Vířivé proudy

Pomůcky: Kruhový feritový magnet z reproduktoru, sklo, otáčivé hliníkové kolečko, několik neodymových magnetů, volně otáčivou hliníkovou plechovku , větší kádinku, hliníkové mince, plastovou podložku, malý feritový magnet s háčkem, vlákno na stojanu a měděnou desku o síle cca 1 cm.

Demonstraci účinků vířivých proudů můžeme provést mnoha způsoby. S výhodou využijeme účinky velmi silného magnetu s povrchovou hodnotou magnetické indukce přes 0.5 T. Takový magnet lze získat ze zničeného harddisku z počítače. Říkejme mu HDD magnet.

1. Magnet na desce

HDD magnet necháme sjíždět po velmi šikmé, téměř svislé, nakloněné rovině tvořené prkénkem. Magnet se pohybuje s velkým zrychlením, takřka volným pádem. Pak nahradíme prkénko měděnou deskou. Magnet se po ní pohybuje pomalým rovnoměrným pohybem několika centimetrů za sekundu. Necháme studentům, aby se pokusili magnetem pohybovat po povrchu ležící měděné desky. Cítí v prstech značný odpor. Pokud je deska volně pohyblivá, položená např. na válečcích, můžeme ji uvést do pohybu, aniž bychom se jí bezprostředně dotkli. Magnet a měděná deska se nedotýkají a přesto na sebe vzájemně silově působí. Silové působení vzniká jen při vzájemném pohybu magnetu a vodivé desky. V klidu žádné silové působení nepozorujeme. Měď není feromagnetická.

Z několika HDD magnetů vytvoříme pásek. Magnety jsou v pásku orientovány střídavě a vzájemně se přitahují (obr.1). Na obou stranách se tedy střídají póly N-S-N-S…. Necháme sjíždět tuto řadu magnetů po měděné desce. Pohybují-li se tak, že směr pohybu je v podélném směru pásku je pohyb znatelně více bržděn (obr.2), než když se pásek pohybuje napříč (obr.3). Ve druhém případě se pohybuje několikanásobně rychleji. Je to proto, že v prvním případě dochází při stejné rychlosti magnetů k podstatně větším změnám magnetického indukčního toku ve vodivé desce pod nimi.

2. Kyvadlo s vířivými proudy

Obdobou předchozího pokusu je zastavování kyvadla. K malému kulatému feritovému magnetu přilepíme háček z měděného drátku, abychom jej mohli zavěsit na vlákno a sestavíme kyvadlo. Rozkýveme a pozorujeme útlum. Je velmi malý. Pod kyvadlo umístíme měděnou desku, aby mezera mezi nimi byla co nejmenší. Rozkýveme. Útlum je již znatelný. Pak na feritový magnet zespodu přidáme HDD magnet a opět vychýlíme kyvadlo. Tlumení v tomto případě je tak velké, že pohyb kyvadla přejde v aperiodický a kyvadlo se zastaví během jednoho kyvu.

3. Pohyb hliníkových mincí

Nejjednodušší variantou je pohybování hliníkovými mincemi magnetem.

Na tenkou plastovou desku nebo na karton umístíme několik hliníkových mincí. Čím větší, tím vhodnější. Pod deskou pohybujeme HDD magnetem. Vhodnější je rychlejší pohyb. Protože v mincích vytváříme pohybem magnetu vířivé proudy, které svými účinky brání vzájemnému pohybu magnetu a vodiče, mince putují spolu s magnetem. Pro zvýšení názornosti diskutujme se studenty, jak by se chovala za stejných podmínek feromagnetická mince a pak ukážeme.

4. Asynchronní motor

Velmi vděčným pokusem je předvedení roztáčení rotoru asynchronního motoru točivým magnetickým polem. Rotor zhotovíme z hliníkové konzervy nebo jiné hliníkové plechovky. Vhodná je plechovka od burských oříšků. Doprostřed dna zevnitř přitmelíme ložisko z malé patentky. Připravíme hrot zaostřením drátu z výpletu kola bicyklu. Tupý konec vetkneme do podstavce z prkénka. Na hrot zavěsíme plechovku. Máme hotový volně otáčivý vodivý rotor. Abychom vyloučili mechanické působení na rotor, přiklopíme ho velkou kádinkou. Kolem kádinky pohybujeme magnetem a vytvoříme tak rotující vektor magnetické indukce. Plechovka se roztočí ve stejném směru. Pokud oddálíme magnet, rotor se po chvíli třením zastaví. Pokud po roztočení magnet jen zastavíme a necháme rotor otáčet ve stacionárním magnetickém poli, zastaví se velmi rychle (obr.5).

5. Vířivé proudy v rotujícím tělese

K následujícímu experimentu potřebujeme volně otáčivé hliníkové kolečko. Vezmeme použité, prohnuté, ale jinak nepokřivené, hliníkové víčko ze sklenice Omnia o průměru 8 cm. Nůžkami odstřihneme okraj. Doprostřed z vnitřní strany zabodneme kružítko, sestrojíme kružnici a přesně vystřihneme kruh. Na kolečko nakreslíme fixem několik plošek, abychom mohli dobře sledovat jeho otáčení. Propíchnutím plechu se vytvoří malý výstupek. Kolečko položíme na toto vyvýšení a na hladké pevné podložce, např. na skle, roztočíme prsty. Kolečko se překvapivě velmi dlouho otáčí. Pak vezmeme větší feritový magnet. Vhodný je kruhový magnet z vysloužilého reproduktoru. Roztočíme kolečko a umístíme magnet tak, aby zasahovalo do magnetického pole jen částí. Otáčení se velmi rychle utlumí (obr.7). Stejným způsobem se brzdí otáčení kolečka v elektroměru, nebo kmitání ručičky deprézského měřícího přístroje.

Pokud roztočené kolečko umístíme do magnetického pole s osou rotace shodnou s osou magnetu (obr. 8), kolečko se točí bez magnetického brždění. Protože se nemění magnetický indukční tok v uzavřeném elektrickém obvodu, nevzniká indukovaný proud, nedochází ke konání práce, neklesá energie otáčení a kolečko je bržděno jen třecími silami.