Токи фуко полезное и вредное действие в картинках
Вихревые или еще так называемые цикличные токи могут нести в себе помимо вреда еще и пользу. С одной стороны, вихревые токи – это непосредственная причина потерь электроэнергии в проводнике либо же катушке. В то же самое время на этом эффекте построены современные индукционные печи, так что польза от таких токов есть. Давайте поговорим о пользе и вреде немного по подробней.
yandex.ru
Краткое определение
Для начала давайте дадим определение озвученному явлению. Вихревые токи – это такие токи, которые начинают протекать по причине воздействия переменного магнитного поля. При этом может изменяться не само поле, а положение проводника в этом поле, то есть если проводник начнет перемещаться в статичном поле, то в нем все равно образуются токи Фуко.
И траекторию протекания таких токов определить невозможно. Известно лишь то, что ток проходит в том месте, где сопротивление минимально.
Как открыли это явление
Изначально вихревые токи были зафиксированы в 1824 году ученым
Д.А. Араго во время проведения следующего опыта:
На одной оси были смонтированы медный диск и магнитная стрелка, диск располагался внизу, а стрелка несколько выше. Так вот, когда стрелку вращали, то медный диск также начинал вращаться, так как протекающие токи формировали магнитное поле, которое и вступало во взаимодействие с магнитной стрелкой.
Наблюдаемый эффект получил название – явление Араго.
yandex.ru
По истечении нескольких лет этот вопрос стал изучать Максвелл Фарадей, который как раз открыл закон электромагнитной индукции. Так вот, согласно открытому закону было сделано предположение, что магнитное поле оказывает непосредственное воздействие на атомарную решетку проводника.
И образующийся в результате данного воздействия электрический ток, всегда формирует магнитное поле во всем проводнике.
А подробно описал вихревые токи уже экспериментатор Фуко, именно поэтому второе название вихревых токов – токи Фуко. С историей немного познакомились, теперь давайте узнаем природу вихревых токов.
Природа вихревых токов
Замкнутые циклические токи могут образоваться в проводнике только в том варианте, когда магнитное поле, в котором находится проводник, имеет нестабильную структуру, то есть имеет вращение или изменяется со временем.
Из этого следует, что сила вихревых токов имеет прямую связь со скоростью изменения магнитного потока, проходящего через проводник.
По общепринятой теории электроны перемещаются в проводнике линейным образом из-за разности потенциалов, а это значит, что ток имеет прямое направление.
yandex.ru
Токи Фуко ведут себя совершенно по-другому и образуют вихревой замкнутый контур прямо в проводнике. При этом данные токи способны на взаимодействие с магнитным полем, которое их и создало.
Проводя исследование этих токов, ученый Ленц сделал вывод, что сгенерированное вихревыми токами магнитное поле не позволяет магнитному потоку, который и создал эти токи, измениться. При этом направленность силовых линий вихревого тока идентично вектору направления индукционного тока.
Вихревые токи и их вред
Давайте вспомним, как выглядит обычный трансформатор.
Так вот, если вы внимательно посмотрите на сердечник, то вы увидите, что он собран из отдельных пластин. А вам не кажется, что гораздо проще его было выполнить цельным?
Именно таким «дроблением» пытаются максимально снизить негативное воздействие токов Фуко. Ведь вихревые токи нагревают тело, в котором они протекают.
Как же они появляются в трансформаторе? Его работа и основана на принципах взаимодействия магнитных полей переменного характера, а как мы уже знаем переменное поле неизбежно порождает вихревые токи.
yandex.ru
Получается, что вихревой ток нагревает сердечник. А нагрев ведет к снижению КПД и сильный перегрев приведет к оплавлению изоляции, а значит разрушению трансформатора.
Как снижают потери
Данные потери могут быть описаны следующей формулой:
Как вы знаете, верно следующее утверждение: проводник с маленьким сечением обладает большим сопротивлением, а чем больше сопротивление проводника, тем меньший ток проходит через него.
Именно поэтому сердечник выполнен из цельного куска стали, а не собран из тонких пластин, которые изолированы друг от друга окалиной или слоем лака. Такой способ сборки сердечника максимально уменьшает потери в сердечнике, то есть сводят вихревые токи до минимума.
Полезное использование вихревых токов
Данные токи не только несут негатив. Их давно научились использовать с пользой. Так, например, свойства вихревых токов используются в индукционных счетчиках. Данные токи замедляют вращение алюминиевого диска, который вращается под действием магнитного поля.
Так же создание индукционных сталеплавильных печей оказало несоизмеримый вклад в развитие всей современной индустрии производства стали.
yandex.ru
Такие печи работают следующим образом: металл, который будут подвергать плавлению, помещают внутрь катушки, через которую начинают пропускать ток повышенной частоты. При этом магнитное поле формирует большие токи внутри металла, и последующий нагрев расплавляет металл.
В многоквартирных домах вы сможете увидеть индукционные плитки, принцип работы которых также основан на использовании эффекта образования вихревых токов.
Заключение
Это все, что я хотел вам рассказать о вихревых токах (токах Фуко). Если статья оказалась вам полезна или интересна, то оцените ее лайком. Спасибо за ваше внимание!
Взаимодействие электромагнитного поля с проводниками образует вихревые токи. Это явление способно выполнять полезные и вредные функции. В определенных ситуациях энергия затрачивается попусту либо ухудшает работоспособность трансформаторов и линий электропередачи. Однако правильное применение базовых принципов данного эффекта позволяет бесконтактным образом исследовать состав материалов, решать другие практические задачи.
В индукционных варочных панелях токи Фуко разогревают посуду с экономичным потреблением электроэнергии
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.
Природа вихревых токов
Образование ЭДС в проводниках при воздействии изменяющегося магнитного потока называют индукцией. На принципах этого явления функционируют электродвигатели, генераторы, катушки фильтров и колебательных контуров.
Что это такое токи Фуко, показано на рисунке
При определенном расположении источника переменного поля и проводника приходится учитывать отмеченные выше эффекты. При необходимости в контрольных точках можно измерить определенное напряжение. Важные особенности:
- с учетом неравномерного распределения электрической проводимости затруднено точное определение траектории токов;
- они будут возникать при перемещении пластины относительно постоянного магнита;
- линии образуют замкнутые контуры в толще образца;
- они расположены перпендикулярно вектору магнитного потока.
Практическое применение вихревых токов
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.
Вихри и скин-эффект
При определенном расположении рабочего тела и генератора электромагнитных волн токи на поверхности становятся сильнее, чем в глубине. Эту особенность (скин эффект) учитывают при создании специальных покрытий.
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
Интересно. Взаимное воздействие оказывают магнитные поля, созданные катушкой и вихревыми процессами.
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.
Полезное и негативное воздействие
Почему явление может применяться для решения практических задач, показано выше на конкретных примерах. Однако следует помнить о потерях, которые способны провоцировать вихревые токи. Для исключения ошибок необходимо тщательно проверять конструкторский расчет. Обязательно нужно оценить степень влияния переменного магнитного поля на проводящие материалы.
Видео
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 (dBn/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).
У этого термина существуют и другие значения, см. Ток.
Вихревые токи, или токи Фуко́ (в честь Ж. Б. Л. Фуко) — вихревой[1] индукционный[2] объёмный электрический ток[3], 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[4] и по физической природе ничем не отличаются от индукционных токов, возникающих в проводах и вторичных обмотках электрических трансформаторов.
Поскольку электрическое сопротивление массивного[5] 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[править | править код]
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.
Примечания[править | править код]
- ↑ 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
Литература[править | править код]
- Сивухин Д. В.: Общий курс физики, том 3. Электричество. 1977
- Савельев И. В.: Курс общей физики, том 2. Электричество. 1970
- Неразрушающий контроль: справочник: В 7т. Под общ. ред. В. В. Клюева. Т. 2: В 2 кн.-М.:Машиностроение, 2003.-688 с.: ил.
Ссылки[править | править код]
- Про вихревые токи в «Школе для электрика»