خسارة التيار الدوامي Eddy Current Loss

ما هو التيار الدوامي وخسارة التيار الدوامي؟

عندما يتم تطبيق مجال مغناطيسي متردد على مادة مغناطيسية، يتم إحداث قوة دافعة كهربائية (emf) في المادة نفسها وفقًا لقانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي. نظرًا لأنّ المادة المغناطيسية عبارة عن مادة موصلة، فإنّ هذه المجالات الكهرومغناطيسية تقوم بتدوير التيار داخل جسم المادة. هذه التيارات المتداولة تسمّى (Eddy Currents) “التيار الدوامي”. سوف تحدث عندما يواجه الموصل مجالًا مغناطيسيًا متغيرًا.

نظرًا لأنّ هذه التيارات ليست مسؤولة عن القيام بأي عمل مفيد، وتنتج خسارة “خسارة (I²R)” في المادة المغناطيسية المعروفة باسم خسارة التيار إيدي “خسارة التيار الدوامي“. على نفس مبدأ فقدان التباطؤ (hysteresis loss)، سوف يزيد فقدان التيار الدوامي أيضًا من درجة حرارة المادة المغناطيسية. يُعرف التباطؤ وخسائر التيار الدوامي في مادة مغناطيسية أيضًا باسم خسائر الحديد (iron losses) أو خسائر اللب (core losses) أو الخسائر المغناطيسية (magnetic losses).

شرح خسارة التيار الدوامي:

يُنشئ تيار كهربائي يمر عبر موصل مجالًا مغناطيسيًا؛ هذا المجال يختلف بما يتناسب مع التيار إذا كان متناوبًا. إذا تمّ لف الموصل الحامل للتيار المتردد حول قلب موصل كهربائيًا – على سبيل المثال في محول – فإنّ المجال المغناطيسي المتغير، وفقًا “لقوانين فاراداي للحث”، سيحفز تيارات في اللب. سوف تتدفق هذه في حلقات مغلقة بزوايا قائمة على المجال المغناطيسي، وتعرف “بالتيارات الدوامة”.

معادلة فقدان طاقة التيار الدوامي:

يتم أيضًا إنشاء “تيارات إيدي” إذا تحرك المغناطيس بالنسبة إلى موصل، على سبيل المثال داخل المولد. في أي حال، فإنّ قيمة التيار داخل حلقة معينة تتعلق بقوة المجال المغناطيسي، ومنطقة الحلقة ومعدل تغير التدفق. إذا كان التيار “إيدي” من الحجم (I) يتدفق عبر مسار أساسي للمقاومة (r)، فإنّه سيبدد الطاقة في شكل حرارة وفقًا لمعادلة الطاقة:

power = I²R

نظرًا لأنّ هذا يمثل الطاقة التي يتم إنفاقها دون أي غرض مفيد، فإنّه يعتبر بمثابة خسارة تيار إيدي، تسمّى أحيانًا فقدان الحديد. عندما يرتبط التدفق المتغير بالنواة نفسها في القلب المغناطيسي، فإنّه يستحث (emf) في اللب والذي بدوره يقوم بإعداد التيار المتداول المسمّى (Eddy Current). وينتج عن هذا التيار في المقابل خسارة تسمّى “خسارة التيار الدوامي” أو خسارة (I²R)، حيث (I) هي قيمة التيار و(R) هي مقاومة مسار تيار إيدي.

إذا كان اللب مكوّنًا من حديد صلب من مساحة مقطع عرضي أكبر، فبالتالي سيكون حجم التيار (I) كبيرًا جدًا وبالتالي ستكون هناك خسائر للتيار الدوامي كبيرة. لتقليل فقدان التيار الدوامي بشكل أساسي، هناك طريقتان:

• عن طريق تقليل حجم التيار الدوامي:

يمكن تقليل حجم التيار عن طريق تقسيم اللب الصلب إلى صفائح رقيقة تسمّى التصفيح (laminations)، في المستوى الموازي للمجال المغناطيسي. يتم عزل كل تصفيح عن الآخر بطبقة رقيقة من طلاء الورنيش أو طبقة الأكسيد. عن طريق تصفيح اللب، يتم تقليل مساحة كل قسم وبالتالي سيقلل أيضًا (emf) المستحثّ. نظرًا لأنّ المنطقة التي يمر بها التيار أصغر، تزداد مقاومة مسار التيار الدوامي.

• يتم أيضًا تقليل فقد تيار الدوامة باستخدام مادة مغناطيسية لها قيمة أعلى للمقاومة مثل فولاذ السيليكون. 

التعبير الرياضي عن خسارة التيار الدوامي:

من الصعب تحديد خسارة التيار الدوامي من المقاومة وقيم التيار، ولكن من خلال التجارب، يتم إعطاء فقدان طاقة التيار الدوامة في مادة مغناطيسية بواسطة المعادلة الموضحة أدناه:

P_e = K_e (B_m)² t² f² V    watts

حيث:

K_e– تشارك في كفاءة التيار الدوامي. تعتمد قيمتها على طبيعة المادة المغناطيسية.

B_m– القيمة القصوى لكثافة التدفق في (wb/m²).

T – سمك التصفيح بالمتر.

F – تردد انعكاس المجال المغناطيسي بالهرتز (Hz).

V – حجم المادة المغناطيسية بالمتر المكعب (m³).

تطبيقات التيار الدوامي:

كما تعلم أنّه من خلال تأثير (Eddy Current)، لا يتم استخدام الحرارة التي يتم إنتاجها في أي عمل مفيد لأنّها مصدر رئيسي لفقدان الطاقة في آلات التيار المتردد مثل المحولات والمولدات والمحركات. لذلك، يُعرف باسم “خسارة إيدي للتيار”. ومع ذلك، هناك بعض الاستخدامات لهذا التيار الدوامي مثل التسخين الحثّي (Induction heating):

• في حالة التسخين بالحثّ، يتم وضع عمود حديدي كنواة لملف حثّي. يتم إنتاج كمية كبيرة من الحرارة في الجزء الخارجي من العمود بواسطة تيار الدوامة عندما يتم تمرير التيار عالي التردد عبر الملف.

• في مركز العمود، تقل كمية الحرارة. وذلك لأنّ المحيط الخارجي للعمود يوفر مسار مقاومة منخفضة للتيارات الدوامة. تستخدم هذه العملية في السيارات لتصلب أسطح الأعمدة الثقيلة.

• يتم استخدام تأثير التيار الدوامي أيضًا في الأدوات الكهربائية مثل عدادات الطاقة من نوع الحثّ لتوفير عزم دوران الكبح.

• لتوفير عزم التخميد (damping torque) في أدوات الملف المتحركة ذات المغناطيس الدائم.

• تستخدم أدوات التيارات إيدي للكشف عن الشقوق في الأجزاء المعدنية.

• تستخدم في القطارات ذات التيارات الدوامية.