Lenz lag gånger två – från köksrulle till simulering
Vad händer om du släpper en magnet genom ett metallrör? Vi kunde inte låta bli att testa – både i verkligheten och digitalt. Många av er har säkert sett experiment som demonstrerar Lenz lag.
Den säger att:
Den ström som induceras i en krets på grund av en förändring i ett magnetfält är riktad för att motverka förändringen i flödet och utöva en mekanisk kraft som motverkar rörelsen.
Ett sätt att visa detta i praktiken är att just släppa en magnet genom ett metallrör. Vi lyckades rota fram en magnet från en hyllhållare, och en oöppnad rulle aluminiumfolie fick agera metallrör. Resultatet ser ni nedan – till vänster släpps magneten genom röret, till höger bredvid det. Effekten är slående, och experimentet kan helt klart räknas som en succé!
Den digitala tvillingen
Säg den glädje som varar. När vi precis hade jublat färdigt kom någon förbi och påminde oss om att det här är en arbetsplats, ingen j**la lekstuga, och att det faktiskt är mjukvara som är vårt gebit.
Väl rutet! Mot datorn! Nu faller det sig så lyckligt att det inom Simulia-familjen finns en plattformsroll som heter Electromagnetics Engineer där man får tillgång till CST Studio Suite.
Vi börjar vår resa i SOLIDWORKS där en rudimentär modell snabbt ritas upp.
Att lyfta över SOLIDWORKS-modellen till CST Studio Suite är en enkel match. Markera sammanställningen ute i 3DExperience-addinet och tryck på kompassen. Leta sen upp och starta CST Studio Suite Connected.
Med programmet igång och modellen på plats återstår uppsättningen av problemet. Vi börjar med vilken typ av beräkning vi vill göra. I CST Studio Suite finns ett tjugotal olika lösare. I vårt fall väljer vi Low Frequency-lösaren.
Då vi vill att magneten ska falla genom röret vill vi göra vår beräkningen i tidsdomänen – inte frekvensdomänen.
Våra geometrier behöver material. För papprullen och aluminiumfolien kan vi välja lämpliga material i den inkluderade materialdatabasen.
Vill vi kan vi naturligtvis också skapa egna material.
Vår magnet behöver magnetiseras vilket är blott ett knapptryck bort. Då jag inte lyckats mäta styrkan på den magnet vi använde i det fysiska experimentet fick jag här unna mig en chansning.
För att magneten ska kunna falla behöver vi dels definiera en Motion-volym där stelkroppsdynamik råder. Dessutom behöver vi introducera gravitation för att magneten faktiskt ska falla.
När beräkningen är klar kommer vi vilja visualisera resultaten på ett tilltalande sätt. Därför definieras två 3D Field Monitors. En för magnetfältet och en för den inducerade strömmen.
Sist men inte minst måste modellen meshas. Då vi har att göra med en synnerligen rotationssymetrisk modell kan vi använda en 2D-förenkling för att snabba upp beräkningen.
Kvarstår gör att sätta igång beräkningen. Då detta är en transient beräkning, d v s vi följer hur resultaten utvecklas över tid, så behöver vi berätta hur länge vi vill räkna.
Och beräkningen är igång. Då vi, som nämnts, bara räknar på ett 2D-snitt går beräkningen fort och är klar på mindre än en minut.
Med beräkningen färdig är vi redo att titta på resultaten. Detta kan, som i de flesta beräkningsprogram, visas på en mängd olika sätt. Ett sätt är att plotta grafer, som den här under, som visar magnetens position som funktion av tiden.
Ett annat sätt är via en 3D-plott som den nedan som är en animering som visar hur magneten bromsas p g a den inducerade strömmen i aluminiumfolien och därför förhindrar den acceleration vi vanligen ser vid fritt fall.
Med problemet uppsatt är vi redo att börja experimentera. Vad händer om vi använder koppar i röret istället för aluminium? Hur mycket påverkar pappröret? Vad händer som vi tar en starkare magnet. Frågorna är många, och svaren väntar runt hörnet. Men det får bli i en annan blog! Tack för mig och väl mött nästa gång!
