Вихревые токи можно ли использовать. Токи фуко полезное и вредное действие

Иллюстрация возникновения токов Фуко в движущейся в постоянном магнитном поле проводящей (металлической) пластине C . Вектор магнитной индукции B показан зелеными стрелками, вектор V скорости движения пластин - черными стрелками, силовые линии вектора плотности электрического тока I - красным цветом (эти линии замкнутые, "вихревые").
Источником магнитного поля является постоянный магнит, его фрагмент показан вверху рисунка серым цветом. Вектор магнитной индукции B направлен от северного (N ) полюса магнита, магнитное поле пронизывает пластину. В материале пластины, входящем под магнит, т.е. слева, магнитная индукция изменяется во времени, возрастает (dB n /dt > 0), и в соответствии с законами Фарадея и Ома в материале пластины возникает (наводится, "индуцируется") замкнутый (вихревой) электрический ток . Этот ток течет против часовой стрелки и, по закону Ампера, создает свое собственное магнитное поле, вектор магнитной индукции которого показан синей стрелкой, направленной перпендикулярно плоскости протекания тока, вверх.
Справа, в материале пластины, удаляющемся от магнита, магнитное поле тоже меняется во времени, однако оно ослабевает, и силовые линии возникающего справа еще одного электрического тока направлены по часовой стрелке.
Точно под магнитом "левый" и "правый" вихри токов направлены в одну и ту же сторону, плотность суммарного электрического тока максимальна. На движущиеся в этой области электрические заряды, поток которых образует электрический ток , в сильном магнитном поле действует сила Лоренца, направленная (по правилу левой руки) против вектора скорости V . Эта сила Лоренца тормозит пластину C . Взаимодействие магнитного поля магнита и магнитного поля индуцированных токов приводит к тому, что результирующее распределение потока магнитного поля в окрестности полюса N магнита отличается от случая неподвижной пластины C (и зависит от скорости V ), хотя суммарный поток вектора магнитной индукции остается неизменным (при условии, что материал магнита и пластины C не входит в насыщение).

Вихревые токи , или токи Фуко́ (в честь Ж. Б. Л. Фуко) - вихревой индукционный объёмный электрический ток , возникающий в электрических проводниках при изменении во времени потока действующего на них магнитного поля.

Впервые вихревые токи были обнаружены французским учёным Д. Ф. Араго (1786-1853) в 1824 г. в медном диске, расположенном на оси под вращающейся магнитной стрелкой. За счёт вихревых токов диск приходил во вращение. Это явление, названное явлением Араго, было объяснено несколько лет спустя M. Фарадеем с позиций открытого им закона электромагнитной индукции: вращаемое магнитное поле наводит в медном диске вихревые токи, которые взаимодействуют с магнитной стрелкой. Вихревые токи были подробно исследованы французским физиком Фуко (1819-1868) и названы его именем. Фуко также открыл явление нагревания металлических тел, вращаемых в магнитном поле, вихревыми токами.

Токи Фуко возникают под действием изменяющегося во времени (переменного) магнитного поля и по физической природе ничем не отличаются от индукционных токов, возникающих в проводах и вторичных обмотках электрических трансформаторов .

Поскольку электрическое сопротивление массивного проводника может быть мало, то сила индукционного электрического тока, обусловленного токами Фуко, может достигать чрезвычайно больших значений. В соответствии с правилом Ленца токи Фуко в объеме проводника выбирают такой путь, чтобы в наибольшей мере противодействовать причине, вызывающей их протекание. Поэтому, в частности, движущиеся в сильном магнитном поле хорошие проводники испытывают сильное торможение, обусловленное взаимодействием токов Фуко с внешним магнитным полем. Этот эффект используется для демпфирования подвижных частей гальванометров, сейсмографов и других приборов без использования силы трения, а также в некоторых конструкциях тормозных систем железнодорожных поездов.

Применение [ | ]

Тепловое действие токов Фуко используется в индукционных печах , где в катушку, питаемую высокочастотным генератором большой мощности, помещают проводящее тело, в котором возникают вихревые токи, разогревающие его до плавления. Подобным образом работают индукционные плиты , в которых металлическая посуда разогревается вихревыми токами, создаваемыми переменным магнитным полем катушки, расположенной внутри плиты.

С помощью токов Фуко осуществляется прогрев металлических частей вакуумных установок для их дегазации.

В соответствии с правилом Ленца вихревые токи протекают внутри проводника по таким путям и направлениям, чтобы своим действием возможно сильнее противиться причине, которая их вызывает. Вследствие этого при движении в магнитном поле на хорошие проводники действует тормозящая сила, вызываемая взаимодействием вихревых токов с магнитным полем. Этот эффект используется в ряде приборов для демпфирования колебаний их подвижных частей.

Во многих случаях токи Фуко могут быть нежелательными. Для борьбы с ними принимаются специальные меры: с целью предотвращения потерь энергии на нагревание сердечников трансформаторов , эти сердечники набирают из тонких пластин, разделённых изолирующими прослойками (шихтовка). Появление

Содержание:

В некоторых случаях движение металлических деталей в электрических машинах и устройствах происходит через магнитные поля. В других ситуациях возможны пересечения неподвижных металлических элементов с силовыми линиями магнитного поля, изменяющегося по величине. В результате, внутри металлических деталей происходит индуктирование ЭДС самоиндукции. Под влиянием ЭДС в них образуются вихревые токи Фуко, замыкающиеся в массе и вызывающие образование вихревых токовых контуров.

Физические свойства и определение токов Фуко

К вихревым токам относятся электрические токи, которые возникают , появляющейся в металлической или другой проводящей среде. Эта индукция появляется под воздействием изменяющегося магнитного потока.

В свою очередь вихревые токи способствуют появлению собственных магнитных потоков. В соответствии с , они оказывают противодействие магнитному потоку катушки и делают его слабее. Это приводит к нагреву сердечника и бесполезным тратам электрической энергии.

Данный процесс можно рассмотреть подробнее на примере металлического сердечника. На него помещается катушка, с пропущенным переменным током. Вокруг катушки происходит образование переменного магнитного тока, пересекающего сердечник. Одновременно в нем наводится индуцированная электродвижущая сила, вызывающая, в свою очередь, вихревые токи. Их действие вызывает нагревание сердечника. При незначительном сопротивлении сердечника, наведенные токи могут иметь довольно большое значение и привести к существенному нагреву.

Как уменьшить действие токов Фуко

Действие вихревых токов необходимо снизить, поскольку мощности, бесполезно расходуемые для нагрева сердечника, приводят к снижению КПД электромагнитных устройств. С целью уменьшения этой мощности, в магнитопроводе необходимо увеличить сопротивление. Поэтому для набора сердечников используются отдельные тонкие пластины, толщиной от 0,1 до 0,5 мм. Изоляция пластин между собой осуществляется специальными лаками или окалиной.

Набор магнитопроводов для всей аппаратуры переменного тока и сердечников для устройств постоянного тока также осуществляется из пластин, изолированных между собой. Для их изготовления применяется штампованная листовая электротехническая сталь. Плоскости пластин размещаются параллельно с направлением магнитного потока. Таким образом, сечение сердечника оказывается разделенным, что приводит к ослаблению и уменьшению магнитных потоков. Соответственно, наблюдается снижение ЭДС, индуктируемых этими потоками. Именно они способствуют появлению вихревых токов. Практикуется ввод в материал сердечника специальных добавок, способствующих росту его электрического сопротивления.

В некоторых конструкциях катушек для набора сердечников используется отожженная железная проволока. Расположение железных полосок осуществляется параллельно с линиями магнитного потока. Ограничение вихревых токов, протекающих в перпендикулярных плоскостях с магнитным потоком, выполняется с помощью изолирующих прокладок. Снижение токов Фуко в проводах происходит следующим образом: в состав жгутов входят отдельные жилы, изолированные между собой.

Использование вихревых токов

Несмотря на большое количество отрицательных моментов, токи Фуко нашли свое применение в различных областях. Например, они успешно используются в электрических счетчиках как магнитный тормоз диска.

Токи Фуко применяются во многих технологических операциях, связанных с токами высокой частоты. Без них не обходится изготовление вакуумных устройств и приборов, где требуется тщательная откачка воздуха и газов. Металлическая арматура, помещенная внутрь баллона, содержит остатки газа, удаляющиеся только после заваривания колбы. Полное удаление газов производится высокочастотным генератором, в поле которого помещается прибор.

Токами Фуко (или вихревыми токами) называют токи, имеющие индукционную природу, которые появляются в массивных проводниках в переменном магнитном поле. Замкнутые цепи вихревых токов появляются в глубине самого проводника. Электросопротивление массивного проводника невелико, следовательно, токи Фуко могут достигнуть большого значения. Сила вихревых токов зависит от формы и свойств материала проводника, направления переменного магнитного поля, скорости, с которой изменяется магнитный поток. Распределение токов Фуко в проводнике может быть очень сложным.

Количество тепла, которое выделяется за $1 с$ токами Фуко пропорционально квадрату частоты изменения магнитного поля.

По закону Ленца, токи Фуко выбирают такие направления, чтобы своим воздействовать причину, которая их вызывает. Значит, если проводник движется в магнитном поле, то он должен испытывать сильное торможение, которое вызвано взаимодействием токов Фуко и магнитного поля.

Приведем пример возникновения оков Фуко. Медный диск диаметром $5 см$, толщиной $6 мм$ заставим падать в узком зазоре между полюсами электромагнита. Если магнитное поле отключено, диск быстро падает. Включим электромагнит. Поле должно быть большим (порядка $0,5Тл$). Падение диска станет медленным и будет напоминать движение в очень вязкой среде.

Применение токов Фуко

Токи Фуко играют полезную роль в роторе асинхронного двигателя, который приводится во вращательное движение магнитным полем. Сама реализация принципа работы асинхронного двигателя требует появления токов Фуко.

Токи Фуко используют при демпфировании подвижных частей гальванометров, сейсмографов и ряда других приборов. Так, на подвижную часть прибора устанавливают пластинку - проводник в виде сектора. Она вводится в промежуток между полюсами сильного постоянного магнита. Когда пластинка движется, в ней появляются токи Фуко, это вызывает торможение системы. Причем торможение появляется только тогда, когда пластинка движется. Следовательно, подобного рода успокаивающее устройство не мешает точному приходу системы в состояние равновесия.

Теплоту, которая выделяется токами Фуко, используют в процессах разогрева. Так, плавка металлов с использованием токов Фуко является весьма выгодной в сравнении с другими методами разогрева. Так называемая индукционная печь представляет собой катушку, по которой идет ток высокой частоты и большой силы. Внутрь катушки помещают проводящее тело, в нем появляются вихревые токи большой интенсивности, которые и разогревают вещество до плавления. Так проводят плавление металлов в вакууме, что ведет к получению материалов высокой чистоты.

При использовании токов Фуко проводят прогрев внутренних металлических частей вакуумных установок с целью их обезгаживания.

Проблемы, которые вызывают вихревые токи. Скин - эффект

Токи Фуко могут играть не только полезную роль. Вихревые токи являются токами проводимости, и часть энергии рассеивают на выделение джоулевой теплоты. Такая энергия, например, в роторе асинхронного двигателя, который изготавливается, обычно из ферромагнетиков, нагревает сердечники, тем самым ухудшаются их характеристики. Для борьбы с таким явлением сердечники производят в виде тонких пластин, которые отделяются тонкими слоями изолятора и устанавливают пластины так, чтобы токи Фуко имели направление поперек пластин. При небольшой толщине пластин вихревые токи имеют малую объемную плотность. С появлением ферритов и веществ с большим магнитосопротивлением стало возможным изготовление сердечников сплошными.

Вихревые токи возникают в проводах, в которых текут переменные токи, причем направление токов Фуко таково, что они ослабляют ток внутри провода и усиливают его около поверхности. Следовательно, быстро изменяющийся ток распределен по сечению провода неравномерно. Такое явление называется скин - эффектом (поверхностным эффектом). Из-за этого явления внутренняя часть проводника становится бесполезной и в цепях с большой частотой используют трубки в качестве проводников. Скин - эффект может применяться для разогрева поверхностного слоя металла, что позволяет использовать это явление для закалки металла, причем, изменяя частоту поля, можно проводить закалку на любой необходимой глубине.

Приближенные формулы, которыми можно описать скин-эффект в однородном цилиндрическом проводнике:

Рисунок 1.

где $R_w$ - эффективное сопротивление проводника радиусом $r$ переменному току с циклической частотой $w$. $R_0$ - сопротивление проводника постоянному току.

где эффективная глубина проникновения переменного тока ($\delta $) (расстояние от поверхности проводника, на котором плотность тока уменьшается в $e=2,7\ $раз в сравнении с плотностью на его поверхности) равна:

$\mu $ - относительная магнитная проницаемость, ${\mu }_0$ - магнитная постоянная, $\sigma $ - удельная электропроводность проводника для постоянного тока. Чем толще проводник, тем существеннее скин - эффект, тем меньше величины $w$ и $\sigma $, при которых его следует учесть.

Пример 1

Задание: В опыте с центробежной машиной к ней прикрепили массивный медный диск, привели этот диск во вращение с большой скоростью. Над диском подвесили (без соприкосновения) магнитную стрелку. Что будет происходить со стрелкой, почему?

Решение:

Магнитная стрелка выступает в роли магнита, который создает магнитное поле, в этом поле вращается медный проводник. Следовательно, в проводнике возникают индукционные токи - токи Фуко. По правилу Ленца вихревые токи, взаимодействуя с магнитным полем, стремятся остановить вращение диска или в соответствии с третьим законом Ньютона увлечь за собой магнитную стрелку. Значит, магнитная стрелка, которая висит над диском, будет поворачиваться вслед за ним и закрутит подвес (нить).

Ответ: Магнитная стрелка будет вращаться, причина - вихревые токи.

Пример 2

Задание: Объясните, почему подземный кабель, по которому передается переменный ток нельзя прокладывать вблизи от металлических газовых и водопроводных труб?

Решение:

Под действием переменного тока вокруг кабеля возникает переменное магнитное поле, если в это поле попадает проводник (металлическая труба), то возникнут индукционные вихревые токи. Эти токи вызывают коррозию металлических труб. Кроме того наличие токов в трубах опасно, так как возникает возможность поражения током.

Пример 3

Задание: Маятник, изготовленный из толстой листовой меди, имеет форму усеченного сектора. Он подвешен на стержне и может совершать свободные колебания вокруг горизонтальной оси в магнитном поле между полюсами сильного электромагнита. В отсутствии магнитного поля маятник совершает колебания практически без затухания. Опишите колебания маятника в магнитном поле электромагнита. Как заставить маятник колебаться почти без затухания в присутствии магнитного поля?

Решение:

Если описанный массивный маятник, осуществляющий колебания, поместить в сильное магнитное поле, то в маятнике возникают токи Фуко. Эти токи по правилу Ленца тормозят движения маятника, амплитуда колебаний уменьшается, и сами колебания скоро прекращаются.

Для того чтобы уменьшить вихревые индукционные токи в маятнике, осуществляющем колебания в магнитном поле, можно его сплошной сектор заменить гребенкой с удлинёнными зубцами. Токи Фуко будут уменьшены, и маятник будет совершать колебания практически без затухания.

В 1824 году французский физик Даниэль Араго впервые наблюдал действие вихревых токов на медный диск, расположенный под магнитной стрелкой на одной оси. При вращении стрелки в диске наводились вихревые токи, приводя его в движение. Это явление получило название «эффекта Араго» в честь его первооткрывателя.

Исследования вихревых токов были продолжены французским физиком Жаном Фуко. Он подробно описал их природу и принцип действия, а также наблюдал явление нагрева ферромагнетика, вращаемого в статическом магнитном поле. Токи новой природы были тоже названы в честь исследователя.

Природа вихревых токов

Токи Фуко могут иметь место при воздействии на проводник переменного магнитного поля, либо при перемещении проводника в статическом магнитном поле. Природа вихревых токов аналогична индукционным, которые возникают в линейных проводах при прохождении через них электрического тока. Направление вихревых токов замкнуто по кругу и противоположно вызывающей их силе.

Токи Фуко в хозяйственной деятельности человека

Самый простой пример проявления токов Фуко в обыденной жизни - их воздействие на магнитопровод обмоточного трансформатора. Из-за воздействия наведенных токов появляется низкочастотная вибрация (трансформатор гудит), способствующая сильному нагреву. В этом случае энергия тратится впустую, а КПД установки падает. Для предотвращения значительных потерь сердечники трансформаторов не изготовляют цельными, а набирают из тонких полос электротехнической стали с низкой удельной электропроводностью. Полосы изолированы между собой электротехническим лаком или слоем окалины. Появление ферритовых элементов позволило выполнять малогабаритные магнитопроводы цельными.

Эффект от действия вихревых токов используется повсеместно в промышленности и машиностроении. Поезда на магнитной подвеске используют токи Фуко для торможения, высокоточные приборы имеют систему демпфирования указывающей стрелки, основанной на действии вихревых токов. В металлургии широко распространены индукционные печи, имеющие целый комплекс преимуществ перед аналогичными установками. В индукционной печи нагреваемый металл можно поместить в безвоздушное пространство, добиваясь его полной дегазации. Индукционная плавка черных металлов также получила широкое распространение в металлургии ввиду высокой экономичности установок.

Токи Фуко (в честь Фуко, Жан Бернар Леон) - это вихревые замкнутые электрические токи в массивном проводнике, которые возникают при изменении пронизывающего его магнитного потока. Вихревые токи являются индукционными токами и образуются в проводящем теле либо вследствие изменения во времени магнитного поля, в котором находится тело, либо вследствие движения тела в магнитном поле, приводящего к изменению магнитного потока через тело или какую-либо его часть. Величина токов Фуко тем больше, чем быстрее меняется магнитный поток.

В отличие от электрического тока в проводах, текущего по точно определённым путям, Вихревые токи замыкаются непосредственно в проводящей массе, образуя вихреобразные контуры. Эти контуры тока взаимодействуют с породившим их магнитным потоком. Согласно правилу Ленца, магнитное поле вихревых токов направлено так, чтобы противодействовать изменению магнитного потока, индуцирующего эти вихревые токи.

Если медную пластину отклонить от положения равновесия и отпустить так, чтобы она вошла со скоростью υ в пространство между полосами магнита, то пластина практически остановится в момент ее вхождения в магнитное поле

Замедление движения связано с возбуждением в пластине вихревых токов, препятствующих изменению потока вектора магнитной индукции. Поскольку пластина обладает конечным сопротивлением, токи индукции постепенно затухают и пластина медленно двигается в магнитном поле. Если электромагнит отключить, то медная пластина будет совершать обычные колебания, характерные для маятника.

Вихревые токи приводят к неравномерному распределению магнитного потока по сечению магнитопровода. Это объясняется тем, что в центре сечения магнитопровода намагничивающая сила вихревых токов, направленная навстречу основному потоку, является наибольшей, так как эта часть сечения охватывается наибольшим числом контуров вихревых токов. Такое «вытеснение» потока из середины сечения магнитопровода выражено тем резче, чем выше частота переменного тока и чем больше Магнитная проницаемость ферромагнетика. При высоких частотах поток проходит лишь в тонком поверхностном слое сердечника. Это вызывает уменьшение кажущейся (средней по сечению) магнитной проницаемости. Явление вытеснения из ферромагнетика магнитного потока, изменяющегося с большой частотой, аналогично электрическому Скин-эффекту и называемому магнитным скин-эффектом.

В соответствии с законом Джоуля — Ленца вихревые токи нагревают проводники, в которых они возникли. Поэтому вихревые токи приводят к потерям энергии (потери на вихревые токи) в магнитопроводах (в сердечниках трансформаторов и катушек переменного тока, в магнитных цепях машин).

Для уменьшения потерь энергии на вихревые токи (и вредного нагрева магнитопроводов) и уменьшения эффекта «вытеснения» магнитного потока из ферромагнетиков магнитопроводы машин и аппаратов переменного тока делают не из сплошного куска ферромагнетика (электротехнической стали), а из отдельных пластин, изолированных друг от друга. Такое деление на пластины, расположенные перпендикулярно направлению вихревых токов, ограничивает возможные контуры путей вихревого тока, что сильно уменьшает величину этих токов. При очень высоких частотах применение ферромагнетиков для магнитопроводов нецелесообразно; в этих случаях их делают из магнитодиэлектриков, в которых вихревые токи практически не возникают из-за очень большого сопротивления этих материалов.

При движении проводящего тела в магнитном поле индуцированные вихревые токи обусловливают заметное механическое взаимодействие тела с полем. На этом принципе основано, например, торможение подвижной системы в счётчиках электрической энергии, в которых алюминиевый диск вращается в поле постоянного магнита. В машинах переменного тока с вращающимся полем сплошной металлический ротор увлекается полем из-за возникающих в нём вихревых токов. Взаимодействие вихревого тока с переменным магнитным полем лежит в основе различных типов насосов для перекачки расплавленного металла.

Вихревые токи возникают и в самом проводнике, по которому течёт переменный ток, что приводит к неравномерному распределению тока по сечению проводника. В моменты увеличения тока в проводнике индукционные вихревые токи направлены у поверхности проводника по первичному электрическому току, а у оси проводника - навстречу току. В результате внутри проводника ток уменьшится, а у поверхности увеличится. Токи высокой частоты практически текут в тонком слое у поверхности проводника, внутри же проводника тока нет. Это явление называется электрическим скин-эффектом. Чтобы уменьшить потери энергии на вихревые токи, провода большого сечения для переменного тока делают из отдельных жил, изолированных друг от друга.

Вихревые токи применяются для пайки, плавки и поверхностной закалки металлов, а их силовое действие используется в успокоителях колебаний подвижных частей приборов и аппаратов, в индукционных тормозах (в которых массивный металлический диск вращается в поле электромагнитов) и т. п.

Применение токов Фуко

Полезное применение вихревые токи нашли в устройстве магнитного тормоза диска электрического счетчика. Вращаясь, диск пересекает магнитные силовые линии постоянного магнита. В плоскости диска возникают вихревые токи, которые, в свою очередь, создают свои магнитные потоки в виде трубочек вокруг вихревого тока. Взаимодействуя с основным полем магнита, эти потоки тормозят диск.

В ряде случаев, применяя вихревые токи, можно использовать технологические операции, которые невозможно применить без токов высокой частоты. Например, при изготовления вакуумных приборов и устройств из баллона необходимо тщательно откачать воздух и иные газы. Однако в металлической арматуре, находящейся внутри баллона, имеются остатки газа, которые можно удалить только после заваривания баллона. Для полного обезгаживания арматуры вакуумный прибор помещают в поле высокочастотного генератора, в результате действия вихревых токов арматура нагревается до сотен градусов, остатки газа при этом нейтрализуются.

Вихревые токи находят полезное применение также при индукционной плавке металлов и поверхностной закалке токами высокой частоты.