Aluminium może silnie reagować na poruszający się magnes, choć magnes go nie „łapie”
Aluminium nie jest ferromagnetyczne i zwykły magnes nie przyczepia się do aluminiowej płyty tak jak do stali. Jednak aluminium bardzo dobrze przewodzi prąd. Gdy silny magnes porusza się nad płytą albo płyta przesuwa się w polu, zmiana strumienia indukuje prądy wirowe. Ich pole przeciwdziała względnemu ruchowi, więc magnes może być hamowany, a cienka aluminiowa płyta może zostać wprawiona w ruch przez szybko przemieszczający się magnes. Zjawisko pokazuje, że odpowiedź dynamiczna przewodnika na zmienne pole jest czymś innym niż jego statyczna podatność magnetyczna.
Test z przyklejaniem mówi niewiele o indukcji
Jeżeli przyłożymy magnes do aluminiowej blachy i puścimy, nie zobaczymy zachowania znanego ze stali. Z tego można błędnie wywnioskować, że aluminium jest dla pola „przezroczyste”. Tymczasem pole przenika przewodnik, a jego zmiana wywołuje pole elektryczne zdolne poruszać swobodne elektrony. Właśnie wysoka przewodność aluminium sprawia, że efekt dynamiczny może być bardzo wyraźny.
Ruch uruchamia odpowiedź
Nieruchomy magnes nad nieruchomą płytą daje w przybliżeniu stały strumień i nie podtrzymuje dużych prądów wirowych. Gdy zaczynamy przesuwać magnes, różne fragmenty aluminium doświadczają rosnącego i malejącego pola. Indukowane pętle prądowe pojawiają się w miejscach, gdzie strumień zmienia się najszybciej. Powstałe pole reaguje tak, by zmniejszać tę zmianę.
Siła zależy od prędkości
Przy wolnym ruchu zmiana strumienia jest mała, więc również siła hamująca może być mała. Przy szybszym ruchu napięcia indukowane i prądy rosną, dopóki inne efekty materiałowe i geometryczne nie staną się ważne. To dlatego magnes szybko przesunięty nad aluminiową płytą może wywołać wyczuwalny opór, choć przy powolnym zbliżaniu prawie niczego nie czujemy.
Aluminium bywa używane właśnie dlatego, że nie jest ferromagnetyczne
W doświadczeniach z prądami wirowymi aluminium jest wygodne: nie przykleja się do magnesu, a mimo to ma dobre przewodnictwo. Pozwala oddzielić indukcję od bezpośredniego ferromagnetycznego przyciągania. W urządzeniach technicznych ten sam zestaw cech bywa pożądany w tarczach hamulców bezkontaktowych i tłumikach, gdzie chcemy przewidywalnej reakcji prądów wirowych bez silnego przyciągania elementu do magnesu.
Co się dzieje z energią
Jeżeli przesuwamy magnes nad płytą i czujemy opór, musimy wykonać dodatkową pracę. Prądy wirowe płyną przez aluminium o skończonym oporze, więc wydzielają ciepło. W ten sposób energia mechaniczna ręki jest zamieniana w energię wewnętrzną metalu. Gdy zjawisko wykorzystuje się jako hamulec, dokładnie ten sam bilans odbiera energię poruszającemu się układowi.
Dlaczego przewodnik z nacięciami reaguje słabiej
Jeżeli przerwiemy możliwe drogi dużych pętli prądowych przez wykonanie szczelin, opór efektywnych obwodów rośnie i prądy maleją. Dlatego przecięta aluminiowa płyta może znacznie słabiej hamować magnes niż pełna. Ta zależność od geometrii jest mocnym argumentem, że obserwujemy prądy krążące w objętości metalu, a nie ukrytą odmianę ferromagnetyzmu.
Lekcja o klasyfikacji materiałów
Aluminium jest dobrym przypomnieniem, że „magnetyczność” nie jest jedną liczbą. Materiał ma podatność magnetyczną, przewodnictwo elektryczne, geometrię i odpowiedź zależną od częstotliwości. Dwa materiały, które identycznie nie przyklejają się do magnesu, mogą zachowywać się zupełnie inaczej, gdy pole zaczyna się szybko zmieniać.
Aluminium pokazuje także, dlaczego sortownie mogą rozdzielać metale nieżelazne od reszty odpadów. Szybko obracające się układy magnesów wytwarzają zmienne pole, które indukuje prądy w kawałkach aluminium. Ich pole oddziałuje z magnesami i może nadać metalowi siłę odrzucającą od zwykłego toru spadania. Stal wyciąga się często wcześniej prostym separatorem magnetycznym, a aluminium reaguje dopiero dynamicznie. Dwie różne technologie wykorzystują więc dwa różne aspekty elektromagnetyzmu w jednej linii sortującej.