Токи фуко: их применение, определение в трансформаторе

Открытие вихревых токов

Вихревые электрические токи были открыты французским ученым Араго Д.Ф. Ученый экспериментировал с медным диском и стрелкой, которая была намагничена.

Она крутилась вокруг диска, в какой-то момент времени он начал повторять движения стрелки. Тогдашние ученые объяснение явлению не нашли – это странное движение назвали «явление Араго». Загадка ждала своего времени.

Через несколько лет вопросом заинтересовался Максвелл Фарадей, на тот момент, открывший свой знаменитый закон электромагнитной индукции.

Согласно закону, М. Фарадей выдвинул предположение, что движимое магнитное поле имеет влияние на атомную металлическую решетку медного проводника.

Электрический ток, возникший в результате направленного движения электронов, всегда создает магнитное поле по всему периметру проводника. Детально описал вихревые токи, опираясь на работы Араго и Фарадея – физик-экспериментатор Фуко, откуда они и получили свое второе название.

Какова природа вихревых токов?

Замкнутые циклические токи способны возникать в проводниках, в тех случаях, когда магнитное поле вокруг этих проводников не стабильно, то есть постоянно меняющееся во времени или динамично вращающееся.

Таким образом, сила вихревого тока прямо зависит от скорости изменения магнитного потока, пронзающего проводник. Известно, что электроны в проводнике двигаются линейно вследствие разницы потенциалов, таким образом электрический ток прямо направлен.

Токи Фуко проявляют себя иначе и замыкаются прямо в теле проводника, образуя вихреобразные цикличные контуры. Они способны взаимодействовать с магнитным полем, вследствие действия которого они и возникли. (рис 1)

Вихревые токи в проводнике

На рисунке можно хорошо рассмотреть, как интересующие нас токи увеличиваются при повышении уровня индукции (показаны пунктирными направляющими) в середине катушки, которая подключена к переменному току.

Исследуя вихревые токи Фуко русский ученый Ленц сделал вывод, что собственное магнитное поле этих токов не дает магнитному потоку, причиной коих они и являются, изменится. Характер направления силовых линий вихревого электрического тока совпадает с вектором направления индукционного тока.

Значение и применение

В момент движения тела в создаваемых магнитных полях токи Фуко являются причиной физического замедления тела в этих полях. Эта способность давно реализована в конструкции бытового электросчетчика. Суть заключается в том, что замедляется алюминиевый диск, вращающийся под действием магнита. (рис2)

Рисунок изображает диск счетчика электрической энергии, где сплошной стрелкой указано направление вращения самого диска, а пунктирными – вихревые потоки

Эти же взаимодействия помогли реализовать идею создания насоса для перекачки расплавленных металлов. Токи Фуко провоцируют возникновение скин — эффекта. В результате их действия КПД проводника уменьшается, поскольку посредине сечения проводника ток фактические отсутствует, а преобладает на его периферии.

Для уменьшения потерь электроэнергии, особенно при передаче на длительные дистанции, используют многоканальный кабель, каждая жила в котором имеет свою изоляцию. Вихревые токи, а именно индукционные печи, сконструированные на их основе, нашли широкое применение в металлургии.

Их использую для плавки металлов, их перекачивания и закалки поверхности. А также свойства вихревых токов используются для замедления и остановки металлического диска в индукционных тормозах. В современных вычислительных приборах и аппаратах токи Фуко способствуют замедлению движущихся частиц.

Открытие вихревых токов

По историческим данным, впервые это явление обнаружил в начале 19 века французский исследователь Д. Араго. Специалистам известен его наглядный опыт. Вращение намагниченной стрелкой приводит в движение тонкий диск из меди, расположенный на небольшом расстоянии сверху. Природу явления раскрыл М. Фарадей, объяснивший представленный простой пример перемещения взаимодействием поля и образованных в проводнике токов. Они получили специфическое название по фамилии ученого. Фуко обнаружил нагрев тел при достаточно сильном энергетическом потенциале источника переменного тока.

Принципы вихревых токов

Для детального изучения процессов можно рассмотреть действие полей при подключении к источнику типовой катушки индукции. Переменный ток в проводнике образует силовые линии поля. Напряженность создает разницу потенциалов в соседних петлях. Движение электронов формирует вихревые токи. Они движутся по траекториям наименьшего сопротивления, которое изменяется при наличии в изделиях примесей, трещин, полостей и других дефектов.

Закон Ома

Вихревые токи – это направленное движение электронов в проводнике. Поэтому рассматриваемые явления вполне могут быть описаны базовыми физическими формулами и определениями.

Сила тока рассчитывается по закону Ома:

I = (-1/R) * (dФ/dt), где:

R – электрическое сопротивление;
Ф – магнитный поток;
dt – интервал времени.

Понятно, что для практических вычислений сложнее всего выяснить значение проводимости. Кроме отмеченных выше неравномерностей пути прохождения тока (различия проводника), траектория меняется под воздействием переменного поля.

Индуктивность

Следует подчеркнуть проницаемость проводника силовыми линиями электромагнитного поля. Такое воздействие при увеличении тока источника питания интенсифицирует вихревые эффекты в контрольном образце, установленном на небольшом расстоянии. Амплитуда наведенных токов и фаза определяются нагрузкой и проводимостью катушки индукции. Как и в предыдущем примере, разрывы и другие дефекты проводящего участка оказывают существенное влияние на рабочие электрические характеристики конструкции.

Магнитные поля

Зависимость от параметров материалов показана на рисунке. Цифрами отмечены:

пара или диамагнетики;
ферриты;
железо.

Как будут возникать токи в разных образцах при равных общих условиях

Дефектоскопия

Рассмотренные недостатки можно преобразовать в достоинства. По изменению вихревых токов определяют наличие дефектов при сканировании контрольных образцов. При создании измерительных приборов учитывают следующие факторы:

проводимость определяет силу и путь прохождения токов;
ровные поверхности исследовать проще;
вихревые процессы активизируется при уменьшении рабочей области.

Обнаружение контура дефектоскопом

С учетом целевого назначения корректируют конструкцию и размещение датчиков. Как правило, катушку устанавливают ближе к месту измерения. Корректируют форму изделия для лучшего соответствия объекту обследования.

Уменьшение вихревых токов

Чтобы успешно бороться с негативными проявлениями вихревых эффектов в электроэнергетике и других областях, пользуются отмеченными особенностями. В частности, увеличивают сопротивление проводников добавлением кремниевых и других присадок. Наборы из пластин размещают параллельно вектору магнитного потока. Обеспечивают надежную изоляцию элементов конструкции.

Открытие вихревых токов

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.

Возможные проблемы

Вихревые виды проводят энергию и рассеивают ее, выделяя джоулевую теплоту. Такая энергия ротора асинхронной двигательной установки готовится из фурромагнетиков и способствует нагреву сердечников.

Чтобы бороться с подобным явлением, сердечники создаются из тонкой стали, покрываются изоляцией и устанавливаются поперек пластин. Если пластины имеют небольшую толщину, они обладают малой объемной плотностью. Благодаря ферритам и веществам, имеющим большое магнитосопротивление, сердечники делаются сплошными. Направление их ослабляет энергию внутри провода.

В результате он неравномерный. Это явление скин-эффекта или поверхностного эффекта, из-за которого внутренний проводник бесполезен, и в цепях, где есть большая частота, используются проводниковые трубки.

Обратите внимание! Скин-эффект применяется для того, чтобы разогревать поверхностный металл для металлической закалки. При этом закалка может быть проведена на любой глубине

Проблемы, вызванные индукционными токами

Фуко являются индукционными токами, которые возникают в крупных проводниках сплошного типа. Обозначаются буквой ф. Они имеют свойство нагрева проводников. В результате чего они чаще используются в индукционного типа печах

Важно отметить, что способны генерировать магнитное поле. В этом механизм их работы

В некоторых случаях они полезны, в других нежелательны. В любом случае они используются во многих устройствах.

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.

Что такое вихревые токи?

Электричество окружает нас не только на производстве, но и в быту. Человек может даже не знать, что такое вихревые токи, но с работой, ими совершаемой, ежедневно сталкиваться. Например, люди давно привыкли включать свет простым нажатием клавиши выключателя, не задумываясь о происходящих при этом процессах. Так и случилось в данном случае. Поэтому чтобы понять, что же скрывается под термином «вихревые токи Фуко» и определиться с механизмом их возникновения, необходимо вспомнить свойства электрического тока. Но сначала ответим на вопрос «почему именно Фуко»?

Впервые вихревые токи были упомянуты в трудах французского физика Араго Д. Ф

Он обратил внимание на странное поведение медного диска, над которым располагалась вращающаяся намагниченная стрелка. Без видимых причин диск начинал вращаться вместе с вращением стрелки

В то время (1824 г.) объяснить такое поведение еще не могли, поэтому феномен получил название «явление Араго». Спустя несколько лет другой ученый – М. Фарадей, применив к явлению Араго открытый им закон электромагнитной индукции, пришел к выводу, что в данном случае движение диска легко объяснить с точки зрения упомянутого закона. Согласно предложенному объяснению, вращающееся магнитное поле воздействует на атомы проводника (медного диска) и вызывает появление направленного движения заряженных (поляризованных) частиц в структуре. Одно из свойств электрического тока состоит в том, что вокруг проводника всегда существует магнитное поле. Нетрудно догадаться, что и вихревые токи создают свое поле, вступающее во взаимодействие с основным, их порождающим. Слово «вихревые» характеризует способ распространения таких токов в проводнике: их направления закольцованы. Основываясь на работах Араго и Фарадея, серьезно вихревые токи изучал физик Фуко. Отсюда и полученное название.

Эти токи мало чем отличаются от индукционных, вырабатываемых генераторами. Если есть вихревое магнитное поле (переменное, вращающееся) и находящийся рядом проводник, то в нем благодаря действию электромагнитных полей наводятся токи. Чем больше и массивнее проводник, тем выше действующее значение создающихся токов. Причем, вихревые токи всегда создают такое магнитное поле, которое противится изменению потока. С ростом тока-первопричины возрастает направленная встречно ЭДС, а при снижении, наоборот, поле вихревых токов поддерживает основной поток. Вышесказанное следует из закона Ленца.

Однозначно нельзя сказать, полезны или вредны вихревые токи: в некоторых случаях они расцениваются как паразитные и используются различные технологические решения для их уменьшения, в других же, напротив, востребованными оказываются сами свойства таких токов. Каждый любознательный мальчишка однажды разбирал выброшенный трансформатор. Сердечник (основа, на которой намотаны витки обмотки) всегда выполнен не цельным, а набирается из большого количества тонких пластин электротехнической стали (он называется шихтованным). Все составляющие конструкцию пластины покрываются изолирующим лаком и запекаются для надежного соединения. Иногда сердечник дополнительно стягивается изолированной шпилькой. Такое усложнение конструкции вынужденное: оно необходимо для существенного снижения вихревых токов в сердечнике. Ведь, как уже было сказано, чем менее массивен проводник, тем большим сопротивлением электрическому току он обладает.

В других случаях некоторые свойства вихревых токов оказываются востребованными. Например, работа индукционных сталеплавильных печей основана на нагревающем массивный проводник действии вихревых токов, наведенных специальным генератором. Кроме того, их используют для определения наличия незаметных деффектов в структуре металла.

fb.ru‏>

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 ферритов сделало возможным изготовление этих сердечников сплошными.

Вихретоковый контроль — один из методов неразрушающего контроля изделий из токопроводящих материалов.

Что такое вихревые токи

Вихревые токи считаются одним из наиболее удивительных явлений, встречающихся в электротехнике. Поразительно, что человечество научилось использовать негативные аспекты действия вихревых токов во благо.

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.

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

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.

KakProsto.ru‏>

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

Примечания

Термин вихревой означает, что силовые линии тока замкнуты.
Индукционным называют электрический ток, создаваемый (наводимый) в проводнике за счет взаимодействия проводника с переменным во времени магнитным (электромагнитным) полем, а не за счет действия включенных в разрыв цепи источников тока и ЭДС (гальванических элементов и т.п.).
Часто используется термин токи во множественном числе, поскольку токи Фуко представляют собой электрический ток в объеме проводника, и в отличие от индукционного тока во вторичной обмотке трансформатора затруднительно указать единственную «электрическую цепь» для тока, единственную замкнутую траекторию движения электрических зарядов в толще проводника.
Строго говоря — под действием переменного электромагнитного поля
То есть обладающего большой площадью поперечного току сечения

Практическое применение вихревых токов

Применение и эксплуатация элегазовых выключателей

Прохождение сильного тока повышает энергетический потенциал молекулярной решетки, что сопровождается нагревом. Это явление объясняет возможность использования соответствующей технологии для бесконтактного повышения температуры проводящих материалов. Если приводить пример с индукционной варочной панелью, можно подчеркнуть следующие плюсы:

образование тепла в глубине дна посуды обеспечивает эффективный нагрев рабочей зоны;
температура на поверхности панели не повышается чрезмерно;
тепловое воздействие на продукты выполняется быстрее, по сравнению с аналогами (спиральные ТЭНы, газовые плиты).

Привести пример на основе опыта с вращением диска несложно. Этот же принцип реализован в конструкции электромеханического счетчика потребленной энергии. В данном случае вращение рабочего узла обеспечивается наведенными токами. Ускорение/ замедление соответствует изменению мощности в нагрузке.

При увеличении тока можно нагреть металлы (сплавы) до температуры плавления

При тщательном изучении тематических вопросов можно найти определенные минусы. Электромагнитный поток в цельном сердечнике трансформатора способен увеличить энергетические потери. По этой причине соответствующие детали создают из комплекта пластин, покрытых слоем диэлектрика. Эти элементы соединяют изолированным стержнем.

Причина возникновения токов Фуко (в чем их вред или польза).

Юрий Масалыга

При прохождении тока по проводнику создаётся магнитное поле препендикулярное протекающему току (правило буравчика) . Это поле порождает токи Фуко . При достаточной силе тока и толщине проводника токи Фуко становятся значительными и вызывают нагрев проводника . Поэтому провода делают многожильными, а магнитопроводы трансформаторов набирают из отдельных изолированных пластин — это предотвращает перегрев .

Кирилл Грибков

ВИХРЕВЫЕ ТОКИ (токи Фуко) — замкнутые индукционные токи в массивных проводниках, которые возникают под действием вихревого электрического поля, порождаемого переменным магнитным полем. Вихревые токи приводят к потерям электроэнергии на нагрев проводника, в котором они возникли; для уменьшения этих потерь магнитопроводы машин и аппаратов переменного тока изготовляют из изолированных стальных пластин.

Sergey x

Вихревые токи, токи Фуко, применяются для 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 на практике

Теперь о полезных сферах применения токов Фуко. Огромный вклад был внесен в металлургию изобретением индукционных сталеплавильных печей. Они устроены таким образом, что расплавляемую массу металла помещают внутри катушки, через которую протекает ток высокой частоты. Его магнитное поле наводит большие токи внутри металла до его полного плавления.

Примечание автора! Развитие индукционных печей значительно повысило экологичность производства металла и изменило представление о методах плавки. Я работаю на металлургическом комбинате, где десять лет назад запустили новый высокотехнологичный цех с такими установками, а спустя несколько лет после освоения нового оборудования был закрыт классический мартен. Это говорит о продуктивности такого способа нагрева металлов. Также используются вихревые токи для поверхностной закалки металла.

Наглядное применение на практике:

Кроме металлургии они используются на производстве электровакуумных приборов. Проблемой является полное удаление газов перед герметизацией колбы. С помощью токов Фуко электроды лампы разогревают до высоких температур, таким способом деактивируя газ.

В быту вы можете встретить кухонные индукционные плиты, на которых готовят пищу, благодаря как раз применению данного явления. Как видите, вихревые токи имеют свои плюсы и минусы.

Токи Фуко несут и пользу, и вред. В некоторых случаях их влияние влечёт за собой не электрические проблемы. Например, трубопровод, проложенный около кабельных линий, быстрее сгнивает без видимых сторонних причин. В то же время устройства индукционного нагрева довольно показали себя с хорошей стороны, тем более такой прибор для бытового использования можно собрать самому. Надеемся, теперь вы знаете, что такое вихревые токи Фуко, а также какое применение нашлось им на производстве и в быту.

Материалы по теме:

Каждый человек, который изучает электродинамику и другие разделы науки об электричестве, сталкивается с таким понятием, как вихревые токи. Что это такое, какие есть свойства вихревых токов, как определить их в трансформаторе? Об этом и другом далее.