ما هي التيارات الدوامة

سنستكشف في هذا الدليل جميع العوامل الأساسية حول التيار الدوامي. إذا كنت ترغب في معرفة ماهيتها أو تأثيراتها أو فائدتها - فاقرأ هذا الدليل للحصول على معلومات مفصلة.

ما هي التيارات الدوامية؟

تمثل التيارات الدوامية التيارات الكهربية التي تتحرك عبر جسم موصل إذا تعرض لتذبذب المجال المغناطيسي. وهي تدور في حلقات مغلقة في المادة الموصلة داخل مستويات بزاوية قائمة مع المجال الكهرومغناطيسي.

تحدث إذا حدث تغير في المجال المغناطيسي حول موصل ساكن أو إذا تحرك موصل عبر المجال الكهرومغناطيسي. التيارات الدوامية مفيدة في بعض التطبيقات، ولكنها قد تكون غير مرغوب فيها في تطبيقات أخرى.

تاريخ التيارات الدوامة

كان فرانسوا أراغو، الفيزيائي وعالم الرياضيات والرئيس الثاني للجمهورية الفرنسية الثانية، أول من لاحظ التيارات الدوامة في عام 1824. وقد ميَّز في ما أُشير إليه باسم المغناطيسية الدورانية أنه كان من الممكن مغنطة معظم المواد الموصلة. وقد أكمل مايكل فاراداي هذه النتائج وشرحها فيما بعد.

صاغ إميل لينز قانون لينز في عام 1834. لكن العالم الفرنسي ليون فوكو هو العالم الفرنسي المعروف باكتشافه للتيارات الدوامة. ففي عام 1855، قرر العالم أن هناك زيادة في القوة اللازمة لإحداث دوران القرص النحاسي عند وضع حافته بين قطبي المغناطيس. ولاحظ أيضًا أن التيارات الدوامة المستحثة تسخن القرص.

التيارات الدوامة مقابل الخسائر الدوامة

يمثل الفقد الإدي تبديد الطاقة في شكل حرارة بسبب دوران التيارات الدوامية داخل الأجسام الموصلة. تواجه التيارات الدوامية مقاومة عند تدفقها عبر المادة، مما يؤدي إلى تبديد الحرارة. ويمكن أن يكون لفقدان الطاقة هذا تأثيرات سلبية في عمل المحولات والمعدات الكهربائية وكفاءتها.

باختصار، تشير التيارات الدوامة إلى التيارات الكهربية المتدفقة المتولدة في المواد الموصلة بسبب المجالات الكهرومغناطيسية المتغيرة. ومن ناحية أخرى، تصف الخسائر الدوامة خسائر الطاقة في صورة حرارة بسبب هذه التيارات الدوامة. من المهم تقليل الفقد الدوامي من أجل تعزيز عمل وفعالية الأجهزة الكهرومغناطيسية.

كيف يتم إنتاج التيار الدوامي

ترجع ظاهرة التيارات الدوامة إلى الحث الكهرومغناطيسي. عند إدخال أو حدوث تغيُّر في المجال المغناطيسي بالقرب من جسم موصِّل للمغناطيسية أو حدوث تغيُّر في التدفق المغناطيسي التي تخترق الجسم.

يتغير التدفق المغناطيسي الذي يتحرك عبر المادة مع التغيرات في المجال الكهرومغناطيسي المستحث. بناءً على قانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي, ، تنتج التيارات الكهربائية عن التدفق المغناطيسي المتغير.

وتتدفق هذه التيارات الكهربية المستحثة بطريقة دائرية داخل المادة الموصِّلة، وهو ما يُعرف بالتيارات الدوامة. ويعتمد اتجاه تدفق التيارات على خصائص المادة الموصلة واتجاه المجال المغناطيسي.

أسباب التيارات الدوامية

وعادةً ما تتولد التيارات الدوامة عندما يكون هناك تغيُّر في المجال المغناطيسي حول موصل ساكن، أو إذا تحرَّك موصل عبر مجال مغناطيسي. ولذلك، تتكوَّن تيارات دوامة في الحالات التي يحدث فيها تغيُّر في اتجاه أو شدة المجال الكهرومغناطيسي داخل موصِّل.

التباطؤ مقابل التيارات الدوامية

التباطؤ والتيارات الدوامة ظاهرتان متباينتان مرتبطتان بسلوك المواد داخل المجالات المغناطيسية المتقلبة. يتسبب هذا التذبذب في المجالات المغناطيسية في حدوث تباطؤ في المواد المغناطيسية الحديدية والتيارات الدوامة داخل الأجسام الموصلة.

ويشار إلى الفقد المغناطيسي الناتج عن التباطؤ بفقد التباطؤ، بينما يوصف الفقد الناتج عن التيارات الدوامة بفقد التيار الدوامي.

يقارن الجدول أدناه بين فقد التباطؤ مقابل فقد التيار الدوامي:

فقدان التباطؤ	فقدان التيار الدوامي
يحدث فقدان التباطؤ بسبب انعكاس المغناطيسية في مادة مغناطيسية حديدية تحت مجال مغناطيسي متغير.	يحدث فقدان التيار الدوامي بسبب الحركة النسبية بين المجال المغناطيسي والموصل.
يحدث فقط داخل قلب الجهاز الكهربائي.	يحدث داخل القلب والموصل وجسم الجهاز الكهربائي.
يحدث في المواد المغناطيسية الحديدية	يحدث في المواد الموصلة.
ينطوي تقليل فقد التباطؤ على استخدام الفولاذ الموجه بالحبوب.	يستلزم تقليل فقد التيار الدوامي استخدام تصفيح المعادن لبناء تصفيح القلب.
محسوبة بتطبيق المعادلة Pb = η * بالحد الأقصىn * و * ف	محسوبة بتطبيق المعادلة Pe = Ke * Bالحد الأقصى2 * f2 * t2 * V

 

معادلة التيارات الدوامية وحساباتها

يمكنك استخدام المعادلة أدناه لتحديد الفقد الكلي نتيجة للتيارات الدوامية:

P_e = K_e * B_{الحد الأقصى}² * f² * t² * V

أين,

• P_e يمثِّل فقدان التيار الدوامي (W)

• K_e يشير إلى ثابت التيار الدوامي.
• B_{الحد الأقصى} تشير إلى كثافة التدفق القصوى (Wb/m²)
• f يمثل تردد الجهد المستحث (هرتز)
• t يمثل سمك المادة الموصلة (m)
• V تشير إلى حجم المادة الموصِّلة (m³)

كيفية التقليل من التيارات الدوامية

 

يعد تقليل خسائر التيار الدوامي أمرًا أساسيًا في تحسين أداء الأنظمة والأجهزة الكهربائية. فيما يلي بعض طرق تقليل خسائر التيار الدوامي:

جزء داخلي مغلف

يعد دمج النوى المصفحة المصنوعة باستخدام صفائح رقيقة من المواد الموصلة تقنية شائعة لتقليل التيار الدوامي في المحركات والمحولات والأدوات الكهرومغناطيسية الإضافية. تنتج الصفائح الرقيقة مقاومة كهربائية أكبر تجاه اتجاه التيار الدائر، وبالتالي تقليل خسائر التيار الدوامي.

مواد عالية المقاومة

يساعد استخدام مواد موصلة ذات مقاومة كهربائية عالية أيضًا في تقليل خسائر التيار الدوامي. فهي تتيح التبديد السريع والفعال للتيارات الدوامية، مما يقلل من الخسائر.

التصميم الأساسي السليم

تقليل مسار التيارات الدوامة عن طريق تحسين تصميم النواة. على سبيل المثال، يمكنك استخدام النوى المستطيلة أو الحلزونية بدلاً من النوى الدائرية لتقليل مسارات التيارات الدوامة.

تردد التحكم

هناك تناسب طردي بين تردد المجال المغناطيسي المتذبذب وخسائر التيار الدوامي. على الرغم من أنه قد يكون من الصعب القضاء على التيارات الدوامة تمامًا، إلا أن تقليل التردد يمكن أن يكون مفيدًا في تقليل الخسائر في التطبيقات عالية التردد.

المواد المغناطيسية اللينة

استخدام المواد المغناطيسية اللينة ذات الإكراه المنخفض والنفاذية العالية. يميل هذا النوع من المواد إلى إظهار خسائر منخفضة للتيار الدوامي إذا تعرضت لمجالات كهرومغناطيسية متقلبة.

التدريع المغناطيسي

وفي بعض الأحيان، يمكن تطبيق تقنيات التدريع المغناطيسي لإعادة توجيه المجالات المغناطيسية أو احتوائها. وهذا يمنع تفاعلها مع الموصلات المجاورة، مما يقلل من تحريض التيارات الدوامة.

الطلاءات المغناطيسية

يمكن للطلاء المغناطيسي أو العزل المغناطيسي لسطح الموصل أن يمنع تطور التيارات الدوامة. وتقلل الطبقة من دوران التيار الدوامي من خلال تشكيل عائق بين المجال المغناطيسي المتذبذب ومادة الموصل.

تخميد التيار الدوامي

تعمل هذه الطريقة لتقليل خسائر التيار الدوامي عن طريق التحكم في الحركة أو الاهتزازات. يمكنك خفض الاهتزازات غير الضرورية من خلال إدخال تيارات دوامة منظمة داخل أجزاء محددة.

الآثار الضارة للتيارات الدوامية

 

على الرغم من الاستخدامات والفوائد العديدة للتيارات الدوامية، إلا أن لها بعض التأثيرات الخطيرة أيضاً. تتضمن بعض تأثيرات التيارات الدوامية الضارة ما يلي:

تسخين المكونات

قد تواجه تسخينًا زائدًا للمكونات نتيجة للتيارات الدوامة. ويمثل هذا تحديًا بشكل خاص عند استخدام مواد ذات توصيل كهربائي عالٍ أو في التطبيقات عالية التردد. قد يؤدي التسخين إلى تدهور المواد، والإجهاد الحراري، وانخفاض عمر الخدمة للمكونات المتأثرة.

فقدان الطاقة

هناك احتمال أن تواجه المواد الموصلة للكهرباء خسائر كبيرة في الطاقة بسبب التيارات الدوامية. وقد يتسبب ذلك في عدم فعالية الأنظمة والأجهزة الكهربائية.

تُنتج التيارات الدوامية مقاومة أثناء تدفقها عبر مادة موصلة للكهرباء، مما يؤدي إلى تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية. وبالتالي، فإن هذا التحويل للطاقة يمكن أن يقلل من كفاءة المولدات والمحركات والمحولات والأجهزة الكهربائية الأخرى.

الضوضاء والاهتزازات

كما أن هناك فرصة لحدوث ضوضاء مسموعة مستحثة واهتزازات ميكانيكية بواسطة التيارات الدوامية داخل المواد الموصلة والهياكل المجاورة. وهذا يعني أن هذه الظاهرة يمكن أن يكون لها تأثيرات ضارة في الاستخدامات التي تكون فيها الضوضاء والدقة المنخفضة أمرًا بالغ الأهمية، كما هو الحال في المعدات الصوتية الحساسة أو الأدوات العلمية.

التداخل الكهرومغناطيسي (EMI)

يمكن أن يتداخل إنشاء المجال الكهرومغناطيسي بسبب التيارات الدوامية مع الأدوات والدوائر الإلكترونية المجاورة. قد يؤدي التداخل الكهرومغناطيسي الكهرومغناطيسي إلى حدوث اضطرابات وتعطل وتشويه للإشارة في الأجهزة الإلكترونية الحساسة. ويمكن أن يتسبب ذلك في تلف البيانات وأخطاء في الاتصال ومشاكل إضافية في الأداء.

السحب المغناطيسي

قد تواجه الأجسام الموصلة المتحركة سحبًا مغناطيسيًا ناجمًا عن التيارات الدوامية، مما يعاكس حركة الموصل. قد يكون هذا الأمر غير مرغوب فيه إذا كنت تنوي تحقيق تحكم دقيق أو تحديد المواقع أو في بعض المعدات الميكانيكية.

تطبيقات التيارات الدوامة

تشمل الاستخدامات الأساسية والأكثر انتشارًا للتيارات الدوامة ما يلي:

الرفع المغناطيسي

التحليق المغناطيسي هو شكل تنافري من أشكال الرفع المغناطيسي يتم تطبيقه في قطارات ركاب ماجليف المتطورة عالية السرعة لتسهيل النقل بدون احتكاك. يولد مغناطيس فائق التوصيل مركب على القطار تدفقاً مغناطيسياً متذبذباً.

وهذا بدوره يولِّد تيارات دوامة فوق الصفيحة الموصِّلة الساكنة التي يرتفع عليها القطار. ينتج عن تفاعل المجال المغناطيسي والتيارات الدوامية قوى الرفع في الهواء.

فرن الحث الحثي

الفرن الحثي شائع في قطاع الصهر، حيث تضع المعدن الذي تريد صهره داخل تيار عالي الاستحثاث متغير بسرعة. يولد هذا التيار كمية حرارة أكبر تذيب المعدن. ولذلك، يساعد الفرن الحثي في استخلاص المعدن من الخام.

محرك تحريضي

تعتبر التيارات الدوامة مفيدة في دوران المحرك الحثي. يحدث هذا عندما يعرض النظام التيارات المستحثة للدوار المعدني الذي يدور داخل المجال الكهرومغناطيسي. وبالتالي، يحدث انخفاض في السرعة النسبية بين المجال والدوار، مما يجعل الحث يدور في اتجاه المجال المغناطيسي.

عداد السرعة

يتميز عداد سرعة السيارة بمغناطيس مربوط باستخدام خيوط شعر مثبت على العمود الأساسي للسيارة. مع كل حركة للمركبة، يتغير المغناطيس ويعرض سرعة السيارة من خلال خيوط الشعر.

مكابح كهربائية

تلعب التيارات الدوامية دورًا مهمًا في كبح القطارات والقطارات ذات الوقايات الدوارة والمثقاب الكهربائي أو المنشار الكهربائي لقطعها في حالات الطوارئ. تُعرِّض المكابح العجلات المعدنية لمجال كهرومغناطيسي، مما يؤدي إلى تيار دوّامي. ونتيجة لذلك، يؤدي التبادل بين التيارات الدوامية المتولدة والمجال المطبق إلى تباطؤ العجلات.

سيؤدي الدوران الأسرع للعجلات إلى تأثير ملحوظ أكثر. وهذا يعني أن التيارات الدوامة تجعل من الممكن تباطؤ الماكينة سريعة الحركة دون إحداث أي إزعاج.

الجلفانومتر

هناك تطبيق آخر للتيارات الدوامية في الجلفانومترات. هنا، تُطبَّق التيارات الدوامة لمعاكسة انحراف الجلفانومتر لضمان وصول الملف المستخدم داخل الجهاز إلى حالة الاتزان.

يسهل تحديد دقة الجلفانومتر. وذلك لأنك لا يمكنك عادةً قراءة الانحراف حتى تستقر عملية الاختبار والملف المستخدم.

عداد الطاقة

يتميز ملف المحرك الموجود داخل مقياس الطاقة بقرص من الألومنيوم يدور في أقطاب المغناطيس حدوة الحصان الدائمة المزدوجة. وتنتج التيارات الدوامة المستحثة تأثير الكبح، وترتبط الطاقة المستخدمة ارتباطًا مباشرًا بالتباعد.

كاشف المعادن

بمساعدة الحث بالتيارات الدوامية، تساعد أجهزة الكشف عن المعادن في استشعار وجود المعادن في التربة والصخور وغيرها. كما تستخدمها قوات الأمن للكشف عن الألغام الأرضية والمتفجرات والأسلحة.

فصل المعادن

يمكن أيضًا استخدام التيارات الدوامة والتخميد المغناطيسي في مراكز إعادة التدوير لفصل المعادن عن غير المعادن. وينطبق ذلك على جميع أنواع المعادن، وليس فقط الأنواع المغناطيسية الحديدية مثل الصلب والحديد.

فحص السطح

تستفيد العديد من تقنيات العثور على الانقطاع أو عدم الانتظام على أسطح المواد من ظاهرة التيارات الدوامية. يندرج اختبار التيار الدوامي تحت طريقة الاختبار غير المتلف، حيث لا يتم التداخل مع المعدن الذي يتم اختباره.

أي عيب في المعدن، مثل الشق القريب من السطح، يقطع التيار الدوامي وبالتالي يخفض المجال الكهرومغناطيسي. ومن السهل استشعار هذا التباين في المجال المغناطيسي.

خاتمة

كما ترون، للتيارات الدوامة فوائد وقيود على حد سواء اعتماداً على مجال التطبيق. إذا كان لديك أي أسئلة أو استفسارات حول هذه الظاهرة المثيرة للاهتمام, نحن هنا لمساعدتك.