se puede escribir como $\mathbf {J} =\sigma \mathbf {E}$

-\nabla ^{2}\mathbf {H} =\sigma \nabla \times {\boldsymbol {E)).

Usando la forma diferencial de la ley de Faraday , obtenemos $\nabla \times \mathbf {E} =-\parcial \mathbf {B} /\parcial t$

{\color {blanco}-}\nabla ^{2}\mathbf {H} =\sigma {\frac {\parcial \mathbf {B} }{\parcial t)).

Por definición , donde M es la magnetización del material y μ 0 es la permeabilidad al vacío. Así, la ecuación de difusión toma la forma: $\mathbf {B} =\mu _{0}(\mathbf {H} +\mathbf {M} )$

{\color {blanco}-}\nabla ^{2}\mathbf {H} =\mu _{0}\sigma \left({\frac {\parcial \mathbf {M} }{\parcial t ))+{\frac {\parcial \mathbf {H} }{\parcial t))\right).

Aplicación

La acción térmica de las corrientes de Foucault se aprovecha en los hornos de inducción , donde se coloca un cuerpo conductor en una bobina alimentada por un generador de alta potencia y alta frecuencia, en el que surgen corrientes de Foucault, calentándolo hasta su fusión. Las cocinas de inducción funcionan de manera similar , en las que los utensilios de metal se calientan mediante corrientes de Foucault creadas por un campo magnético alterno de una bobina ubicada dentro de la estufa.

La prueba de corriente de Foucault es uno de los métodos para la prueba no destructiva de productos hechos de materiales conductores. Con la ayuda de las corrientes de Foucault, las partes metálicas de las instalaciones de vacío y los tubos de radio se calientan para su desgasificación durante la evacuación.

Sistemas de frenos

De acuerdo con la regla de Lenz , las corrientes de Foucault fluyen dentro del conductor siguiendo caminos y direcciones tales que su acción sea lo más fuerte posible para resistir la causa que las provoca. Como resultado, cuando se mueven en un campo magnético, los buenos conductores se ven afectados por una fuerza de frenado provocada por la interacción de las corrientes parásitas con un campo magnético. Este efecto se utiliza en una serie de dispositivos para amortiguar las vibraciones de sus partes móviles (péndulo de Waltenhofen [5] )

Efectos de levitación y repulsión

En un campo magnético alterno, las corrientes inducidas exhiben efectos repulsivos de tipo diamagnético. Un objeto conductor experimentará una fuerza repulsiva. Este fenómeno puede levantar objetos en contra de la gravedad, pero con una entrada de energía constante para compensar la energía disipada por las corrientes de Foucault. Un ejemplo de aplicación es la separación de latas de aluminio de otros metales en un separador de corrientes de Foucault. Los metales ferrosos se adhieren al imán, mientras que el aluminio (y otros conductores no ferrosos) son repelidos por el imán; esto ayuda a separar el flujo de residuos en chatarra ferrosa y no ferrosa.

Con un imán de mano muy fuerte, como uno hecho de neodimio, se puede observar fácilmente un efecto muy similar pasando el imán rápidamente sobre la moneda con un pequeño espacio. Según la fuerza del imán, la identidad de la moneda y la distancia entre el imán y la moneda, es posible forzar a la moneda a empujar ligeramente por delante del imán, incluso si la moneda no contiene elementos magnéticos como el centavo estadounidense. Otro ejemplo es la caída de un imán fuerte en un tubo de cobre: el imán cae muy lentamente [6] .

En un superconductor sin resistencia, las corrientes de Foucault superficiales anulan exactamente el campo dentro del conductor, por lo que ningún campo magnético penetra en el conductor. Debido a que no se pierde energía en la resistencia, las corrientes de Foucault generadas cuando un imán se acerca a un conductor persisten incluso después de que el imán está estacionario y pueden equilibrar exactamente la fuerza de la gravedad, lo que permite la levitación magnética. Los superconductores también exhiben un fenómeno mecánico cuántico inherentemente separado llamado efecto Meissner , en el que cualquier línea de campo magnético presente en un material cuando se vuelve superconductor es expulsada, por lo que el campo magnético en un superconductor es siempre cero.

Usando electroimanes con conmutación electrónica comparable al control de velocidad electrónico, es posible crear campos electromagnéticos que se mueven en una dirección arbitraria. Como se describió anteriormente en la sección sobre frenos de corrientes de Foucault, la superficie de un conductor no ferromagnético tiende a descansar en este campo en movimiento. Sin embargo, cuando este campo se mueve, el vehículo puede levitar y moverse. Es comparable al maglev , pero no está sujeto a rieles [7] .

En muchos casos, las corrientes de Foucault pueden ser indeseables. Para combatirlos, se toman medidas especiales: para evitar pérdidas de energía por calentar los núcleos de los transformadores , estos núcleos se reclutan a partir de placas delgadas separadas por capas aislantes (mezcla). La llegada de las ferritas hizo posible fabricar estos núcleos como núcleos sólidos.

Notas

↑ El término vórtice significa que las líneas de fuerza actuales están cerradas.
↑ Se denomina inducción a una corriente eléctrica creada (inducida) en un conductor debido a la interacción del conductor con un campo magnético (electromagnético) variable en el tiempo, y no debido a la acción de fuentes de corriente y CEM (celdas galvánicas, etc.) incluido en el corte del circuito.
↑ El término corrientes se usa a menudo en plural, ya que las corrientes de Foucault representan una corriente eléctrica en el volumen de un conductor y, a diferencia de la corriente inductiva en el devanado secundario de un transformador, es difícil especificar un solo "circuito eléctrico". para la corriente, la única trayectoria cerrada del movimiento de cargas eléctricas en el espesor del conductor.
↑ Estrictamente hablando - bajo la influencia de un campo electromagnético alterno
↑ Es decir, tener un área transversal grande

Fuentes

↑ Israel D. Vagner. Electrodinámica de medios magnetoactivos / Israel D. Vagner, BI Lembrikov, Peter Rudolf Wyder. — Springer Science & Business Media, 17 de noviembre de 2003. — P. 73–. - ISBN 978-3-540-43694-2 . Archivado el 20 de octubre de 2021 en Wayback Machine .
↑ Walt Boyes. Libro de referencia de instrumentación . — Butterworth-Heinemann, 25 de noviembre de 2009. — Pág. 570–. - ISBN 978-0-08-094188-2 . Archivado el 20 de octubre de 2021 en Wayback Machine .
↑ F. Fiorillo, Medición y caracterización de materiales magnéticos, Elsevier Academic Press, 2004, ISBN 0-12-257251-3 , pág. 31
↑ G. Histéresis en magnetismo: para físicos, científicos de materiales e ingenieros , San Diego: Academic Press, 1998.
↑ Alfred Hendel. Leyes básicas de la física / trad. con él. I. F. Golovina, ed. profe. N. N. Malova. - M. : Fizmatgiz, 1958. - S. 233. - 284 p. - 75.000 ejemplares.
^ Tubos de corrientes de Foucault - YouTube . Consultado el 20 de octubre de 2021. Archivado desde el original el 20 de octubre de 2021. (indefinido)
↑ Hendo Hoverboards - El primer hoverboard REAL del mundo . Consultado el 20 de octubre de 2021. Archivado desde el original el 12 de julio de 2018. (indefinido)

Literatura

Sivukhin DV: Curso general de física, volumen 3. Electricidad. 1977
Savelyev IV: Curso de Física General, volumen 2. Electricidad. 1970
Ensayos no destructivos: libro de referencia: V 7v. Bajo total edición V. V. Kliuev. T. 2: En 2 libros.- M .: Ingeniería, 2003.-688 p.: il.

Enlaces

Sobre las corrientes de Foucault en la "Escuela de electricista".

diccionarios y enciclopedias	Gran catalán gran noruego Gran soviet (1 ed.) Britannica (en línea)
En catálogos bibliográficos	BNF : 12138531t TIERRA : 4190009-1 J9U : 987007531256405171 LCCN : sh85040943