Токи фуко и их польза

Природа вихревых токов

Вихревые токи имеют ту же природу, что и ток во вторичной обмотке трансформатора — все это индукционный ток.
Они обусловлены явлением ЭИ, открытым М. Фарадеем: при изменении магнитного потока, пересекающего проводник, в последнем возникает электродвижущая сила (ЭДС).

Если этот проводник — катушка из провода (обмотка трансформатора или электрогенератора), то ток течет по ее виткам.

Вред от вихревых токов

Если вы рассматривали конструкцию сетевого трансформатора 50 Гц, наверняка обратили внимание, что его сердечник набран из тонких листов, хотя может показаться что проще было сделать цельную литую конструкцию.

Дело в том, что так борются с вихревыми токами. Фуко установил нагрев тел, в которых они протекают. Так как работа трансформатора и основана на принципах взаимодействия переменных магнитных полей, то вихревые токи неизбежны.

Любой нагрев тел – это выделение энергии в виде тепла. В таком случае будут возникать потери в сердечнике. Чем это опасно? В электроустановке сильный нагрев приводит к разрушению изоляции обмоток и выходу из строя машины. Вихревые токи зависят от магнитных свойств сердечника.

Что такое токи Фуко?

В массивном теле, например, сердечнике (магнитопроводе) или корпусе агрегата, возникает объемный ток в виде движения заряженных частиц по круговым (вихреобразным) траекториям. Это называют вихревыми токами.

Изменение пересекающего проводник магнитного потока наблюдается в двух случаях:

1. проводник и поле постоянного магнита двигаются друг относительно друга. Пример: сердечник ротора электрогенератора, в котором статор является магнитом (во многих видах магнит — ротор);
2. относительное движение отсутствует, но меняются параметры магнитного поля. Для реализации такого варианта применяется электромагнит (смотанный в катушку провод), по которому пропускается переменный ток. Так же как и ток, поле будет периодически менять направленность силовых линий и интенсивность магнитного потока (в противофазе с током). Пример: магнитопровод трансформатора.

Это явление называют «токами Фуко» — в честь ученого Ж. Б. Л. Фуко, проведшего большую работу по их изучению. Первым же обнаружил данное явление французский ученый Д. Ф. Араго, проводивший в 1824-м году опыт с медным диском и вращающейся над ним магнитной стрелкой. Диск тоже начинал совершать аналогичные действия. Этот эффект стали называть в научных кругах «явлением Араго».

Магнитное поле токов Фуко

Исследователь не смог правильно объяснить механизм вращения, это сделал несколькими годами позже М. Фарадей, открыв ЭИ:

1. плоский круглый предмет помещается в крутящееся магнитное поле;
2. его воздействие на деталь выражается в наведении в ней вихревых токов;
3. токи Фуко, в свою очередь, вступают во взаимодействие с магнитным полем;
4. диск начинает крутиться.

Сила вихревых токов напрямую зависит от скорости изменения магнитного потока.

История открытия вихревых токов

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 токопроводящего ферромагнетика, вращаемого в статическом магнитном поле. Токи новой природы были тоже названы в честь исследователя.

Значение

Чем быстрее движется проводящее тело в поле, тем сильнее будут токи Фуко. Частота переменного тока и его амплитуда при возрастании тоже способствуют их увеличению.
При воздействии на проводящее тело электромагнитом с переменным током, вихревые токи возрастают с увеличением частоты тока и его амплитуды. Направление вращения «вихря» определяется аналогичным параметром магнитного потока. Если последний возрастает, то есть скорость его изменения положительна (dФ / dt > 0), вихревые токи вращаются по часовой стрелке.

При убывании магнитного потока (dФ / dt < 0) направление вращения меняется на противоположное. «Вихрь» зарядов в теле выбирает такую плоскость вращения, чтобы оказывать максимальное сопротивление вызывающей их силе (правило Ленца). Эта плоскость составляет прямой угол с силовыми линиями индуцирующего поля.

При этом вихревые токи сами генерируют магнитное поле, направленное против вызывающего их внешнего (индуцирующего) магнитного поля. В этом и состоит механизм взаимодействия токов Фуко с индуктором, заставившее вращаться диск в опыте Араго.

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.

Потери на вихревые токи

С целью поспособствовать распространению электромагнитного поля, обмотки трансформаторов и электрических машин наматывают на сердечник (магнитопровод). Это объясняется более высоким коэффициентом магнитопроницаемости металлов в сравнении с воздухом.

К примеру, у стали этот параметр в 100 раз превышает воздушный. В сердечнике также возникают вихревые токи и здесь они нежелательны, поскольку потребляют энергию и приводят к снижению КПД устройства.

Применяют следующие способы минимизации потерь на вихревые токи:

1. шихтовка. Сердечник собирают из тонких пластин (0,1 – 0,5 мм), электрически изолированных друг от друга лаком, окалиной или иным диэлектриком. Плоскость пластины направлена вдоль силовых линий поля. Поэтому для токов Фуко, стремящихся двигаться в перпендикулярной этим линиям плоскости, такой сердечник имеет большое сопротивление. Аналогичными свойствами обладает стержень, собранный из изолированных друг от друга отрезков отожженной проволоки. Но они должны располагаться параллельно направлению магнитного потока (силовым линиям). Таким же способом ослабляются токи Фуко в проводах — их набирают из множества переплетенных изолированных жил (литцендрат). Заодно данный прием нейтрализует скин-эффект;
2. изготовление сердечников из ферритов — магнитомягкое железо, получаемое путем спекания порошка. Структурно и по свойствам напоминает графит (такое же хрупкое). Имеет низкое электрическое сопротивление, но высокий коэффициент магнитопроницаемости (магнитодиэлектрик). Сердечник из феррита в шихтовке не нуждается — его делают цельным;
3. введение в материал сердечника добавок, повышающих электрическое сопротивление. Так, в сталь добавляют кремний.

Практическое применение вихревых токов

Вихревые токи полезны в промышленности для рассеивания нежелательной энергии, например у поворотного кронштейна механического баланса, особенно если сила тока очень высокая. Магнит в конце опоры настраивает вихревые токи в металлической пластине, прикрепленной к концу кронштейна, скажем, ansys.

Схема: вихревые токи

Вихревые потоки, как учит физика, могут быть также использованы в качестве эффективного тормозного усилия в двигателях транзитного поезда. Электромагнитные приспособления и механизмы на поезде около рельсов специально настроены для создания вихревых токов. Благодаря движению тока, получается плавный спуск системы и поезд останавливается.

Закрученные токи вредны в измерительных трансформаторах и для человека. Металлический сердечник используется в трансформаторе, чтобы увеличить поток. К сожалению, вихревые токи, полученные в якоре или сердечнике, могут увеличить потери энергии. Построив металлическую сердцевину чередующихся слоев из проводящих и не проводящих энергию, материалов, размер индуцированных петель уменьшается, таким образом, уменьшая потери энергии. Шум, который производит трансформатор при работе, является следствием именно такого конструктивного решения.

Видео: вихревые токи Фуко

Еще один интересный использования вихревой волны – применение их в электросчетчиках или медицине. В нижней части каждого счетчика расположен тонкий алюминиевый диск, который всегда вращается. Это диск движется в магнитном поле, так что там всегда есть вихревых токи, цель которых замедлить движения диска. Благодаря этому датчик работает точно и без перепадов.

Закон электромагнитной индукции. Вихревое электрическое поле. Вихревые токи

Подробности Электрический ток в цепи возможен, если на свободные заряды проводника действуют сторонние силы. Работа этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутого контура называется ЭДС. При изменении магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, в контуре появляются сторонние силы, действие которых характеризуется ЭДС индукции.
Учитывая направление индукционного тока, согласно правилу Ленца:

ЭДС индукции в замкнутом контуре равна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, взятой с противоположным знаком.

Почему? — т.к. индукционный ток противодействует изменению магнитного потока, ЭДС индукции и скорость изменения магнитного потока имеют разные знаки.

Если рассматривать не единичный контур, а катушку, где N- число витков в катушке:

Величину индукционного тока можно рассчитать по закону Ома для замкнутой цепи

где R — сопротивление проводника.

ВИХРЕВОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ

Причина возникновения электрического тока в неподвижном проводнике — электрическое поле. Всякое изменение магнитного поля порождает индукционное электрическое поле независимо от наличия или отсутствия замкнутого контура, при этом если проводник разомкнут, то на его концах возникает разность потенциалов; если проводник замкнут, то в нем наблюдается индукционный ток.

Индукционное электрическое поле является вихревым. Направление силовых линий вихревого электрического поля совпадает с направлением индукционного тока Индукционное электрическое поле имеет совершенно другие свойства в отличии от электростатического поля.

Электростатическое поле — создается неподвижными электрическими зарядами, силовые линии поля разомкнуты — -потенциальное поле, источниками поля являются электрические заряды, работа сил поля по перемещению пробного заряда по замкнутому пути равна 0

Индукционное электрическое поле ( вихревое электр. поле ) — вызывается изменениями магнитного поля, силовые линии замкнуты (вихревое поле), источники поля указать нельзя, работа сил поля по перемещению пробного заряда по замкнутому пути равна ЭДС индукции.

Вихревые токи

Индукционные токи в массивных проводниках называют токами Фуко. Токи Фуко могут достигать очень больших значений, т.к. сопротивление массивных проводников мало. Поэтому сердечники трансформаторов делают из изолированных пластин. В ферритах — магнитных изоляторах вихревые токи практически не возникают.

Использование вихревых токов

— нагрев и плавка металлов в вакууме, демпферы в электроизмерительных приборах.

Вредное действие вихревых токов

— это потери энергии в сердечниках трансформаторов и генераторов из-за выделения большого количества тепла.

Следующая страница «ЭДС индукции в движущихся проводниках»

Назад в раздел «10-11 класс»

Электромагнитное поле — Класс!ная физика

Взаимодействие токов. Магнитное поле. Вектор магнитной индукции. Сила Ампера — Действие магнитного поля на движущийся заряд.Магнитные свойства вещества — Явление электромагнитной индукции. Магнитный поток. Направление индукционного тока. Правило Ленца — ЭДС электромагнитной индукции. Вихревое электрическое поле — ЭДС индукции в движущихся проводниках — Самоиндукция. Индуктивность. Энергия магнитного поля. Вопросы к пр/работе

( 2 оценки, среднее 5 из 5 )

Определение 1

Токами Фуко или же вихревыми токами называют обладающие индукционной природой токи, которые возникают в массивных проводниках, находящихся в переменном магнитном поле.

Замкнутые цепи вихревых токов зарождаются в глубине самого проводника. Значение электросопротивления массивного проводника представляет из себя довольно малую величину, соответственно, токи Фуко могут приобретать большие значения. Форма и свойства материала проводника, направление переменного магнитного поля и скорость изменения магнитного потока являются величинами, от которых зависит сила вихревых токов. Распределение токов Фуко в проводнике может быть крайне сложным. Количество тепла, которое излучается за 1с токами Фуко пропорционально квадрату частоты изменения магнитного поля. Исходя из закона Ленца, можно заявить, что токи Фуко протекают по таким направлениям, чтобы своим воздействием устранить вызывающую их причину. Таким образом, если проводник находится в движении в области магнитного поля, то он должен быть подвержен вызванному взаимодействием токов Фуко и магнитного поля сильному торможению.

Пример 1

Рассмотрим в качестве примера ситуацию с возникновением оков Фуко. Медный диск диаметром 5 см и толщиной 6мм падает в узком зазоре между полюсами электромагнита. Если электромагнит отключен, диск с высокой скоростью падает. Включим электромагнит. Поле должно быть довольно большим, около Т0,5 Тл. Падение диска замедлится и будет похоже на движение в крайне вязкой среде.

Использование токов Фуко

Токи Фуко занимают важное место в процессе работы приводящегося в движение вращательного типа магнитным полем ротора асинхронного двигателя. Без них функционирование двигателя попросту будет невозможным. Токи Фуко применяют при демпфировании подвижных частей гальванометров, сейсмографов и целого списка иных устройств. Так, на подвижную часть прибора устанавливается пластинка – проводник в виде сектора. Ее вводят в промежуток между полюсами сильного постоянного магнита. При движении пластинки, в ней возникают токи Фуко, что провоцирует торможение системы. Стоит учитывать, что торможение проявляется только в случае движения секторообразного проводника. Соответственно, успокаивающий прибор такого рода не препятствует точному достижению системы состояния равновесия.

Теплота, излучающаяся токами Фуко, применяется в процессах нагрева. Таким образом, плавка металлов, в которой используются токи Фуко, является более выгодной, чем плавка при помощи иных методов разогрева. Индукционная печь, использующая такой метод, представляет собой катушку, по которой протекает ток высокой частоты и большой силы. Внутри катушки распологают проводящее тело, в котором возникают разогревающие вещество до состояния плавления вихревые токи большой интенсивности. Так происходит плавление металлов в условиях вакуума, позволяющее получать материалы высокой чистоты. При применении токов Фуко с целью обезгаживания производят прогрев внутренних металлических элементов вакуумных конструкций.

Проблемы, которые вызывают вихревые токи. Скин – эффект

Токи Фуко не всегда представляют собой полезное явление.

Определение 2

Вихревые токи – это токи проводимости, из-за чего они рассеивают часть энергии в виде джоулевой теплоты.

Такая энергия, к примеру, в роторе асинхронного двигателя, обычно изготавливаемого из ферромагнетиков, разогревает сердечники, чем ухудшает их характеристики. Чтобы избежать данного явления, сердечники производят в виде тонких пластин, которые отделяются тонкими слоями изолятора. Пластины устанавливают таким образом, чтобы токи Фуко были направлены поперек них. В случае малой толщины пластин вихревые токи обладают небольшой объемной плотностью. С появлением ферритов и веществ с большим магнитосопротивлением появилась возможность изготавливать сердечники сплошными.

Определение 3

Вихревые токи наводятся в проводниках, в которых протекают переменные токи. Причем токи Фуко всегда направлены таким образом, что ослабляют ток внутри провода и усиливают его около поверхности. Соответственно, изменяющийся с высокой частотой ток распределен по сечению провода неравномерно. Данное явление называется скин – эффектом (поверхностным эффектом).

По причине такого явления внутренняя часть проводника становится бесполезной и в цепях с большой частотой в качестве проводников применяют трубки. Скин – эффект может быть использован для разогрева поверхностного слоя металла, что позволяет применять данное явление в процессе закалки металла. Также стоит отметить, что, изменяя частоту поля, можно производить закалку на любой необходимой глубине.

Определение 4

Где эффективная глубина проникновения переменного тока (δ) (расстояние от поверхности проводника, на котором плотность тока ослабевает в e=2,7 раз в сравнении с плотностью на его поверхности) равна:

μ – относительная магнитная проницаемость, μ0 – магнитная постоянная, σ – удельная электропроводность проводника для постоянного тока. Чем толще проводник, тем существеннее
скин – эффект, тем меньше величины w и σ, при которых его следует учесть.

Примеры решения задач

Пример 2

Пример 3

Пример 4