Вихревые токи
В электрических аппаратах, приборах и машинах металлические детали иногда движутся в магнитном поле или неподвижные металлические детали пересекаются силовыми линиями меняющегося по величине магнитного поля. В этих металлических деталях индуктируется ЭДС самоиндукции.
Под действием этих э. д. с. в массе металлической детали протекают вихревые токи (токи Фуко) , которые замыкаются в массе, образуя вихревые контуры токов.
Вихревыми токами (также токами Фуко) называются электрические токи, возникающие вследствие электромагнитной индукции в проводящей среде (обычно в металле) при изменении пронизывающего ее магнитного потока.
Вихревые токи порождают свои собственные магнитные потоки, которые, по правилу Ленца, противодействуют магнитному потоку катушки и ослабляют его. Кроме того, они вызывают нагрев сердечника, что является бесполезной тратой энергии.
Пусть имеется сердечник из металлического материала. Поместим на этот сердечник катушку, по которой пропустим переменный ток. Вокруг катушки окажется переменный магнитный ток, пересекающий сердечник. При этом в сердечнике станет наводиться индуцированная ЭДС, которая, в свою очередь, вызывает в сердечнике токи, называемые вихревыми. Эти вихревые токи нагревают сердечник. Так как электрическое сопротивление сердечника невелико, то наводимые в сердечниках индуцированные токи могут оказываться достаточно большими, а нагрев сердечника — значительным.
Возниконвение токов Фуко (вихревых токов)
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.
Вихревые токи были подробно исследованы французским физиком Фуко (1819 — 1868) и названы его именем. Он назвал явление нагревания металлических тел, вращаемых в магнитном поле, вихревыми токами.
В качестве примера на рис унке показаны вихревые токи, индуктируемые в массивном сердечнике, помещенном в катушку, обтекаемую переменным током. Переменное магнитное поле индуктирует токи, которые замыкаются по путям, лежащим в плоскостях, перпендикулярных направлению поля.
Вихревые токи: а — в массивном сердечнике, б — в пластинчатом сердечнике
Способы уменьшения токов Фуко
Мощность, затрачиваемая на нагрев сердечника вихревыми токами, бесполезно снижает КПД технических устройств электромагнитного типа.
Чтобы уменьшить мощность вихревых токов, увеличивают электрическое сопротивление магнитопровода, для этого сердечники набирают из отдельных тонких (0,1- 0,5 мм) пластин, изолированных друг от друга с помощью специального лака или окалины.
Магнитопроводы всех машин и аппаратов переменного тока и сердечники якорей машин постоянного тока собирают из изолированных друг от друга лаком или поверхностной непроводящей пленкой (фосфатированных) пластин, выштампованных из листовой электротехнической стали. Плоскость пластин должна быть параллельна направлению магнитного потока.
При таком делении сечения сердечника магнитопровода вихревые токи существенно ослабляются, так как уменьшаются магнитные потоки, которыми сцепляются контуры вихревых токов, а следовательно, понижаются и индуктируемые этими потоками э. д. с, создающие вихревые токи.
В материал сердечника также вводят специальные добавки, также увеличивающие его электрическое сопротивление. Для увеличения электрического сопротивления ферромагнетика электротехническую сталь приготовляют с присадкой кремния.
Шихтованный магнитопровод трансформатора
Сердечники некоторых катушек (бобин) набирают из кусков отожженной железной проволоки. Полоски железа располагают параллельно линиям магнитного потока. Вихревые же токи, протекающие в плоскостях, перпендикулярных направлению магнитного потока, ограничиваются изолирующими прокладками. Для магнитопроводов приборов и устройств, работающих на высокой частоте, применяют магнетодиэлектрики. Чтобы снизить вихревые токи в проводах, последние изготавливают в виде жгута из отдельных жил, изолированных друг от друга.
Лицендрат — это система переплетенных медных проводов, в которой каждая жила изолирована от соседних. Лицендрат предназначен для использования на высокочастотных токах для предотвращения возникновения паразитных токов и токов Фуко.
Применение токов Фуко
В ряде случаев вихревые токи используются в технике, например для торможения вращающихся массивных деталей. Электродвижущая сила, наводимая в элементах детали при пересечении магнитного поля, вызывает в ее толще замкнутые токи, которые, взаимодействуя с магнитным полем, создают значительные противодействующие моменты.
Широко применяется также такое магнитоиндукционное торможение для успокоения движения подвижных частей электроизмерительных приборов, в частности для создания противодействующего момента и торможения подвижной части электрических счетчиков.
В этих приборах диск, укрепленный на оси счетчика, вращается в зазоре постоянного магнита. Наводимые в массе диска при этом движении вихревые токи, взаимодействуя с потоком того же магнита, создают противодействующий и тормозящий моменты.
Например, 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.
Использование вихревых токов при индукционной закалке металлов
Примером полезного применения вихревых токов, вызываемых переменным полем, могут служить электрические индукционные печи. В них магнитное поле высокой частоты, создаваемое обмоткой, которая окружает тигель, наводит вихревые токи в металле, находящемся в тигле. Энергия вихревых токов трансформируется в тепло, плавящее металл.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Токи Фуко
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 В. т. направлено так, чтобы противодействовать изменению магнитного потока, индуцирующего эти В. т.
В. т. приводят к неравномерному распределению магнитного потока по сечению магнитопровода. Это объясняется тем, что в центре сечения магнитопровода намагничивающая сила В. т., направленная навстречу основному потоку, является наибольшей, так как эта часть сечения охватывается наибольшим числом контуров В. т. 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 В. т. нагревают проводники, в которых они возникли. Поэтому В. т. приводят к потерям энергии (потери на В. т.) в магнитопроводах (в сердечниках трансформаторов и катушек переменного тока, в магнитных цепях машин).
Для уменьшения потерь энергии на В. т. (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 В. т., ограничивает возможные контуры путей В. т., что сильно уменьшает величину этих токов. При очень высоких частотах применение ферромагнетиков для магнитопроводов нецелесообразно; в этих случаях их делают из магнитодиэлектриков, в которых В. т. практически не возникают из-за очень большого сопротивления этих материалов.
При движении проводящего тела в магнитном поле индуцированные В. т. 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 В. т. Взаимодействие В. т. с переменным магнитным полем лежит в основе различных типов насосов для перекачки расплавленного металла.
В. т. 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 В. т. 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 В. т., провода большого сечения для переменного тока делают из отдельных жил, изолированных друг от друга.
В. т. 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.
Материалы по теме:
- Бессвинцовая пайка
- Статическое электричество
- Температура Кюри
Токи Фуко
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 1 с 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.
Рассмотрим в качестве примера ситуацию с возникновением оков Фуко. Медный диск диаметром 5 с м 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 Т 0 , 5 Т л . 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.
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.
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.
Приближенные формулы, которыми может быть описан скин-эффект в однородном цилиндрическом проводнике:
Где R w представляет собой эффективное сопротивление проводника радиусом r переменному току с циклической частотой w . R 0 — сопротивление проводника постоянному току.
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, μ 0 — 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
Задание: В эксперименте с центробежной машиной к ней прикрепили массивный медный диск, затем диску сообщили высокую скорость вращения. Над ним без соприкосновения повесили магнитную стрелку. Что будет происходить со стрелкой и по какой причине?
Решение
В данном опыте магнитная стрелка играет роль магнита, который наводит магнитное поле. В образованном поле вращается медный проводник. Соответственно, в проводнике появляются индукционные токи, то есть токи Фуко. Согласно правилу Ленца вихревые токи при взаимодействии с магнитным полем стремятся затормозить вращение диска или, согласно третьему закону Ньютона, увлечь за собой магнитную стрелку. Выходит, что магнитная стрелка, подвешенная над диском, будет поворачиваться вслед за ним и закрутит подвес (нить).
Ответ: Магнитная стрелка будет вращаться, причиной являются вихревые токи.
Задание: Ответьте на следующий вопрос: почему подземный кабель, по которому передается переменный ток нельзя прокладывать вблизи от металлических газовых и водопроводных труб?
Решение
Под действием переменного тока вокруг кабеля появляется переменное магнитное поле, если в это поле помещается проводник, в данном случае его роль играет металлическая труба, то возникнут индукционные вихревые токи. Такие токи провоцируют коррозию металлических труб. Также наличие токов в трубах опасно из-за возникающей опасности поражения током.
Задание: Маятник, изготовленный из толстой листовой меди, обладает формой усеченного сектора. Он подвешен на стержне и может совершать свободные колебания вокруг горизонтальной оси в магнитном поле между полюсами мощного электромагнита. При отсутствии магнитного поля маятник совершает колебания практически без затухания. Опишите колебания маятника в магнитном поле электромагнита. Как заставить маятник колебаться практически без затухания в присутствии магнитного поля?
Решение
Если приведенный массивный маятник, производящий колебания, разместить в сильном магнитном поле, то в маятнике появятся токи Фуко. Эти токи, согласно правилу Ленца, тормозят движения маятника, амплитуда колебаний становится все меньше, и сами колебания в скором времени прекращаются. Для того, чтобы уменьшить вихревые индукционные токи в маятнике, осуществляющем колебания в магнитном поле, можно его сплошной сектор заменить гребенкой с удлиненными зубцами. Токи Фуко будут ослаблены, и маятник будет совершать колебательные движения при почти отсутствующем затухании.
Что такое Токи Фуко простыми словами
Токи Фуко (альтернативное название — вихревые токи) представляют собой замкнутые контуры (петли) электрического тока, возникающие внутри проводников, помещенных в изменяющийся во времени магнитный поток. Токи Фуко (ТФ) появляются вследствие электромагнитной индукции — физического эффекта, обнаруженного британским физиком М. Фарадеем. В некоторых случаях вред от вихревых токов требуется минимизировать. Например, определенные меры борьбы с ними используют, если возникают потери полезной мощности в электрических трансформаторах. В то же время имеется ряд инженерно-технических устройств, где ТФ полезны и выполняют ключевую роль. Их используют в системах торможения, при получении вакуума, в индукционных печах-нагревателях.
Историческая справка
Первооткрывателем необычного явления был французский исследователь Д. Араго (1786–1853). На картинке ниже показана схема его эксперимента, в котором вращение медного диска 1, закрепленного на стеклянной пластине 2, происходит, когда начинает двигаться расположенный снизу магнит N-S (Араго использовал магнитную стрелку).
Тайну возникновения данного явления удалось разгадать М. Фарадею благодаря открытому им закону электромагнитной индукции. Вращение магнита создает изменяемый магнитный поток, способствующий возникновению ЭДС самоиндукции в металлическом диске. Из-за воздействия ЭДС в толще металла появляются вихревые токи.
Изучением свойств этих токов занимался французский естествоиспытатель Ж. Фуко (1819–1868), имя которого сейчас используется в их названии. Ученый также выяснил, почему появляется эффект нагрева металлических объектов вихревыми токами и описал его.
Правило Ленца
Вихревые электрические токи Фуко всегда текут таким образом, чтобы оказывать действие обратное причине, спровоцировавшей их появление. Направление индуцированного тока определяется по правилу, сформулированному российским учёным Л. Ленцом.
Движение проводников в магнитном поле встречает противодействие, вызванное реакцией токов Фуко на внешнее магнитное поле. Этот эффект нашёл своё применение в устройствах торможения (успокоения) подвижных деталей в различных приборах (гальванометрах, сейсмографах и даже в системах тормозов железнодорожного транспорта) без привлечения традиционных тормозных приспособлений, использующих силу трения.
Способы уменьшения токов Фуко
В трансформаторе часть полезной мощности уходит в тепло из-за нагрева сердечника токами Фука, в результате чего снижается КПД устройства. Для подсчета количества утраченной мощности используется следующая формула:
Чтобы уменьшить потери от влияния токов Фуко, необходимо увеличить сопротивление магнитопровода. Эту задачу решают, применяя для изготовления сердечника не цельный кусок металла, а набор тонких пластин, которые изолируют друг от друга, используя слой диэлектрических покрытий.
Аналогично магнитопроводы электродвигателей переменного и постоянного электротока изготавливают из набора пластинок, покрытых изолирующей плёнкой или лаком. Такое «дробление» сердечника существенно снижает вихревые токи, поскольку резко уменьшаются величины магнитных потоков, вызывающие ЭДС самоиндукции. Кроме этого в исходный материал сердечника вносят специальные примеси, увеличивающие электрическое сопротивление.
Полезные применения токов Фуко
Физические свойства этих токов находят своё применение в различных аппаратах и приспособлениях.
Сейчас массово стали пользоваться бытовыми индукционными плитами, в которых также применяется эффект вихретокового нагрева. Они существенно ускоряют процесс приготовления пищи ввиду меньшей инерционности по сравнению с традиционными электроплитами.
Еще одним примером использования вихревых токов, является обработка металлов. Джоулевое тепло, выделению которого способствуют блуждающие токи Фуко, применяют в технологиях, требующих нагрева. Так плавка металла этим способом оказывается более экономичной по сравнению с иными способами нагрева.
Индукционная печь представляет собой катушку, через которую пропускают значительный по величине переменный ток. Внутрь катушки помещается проводящая заготовка. Регулируя амплитуду тока, можно проводить либо плавку, либо закалку исходного материала. С помощью данной технологии производится плавка в условиях высокого вакуума, позволяющая получать сверхчистые материалы.
На свойствах ТФ строятся методы бесконтактного контроля целостности трубопроводов и бесконтактного очищения металлических деталей вакуумных установок.
Еще один пример применения токов Фуко — отделение бытовых отходов из алюминия от изделий из других металлов в специальном сепараторе. Так как черные металлы притягиваются магнитом, а алюминий нет, это позволяет сортировать отходы на металлолом с алюминием и прочими металлами.