Кейс: медный цилиндр опускают на катушку с изменяющимся магнитным потоком и наблюдают торможение — как количественно связать силу торможения с параметрами катушки, проводимости и скорости изменения потока
Кратко — через индуцированные вихревые токи. Ниже даю вывод при разумных приближениях (тонкая стенка, поле осевое и почти однородное по радиусу, квазистатическое, толщина стенки ttt мала по сравнению с глубиной скин-слоя). Обозначения: r\;rr — радиус цилиндра, h\;hh — высота, t\;tt — толщина стенки, σ\;\sigmaσ — проводимость меди, v\;vv — скорость относительно катушки (по оси zzz), B(z,t)\;B(z,t)B(z,t) — осевая компонента поля в плоскости сечений цилиндра, ρ=1/σ\;\rho=1/\sigmaρ=1/σ. 1) Индукция и сопротивление одного «кольца» высоты dzdzdz: Φ(z,t)=πr2B(z,t),E(z)=−dΦdt=−πr2(∂tB+v∂zB),
\Phi(z,t)=\pi r^{2}B(z,t),\qquad \mathcal{E}(z)=-\frac{d\Phi}{dt}=-\pi r^{2}\bigl(\partial_{t}B+v\partial_{z}B\bigr), Φ(z,t)=πr2B(z,t),E(z)=−dtdΦ=−πr2(∂tB+v∂zB),dR=ρ⋅2πrt dz.
dR=\frac{\rho\cdot 2\pi r}{t\,dz}. dR=tdzρ⋅2πr. 2) Мощность, рассеиваемая вихревыми токами (интегрируя по высоте цилиндра от z0z_{0}z0 до z0+hz_{0}+hz0+h): P=∫z0z0+hE2dR=πr3t2ρ∫z0z0+h(∂tB+v∂zB)2dz.
P=\int_{z_{0}}^{z_{0}+h}\frac{\mathcal{E}^{2}}{dR}= \frac{\pi r^{3}t}{2\rho}\int_{z_{0}}^{z_{0}+h}\bigl(\partial_{t}B+v\partial_{z}B\bigr)^{2}dz. P=∫z0z0+hdRE2=2ρπr3t∫z0z0+h(∂tB+v∂zB)2dz. 3) Соотношение сила — мощность (механическая мощность, взятая у движения): Pмех=FvP_{\text{мех}}=F vPмех=Fv. Из разложения квадрата получаем полезное выражение для силы (направление — против скорости): F=πr3t2ρ[ 2∫z0z0+h(∂tB)(∂zB) dz+v∫z0z0+h(∂zB)2dz].
F=\frac{\pi r^{3}t}{2\rho}\left[\,2\int_{z_{0}}^{z_{0}+h}(\partial_{t}B)(\partial_{z}B)\,dz +v\int_{z_{0}}^{z_{0}+h}(\partial_{z}B)^{2}dz\right]. F=2ρπr3t[2∫z0z0+h(∂tB)(∂zB)dz+v∫z0z0+h(∂zB)2dz].
Заменив ρ=1/σ\rho=1/\sigmaρ=1/σ, F=πr3tσ2[ 2∫z0z0+h(∂tB)(∂zB) dz+v∫z0z0+h(∂zB)2dz],
\boxed{\,F=\frac{\pi r^{3}t\sigma}{2}\left[\,2\int_{z_{0}}^{z_{0}+h}(\partial_{t}B)(\partial_{z}B)\,dz +v\int_{z_{0}}^{z_{0}+h}(\partial_{z}B)^{2}dz\right],\ } F=2πr3tσ[2∫z0z0+h(∂tB)(∂zB)dz+v∫z0z0+h(∂zB)2dz],
и знак силы такой, что она противоположна вектору скорости vvv. 4) Два частных предела (упрощённо полезны для практики): - Катушка стационарна (∂tB=0\partial_{t}B=0∂tB=0), только движение даёт торможение: F=πr3tσ2 v ∫z0z0+h(∂zB)2dz.
\boxed{\,F=\frac{\pi r^{3}t\sigma}{2}\;v\;\int_{z_{0}}^{z_{0}+h}(\partial_{z}B)^{2}dz.} F=2πr3tσv∫z0z0+h(∂zB)2dz.
(в этом случае F∝vF\propto vF∝v при малых скоростях). - Поле меняется во времени, а скорость мала (линейный по vvv вклад доминирует): F≈πr3tσ ∫z0z0+h(∂tB)(∂zB) dz.
\boxed{\,F\approx\pi r^{3}t\sigma\;\int_{z_{0}}^{z_{0}+h}(\partial_{t}B)(\partial_{z}B)\,dz.} F≈πr3tσ∫z0z0+h(∂tB)(∂zB)dz.
(знак такой, что сила тормозит движение; чисто (∂tB)2(\partial_{t}B)^{2}(∂tB)2-термин не связан с потерей кинетической энергии — это электрическая рассеиваемая мощность, поставляемая катушкой). 5) Подстановка поля катушки. Для длинной соленоидальной частицы B≈μ0nI(t)B\approx\mu_{0}nI(t)B≈μ0nI(t), тогда ∂tB=μ0nI˙\partial_{t}B=\mu_{0}n\dot I∂tB=μ0nI˙, ∂zB\partial_{z}B∂zB берётся из геометрии концов катушки; подставляя их в формулы получаете связь силы с параметрами катушки (число витков на единицу длины nnn) и I˙\dot II˙. 6) Ограничения применимости: - тонкая стенка (ток концентрируется по окружности); если ttt сравнимо с глубиной скина, требуется решение с учётом распределения по толщине; - поле примерно однородно по радиусу сечения; при сложном распределении по радиусу нужно учитывать полевую зависимость; - квази-статический режим (низкие частоты), без учёта индуктивности кольца и сильных эффектов скина. Если нужно, могу подставить для конкретной геометрии катушки (соленоид с конечной длиной, или другой профиль B(z)B(z)B(z)) и вывести более явную числовую формулу.
Обозначения:
r\;rr — радиус цилиндра, h\;hh — высота, t\;tt — толщина стенки, σ\;\sigmaσ — проводимость меди, v\;vv — скорость относительно катушки (по оси zzz), B(z,t)\;B(z,t)B(z,t) — осевая компонента поля в плоскости сечений цилиндра, ρ=1/σ\;\rho=1/\sigmaρ=1/σ.
1) Индукция и сопротивление одного «кольца» высоты dzdzdz:
Φ(z,t)=πr2B(z,t),E(z)=−dΦdt=−πr2(∂tB+v∂zB), \Phi(z,t)=\pi r^{2}B(z,t),\qquad
\mathcal{E}(z)=-\frac{d\Phi}{dt}=-\pi r^{2}\bigl(\partial_{t}B+v\partial_{z}B\bigr),
Φ(z,t)=πr2B(z,t),E(z)=−dtdΦ =−πr2(∂t B+v∂z B), dR=ρ⋅2πrt dz. dR=\frac{\rho\cdot 2\pi r}{t\,dz}.
dR=tdzρ⋅2πr .
2) Мощность, рассеиваемая вихревыми токами (интегрируя по высоте цилиндра от z0z_{0}z0 до z0+hz_{0}+hz0 +h):
P=∫z0z0+hE2dR=πr3t2ρ∫z0z0+h(∂tB+v∂zB)2dz. P=\int_{z_{0}}^{z_{0}+h}\frac{\mathcal{E}^{2}}{dR}=
\frac{\pi r^{3}t}{2\rho}\int_{z_{0}}^{z_{0}+h}\bigl(\partial_{t}B+v\partial_{z}B\bigr)^{2}dz.
P=∫z0 z0 +h dRE2 =2ρπr3t ∫z0 z0 +h (∂t B+v∂z B)2dz.
3) Соотношение сила — мощность (механическая мощность, взятая у движения): Pмех=FvP_{\text{мех}}=F vPмех =Fv. Из разложения квадрата получаем полезное выражение для силы (направление — против скорости):
F=πr3t2ρ[ 2∫z0z0+h(∂tB)(∂zB) dz+v∫z0z0+h(∂zB)2dz]. F=\frac{\pi r^{3}t}{2\rho}\left[\,2\int_{z_{0}}^{z_{0}+h}(\partial_{t}B)(\partial_{z}B)\,dz
+v\int_{z_{0}}^{z_{0}+h}(\partial_{z}B)^{2}dz\right].
F=2ρπr3t [2∫z0 z0 +h (∂t B)(∂z B)dz+v∫z0 z0 +h (∂z B)2dz]. Заменив ρ=1/σ\rho=1/\sigmaρ=1/σ,
F=πr3tσ2[ 2∫z0z0+h(∂tB)(∂zB) dz+v∫z0z0+h(∂zB)2dz], \boxed{\,F=\frac{\pi r^{3}t\sigma}{2}\left[\,2\int_{z_{0}}^{z_{0}+h}(\partial_{t}B)(\partial_{z}B)\,dz
+v\int_{z_{0}}^{z_{0}+h}(\partial_{z}B)^{2}dz\right],\ }
F=2πr3tσ [2∫z0 z0 +h (∂t B)(∂z B)dz+v∫z0 z0 +h (∂z B)2dz], и знак силы такой, что она противоположна вектору скорости vvv.
4) Два частных предела (упрощённо полезны для практики):
- Катушка стационарна (∂tB=0\partial_{t}B=0∂t B=0), только движение даёт торможение:
F=πr3tσ2 v ∫z0z0+h(∂zB)2dz. \boxed{\,F=\frac{\pi r^{3}t\sigma}{2}\;v\;\int_{z_{0}}^{z_{0}+h}(\partial_{z}B)^{2}dz.}
F=2πr3tσ v∫z0 z0 +h (∂z B)2dz. (в этом случае F∝vF\propto vF∝v при малых скоростях).
- Поле меняется во времени, а скорость мала (линейный по vvv вклад доминирует):
F≈πr3tσ ∫z0z0+h(∂tB)(∂zB) dz. \boxed{\,F\approx\pi r^{3}t\sigma\;\int_{z_{0}}^{z_{0}+h}(\partial_{t}B)(\partial_{z}B)\,dz.}
F≈πr3tσ∫z0 z0 +h (∂t B)(∂z B)dz. (знак такой, что сила тормозит движение; чисто (∂tB)2(\partial_{t}B)^{2}(∂t B)2-термин не связан с потерей кинетической энергии — это электрическая рассеиваемая мощность, поставляемая катушкой).
5) Подстановка поля катушки. Для длинной соленоидальной частицы B≈μ0nI(t)B\approx\mu_{0}nI(t)B≈μ0 nI(t), тогда ∂tB=μ0nI˙\partial_{t}B=\mu_{0}n\dot I∂t B=μ0 nI˙, ∂zB\partial_{z}B∂z B берётся из геометрии концов катушки; подставляя их в формулы получаете связь силы с параметрами катушки (число витков на единицу длины nnn) и I˙\dot II˙.
6) Ограничения применимости:
- тонкая стенка (ток концентрируется по окружности); если ttt сравнимо с глубиной скина, требуется решение с учётом распределения по толщине;
- поле примерно однородно по радиусу сечения; при сложном распределении по радиусу нужно учитывать полевую зависимость;
- квази-статический режим (низкие частоты), без учёта индуктивности кольца и сильных эффектов скина.
Если нужно, могу подставить для конкретной геометрии катушки (соленоид с конечной длиной, или другой профиль B(z)B(z)B(z)) и вывести более явную числовую формулу.