Pyörrevirta

Pyörrevirta on muuttuvan magneettikentän vaikutuksesta syntyvä sähkövirta johtavissa materiaaleissa, esimerkiksi metalleissa. Ilmiötä voidaan käyttää hyväksi mm. metallintunnistimissa, pyörrevirtajarruissa sekä induktiivisessa kuumentamisessa. Virranahtoilmiön (skin-efekti) vuoksi virta ahtautuu johtimen pintaosiin. Tämä ilmiö on merkittävä vain suurilla taajuuksilla ja paksuilla johtimilla ja vaihtelee materiaalin mukaan.

Magneettivuon muutos indusoi johtimeen pyörrevirtoja kohtiin, joissa magneettivuon tiheys muuttuu. Muutokset voivat johtua kappaleen liikkeestä magneettikenttään nähden tai magneettikentän muutoksesta. Kumpiakin käytetään hyväksi esimerkiksi induktiivisessa kuumennuksessa.

Pyörrevirtojen aiheuttama magneettikenttä pyrkii esimerkiksi jarruttamaan kappaleen heilahtamista magneettikenttään ja siitä pois.

Pyörrevirrat muuntajissa 

Pyörrevirrat aiheuttavat muuntajissa energiahäviöitä lämmittämällä muuntajan sydänmateriaalia, sekä aiheuttamalla vastakkaissuuntaisen sähkömotorisen voiman muuntajan käämeihin. Häviöiden minimoimiseksi sydän rakennetaan toisistaan eristetyistä levyistä yhtenäisen sydänmetallikappaleen sijaan. Jakelumuuntajien sydämet kuitenkin valmistetaan aina kidesuunnatusta muuntajalevystä.

Induktiivinen kuumennus 

Vaihtomagneettikentässä sähköä johtavaan kappaleeseen indusoituu  pyörrevirtoja. Kuumennettavan kappaleen lähellä olevassa käämissä kulkeva vaihtovirta synnyttää magneettivuon, joka tunkeutuu kuumennettavaan kappaleeseen. Lenzin lain mukaan magneettivuo indusoi sähkömotorisen voiman, joka synnyttää pyörrevirtoja. Joulen lain mukaan nämä pyörrevirrat muuttuvat lämmöksi. Myös hystereesihäviöt voivat aiheuttaa lämpenemistä kuumennettaessa magneettisia aineita kyseisellä menetelmällä.

Kuumennusvoimakkuuteen vaikuttavat magneettikentän voimakkuus, metallikappaleen magneettiset ja sähköiset ominaisuudet sekä kelan etäisyys kuumennettavasta metallikappaleesta.

Induktiivista kuumennusta käytetään hyväksi sulatettaessa metalleja induktiouuneissa. Metallikappale laitetaan lämpöä kestävään eristeastiaan, jonka ympärillä on käämi. Käämissä kulkee vaihtovirta, jonka taajuus on n. 1 kHz. Kuumennettavan materiaalin resistanssin vuoksi pyörrevirrat synnyttävät tehohäviöitä, jotka nostavat lämpötilan metallin lähelle sulamispistettä Curien pisteeseen. Induktiivisen kuumennuksen etuja ovat paikallinen saasteettomuus, hyvä säädettävyys sekä sulan metallin lisäaineiden helppo hallinta.

Monet uudet keittiöliedet toimivat induktiolla. Näiden liesien etuna tavallisiin nähden on, ettei levy kuumene lainkaan.  Induktioliesissä käytetään kattiloita, joiden pohjassa on ferromagneettista materiaalia, mikä vahvistaa indusoituneen magneettikentän voimakkuutta.  Lisäksi magneettisen materiaalin hystereesihäviöt hieman kasvattavat häviötehoa ja tehostavat kuumennusvaikutusta.  Induktioliesi ei yksinään aiheuta palovaaraa, jos se unohdetaan tai kytketään vahingossa päälle, mikäli levyn päällä ei ole kattilaa tai muuta metalliesinettä.

Kilowattituntimittari 

Perinteisessä kilowattituntimittarissa vaihtovirta synnyttää alumiinilevyyn pyörrevirtoja, joiden vaikutuksesta levy pyrkii pyörimään. Kestomagneetin aiheuttamat pyörrevirrat jarruttavat pyörimistä; alumiinilevyn akseli on kytketty kierroslaskuriin ja mittarin näyttöön.

Kuntopyörä 

Uusimmissa kuntopyörissä käytetään pyörrevirtajarrua, jonka idea on melko yksinkertainen. Poljettaessa kuntopyörällä liike-energia pyörittää isoa metallilevyä, johon indusoituu pyörrevirtoja paikallaan olevan magneetin ansiosta. Usein magneetteja on kaksi, jolloin metallilevy pyörii näiden magneettien välissä. Levyyn indusoituneet pyörrevirrat pyrkivät vastustamaan sen pyörimistä, ja tämä tuntuu polkimissa vastuksena.

Lähteet

Aiheesta muualla 

 NDT Resource Center - Eddy Currents (englanniksi)

Sähkömagnetismi 
Sähkötekniikka