«Поэтому движущиеся в сильном магнитном поле проводники испытывают сильное торможение из-за взаимодействия токов Фуко с магнитным полем. Токи Фуко. Вихревые токи. Описание

Как общепринято, «токи Фуко – это токи, которые возникают в массивном проводнике, находящемся в переменном магнитном поле. Токи Фуко имеют вихревой характер. Если обычные индукционные токи движутся по тонкому замкнутому проводнику, то вихревые токи замыкаются внутри толщи массивного проводника. Хотя при этом они больше ничем не отличаются от обычных индукционных токов» . По правилу Ленца, эти токи направлены так, чтобы противодействовать причине, их вызвавшей , . «Поэтому движущиеся в сильном магнитном поле проводники испытывают сильное торможение из-за взаимодействия токов Фуко с магнитным полем» . «Токи Фуко экранируют переменное магнитное поле так, что оно не проникает вглубь проводника. Однако токи Фуко не могут экранировать статическое магнитное поле, так как из-за омического сопротивления они не могут существовать вечно. Статическое магнитное поле свободно проникает в проводник. Однако чем быстрее изменяется поле, тем на меньшую глубину оно проникает в проводник. В хороших проводниках, где омические потери малы, уменьшение глубины проникновения поля становится заметным при весьма умеренных частотах» . Считается, что этим обусловлено размагничивающее действие токов Фуко. Оно «сильнее проявляется в середине сердечника и меньше на его поверхности, так как участки в середине сердечника охватываются большими вихревыми токами, чем участки, близкие к поверхности» . Как установлено, в сверхпроводниках этот эффект присущ даже постоянным токам из-за отсутствия сопротивления проводника. «При охлаждении сверхпроводника, находящегося во внешнем постоянном магнитном поле, в момент перехода в сверхпроводящее состояние магнитное поле полностью вытесняется из его объёма. Этим сверхпроводник отличается от идеального проводника, у которого при падении сопротивления до нуля индукция магнитного поля в объёме должна сохраняться без изменения» .

В рамках теоретической физики, исходя из общего признания вихревой природы токов Фуко, а значит, и вихревого характера электрического поля , их описание основывается на индукционной паре уравнений Максвелла :

В предположении равенства нулю плотности ρ свободных зарядов в проводнике и стандартной связи между плотностью тока и напряжённостью поля

получают уравнение для напряжённости магнитного поля, описывающего токи Фуко, как и скин-эффект:

При этом «сила вихревого тока по закону Ома равна

где Φ m – магнитный поток, сцепленный с контуром тока, R – сопротивление цепи вихревого тока. Подсчитать это сопротивление трудно. Однако совершенно очевидно, что оно тем меньше, чем больше удельная проводимость проводника и чем больше его размеры» .

Поэтому для расчёта потерь от токов Фуко обычно пользуются приближёнными формулами, в которых удельные потери зависят от сорта железа, толщины железных листов, частоты индуцирующего поля и максимальной индукции этого поля .

Как мы можем видеть, характер токов Фуко связывается исключительно с проводимостью проводника и их структура обуславливается исключительно фактом проводимости металлов, будучи одинаковой, как для ферро-, пара-, так и для диамагнетиков. Направленность этих токов встречна индуцирующему переменному полю, хотя сами указанные вещества во внешних полях ведут себя принципиально различно. Как известно , диамагнетики создают собственное поле, направленное встречно внешнему, пара- и ферромагнетики создают поля, направленные по направлению внешнего магнитного поля. К диамагнетикам относятся, в частности, инертные газы, молекулярный водород и азот, цинк, медь, золото, висмут, парафин и т.д., к парамагнетикам относятся алюминий; воздух. К ферромагнетикам относятся, в частности, железо, никель, кобальт. Но это различие, как считается, не оказывает существенного влияния на сущность токов Фуко.

Проводимые эксперименты тоже не вскрывают данное различие. Большинство из них сводится к торможению падения проводящих тел в неоднородном магнитном поле или к демпфированию колебаний металлического маятника , . При этом считается, что для опытов «рекомендуется брать именно медную или алюминиевую пластины, так как у этих материалов мало удельное сопротивление. Следовательно, сила тока в них будет большей и эффект проявится более явно» .

Второй комплекс экспериментов с токами Фуко связан с индукционным нагревом как проводящих тел, так и диэлектриков (в частности, сушка древесины ). В теорию данного процесса заложена та же основа, базирующаяся на уравнениях Максвелла и вихревом характере индуцирующего электрического поля. Использование стандартной базы предопределяет и акценты, на которых строится моделирование. И хотя учитываются изменения магнитной проницаемости ферромагнетиков с температурой, существенное различие токов Фуко от вида магнетика не проводится, как и ограничивается случаем ферромагнетика. В работах, посвящённых индукционному нагреву алюминия , , феноменологическая база также сводится к стандартному представлению вихревых токов, возбуждающих поле встречной направленности возбуждающему полю и на этом строится моделирование процесса.

Вместе с тем, для промышленно выпускаемых индукционных бытовых печей, главным условием эксплуатации является ферромагнитный материал используемой посуды. При любом ином материале, даже для неферромагнитной стали, печь работать отказывается . Это свидетельствует об определённых нюансах, которые не учитываются существующей моделью вихревых токов, несмотря на обилие научных разработок и технологического использования самого процесса.

Для исследования особенностей вихревых токов была разработана специальная головка со взаимно перпендикулярными обмотками, как показано на рис. 1.

Рис. 1. Схема и общий вид (a ) головки для исследования вихревых токов, а также схема мгновенных вихревых токов в сердечнике (I 2) и в накладке 4 (I 3) этой головки с точки зрения стандартной концепции (b ) при мгновенном токе в первичной обмотке I 1 ; 1 – сердечник из ферромагнитного материала (трансформаторное железо Э330), 2 – первичная однорядовая сплошная обмотка 110 витков провода ø0,23, 3 - вторичная однорядовая сплошная обмотка 110 витков провода ø0,23, 4 – накладка из исследуемого материала размером 15х15х6 мм

Обе обмотки головки были намотаны на подвижном каркасе из фторопласта для регулировки взаимной перпендикулярности. Размер исследуемой накладки выбирался несколько большим свободного от обмоток пространства, с целью, которая будет ясна из дальнейшего исследования. Индукционные токи, возникающие в сердечнике и накладке с точки зрения современных представлений о встречном вихревом характере этих токов, представлены на рис. 1b . Как следует из этого построения, при наложении ассиметричной накладки ток во вторичной обмотке принципиально возникнуть не может из-за взаимной перпендикулярности этих токов виткам вторичной обмотки.

Электрическая схема эксперимента представлена на рис. 2.

Рис. 2. Электрическая схема эксперимента.

Опыт проводился на частоте 20 кГц, амплитуда входного сигнала составляла 2 В, синхронизация осциллографа была внешняя и осуществлялась по сигналу, подаваемому на первичную обмотку головки.

В качестве накладок, ассиметрично устанавливаемых в углах головки, использовались четыре материала: медь – диамагнетик, алюминий – парамагнетик, трансформаторное железо и феррит – ферромагнетики. Вид накладок представлен на рис. 3.

Рис. 3. Вид накладок, используемых в исследовании.

Все накладки были изготовлены из нескольких слоёв. Медная накладка содержала 8 слоёв, алюминиевая – 4 слоя, железная – 20 слоёв и феррит – 2 слоя. Всё это было склеено клеем Стелс. Указатели положения, наклеенные на каждой из накладок, были установлены на их середину. Шкала делений на головке также была установлена на середину первичной обмотки, расположенной вертикально. Общий вид установки показан на рис. 4.

Рис. 4. Общий вид установки: 1 – осциллограф, 2 – измерительная головка, 3 – генератор сигналов, 4 – выходной мощный каскад, 5 – питание выходного каскада

Прежде всего, был исследован сам факт индукции во вторичной обмотке при асимметричном наложении накладок из различных материалов. Как было уже сказано, синхронизация осуществлялась по входному напряжению на первичную обмотку головки. Результаты опыта представлены на рис. 5.

a) медь

b) алюминий

c ) железо

d ) феррит

Рис. 5. Осциллограммы эдс индукции во вторичной обмотке головки (нижняя осциллограмма) в зависимости от материала и местоположения накладки на головке

Как видно из осциллограмм, для меди и алюминия эдс индукции противофазна индуцирующему току (правые фото). У феррита в этом положении наблюдается синфазность. Отклонения для железа будут прояснены далее. Кроме того, видно, что перемещение накладки из правого угла в левый приводит к изменению фазы эдс на 180°. Различие фаз свидетельствует, что природа возникновения эдс индукции в ферромагнетиках, с одной стороны, и пара- и диамагнетиках, с другой стороны, различна.

Чтобы выявить траекторию эдс индукции, было использовано то, что все накладки были набраны из пластин. В этом втором эксперименте накладки ставились в один и тот же угол измерительной головки, вдоль и поперёк плоскости головки. Результаты представлены на рис. 6.

a) медь

b) алюминий

c ) железо

d ) феррит

Рис. 6. Характер токов индукции в накладках из исследуемых материалов при их повороте относительно измерительной головки

Из осциллограмм мы видим, что при повороте накладок из меди и алюминия сигнал значительно ослабляется. Это говорит о том, что возникает существенное сопротивление вихревому току. В феррите сигнал почти не изменяется, что свидетельствует об отсутствии индукционного тока, характерного меди и алюминию, но присутствует ток второго типа, характерный ферромагнетику. Этот ток синфазен возбуждающему. В железной накладке при повороте на торец изменяется не только амплитуда, возрастая на торце, когда токи Фуко уменьшаются, но изменяется и фаза сигнала. Это бывает только в том случае, когда результирующая фаза сигнала зависит от амплитуд исходных компонент, что легко показать тригонометрически. Действительно, если предположим, что исходные составляющие результирующего сигнала строго смещены приблизительно на 180° и имеют различные амплитуды, то

Понятно, что при изменении амплитуд вследствие изменения условий протекания токов в накладках, будет смещаться и амплитуда результирующего сигнала A Ξ , и результирующая фаза φ Ξ . Описанный характер токов представлен на построении, приведенном на рис. 7.

a)Индукционные токи в пара- и диамагнетиках

b) Индукционные токи в ферритах

c ) Индукционные токи в железе

Рис. 7. Схема возбуждения электронных I e и ориентационных I c токов

В случае пара- и диамагнетиков торцевое расположение накладки (справа) приводит к тому, что вместо единого тока I e в ней образуются токи в каждой пластине, которые индуцируются не всей областью контакта накладки с индуцирующим проводником, а только частью, ограниченной толщиной пластины. А значит, этот индуцирующий ток при повороте накладки с плоскости на торец будет индуцировать и меньший ток во вторичной обмотке.

В случае феррита ситуация изменяется. Ток I c образуется молекулярными токами феррита. Электронный ток в феррите практически отсутствует из-за высокого его электрического сопротивления, а молекулярные токи мало зависят от ориентации феррита, вследствие чего поворот практически не изменяет амплитуду тока во вторичной обмотке.

В железе присутствуют оба тока, а потому изменение тока I e приводит, как показано в общем случае нами, к изменению и амплитуды, и фазы сигнала, поскольку этот ток компенсирует ток I c .

Кстати, конкурирующее действие указанных токов приводит и к неверной физической трактовке пара- и диамагнетизма, предполагающей некие особые способы разворота орбиталей атомов у диамагнетиков, чтобы создавать поле, встречное индуцирующему. Как показал вышеприведенный эксперимент, различие между магнетиками сводится исключительно к соотношению индуцирующих токов. В диамагнетике I e превышает I c , вследствие чего формируется встречное поле. В пара- и ферромагнетиках соотношение токов обратное, поэтому формируется поле по направлению внешнего индуцирующего поля. Данная особенность приводит и к неверному измерению относительной магнитной проницаемости пара- и диамагнетиков. Фактически, когда измеряется проницаемость этих веществ, измеряют её с компенсирующим действием тока I e . Чтобы измерить реальную магнитную проницаемость, нужно измерять мелкодисперсную фазу вещества, скреплённую изолирующим компаундом с μ = 1. Эта особенность тоже является причиной многих парадоксов в электромагнетизме.

Также следует обратить внимание и на тот факт, что уменьшение индукционного тока во вторичной обмотке обусловлено уменьшением области контакта пластины накладки с индуцирующим проводником. Опять-таки, как и в предыдущих наших экспериментах, выясняется, что индуцирующие токи возбуждаются не неким мифическим магнитным полем, а конкретным изменением взаимного положения проводников или изменением тока в индуцирующем проводнике и для электронного тока I e пропорционально области контакта проводника с материалом накладки. Фактически, в накладке формируются невихревые токи. Ток возникает исключительно в области контакта, а далее он уже замыкается через тело накладки в области слабого индуцирующего взаимодействия. Вследствие этого электрическая цепь тока может быть представлена, как показано на рис. 8.

Рис. 8. Эквивалентная схема токов Фуко в пара- и диамагнетиках

Согласно данной схеме, электрическое поле, индуцирующееся в пара- и диамагнетиках, не является вихревым. Оно остаётся потенциальным, как и во всех остальных проявлениях, но сам ток, возбуждаемый в материале, замыкается через тело проводника, создавая иллюзию циркулярности.

Вышесказанное подтверждается и следующими двумя экспериментами. В первом из них устанавливается противоположность направленности электронного тока I e и ориентационного молекулярного тока I c . Как мы могли обратить внимание в первом из приведенных экспериментов, при смещении накладки из одного угла измерительной головки в другой, фаза эдс во вторичной обмотке всегда изменялась на 180° (или близко к этому). Что произойдёт, если мы установим накладки из разных материалов на оба угла головки? На рис. 9 представлены результаты этой операции. На снимках слева показаны эдс во вторичной обмотке при установке одной из накладок. На снимках справа – обоих указанных в подписи к снимкам накладок.

a) медь и алюминий

b) Железо (плоскостью) и феррит

c ) Железо (торцом) и феррит

d ) Феррит и медь

e ) феррит и алюминий

Обмотка лабораторного регулировочного автотрансформатора (ЛАТР) намотана на железном сердечнике, имеющем форму прямоугольного тороида (рис.). Для защиты от вихревых токов Фуко сердечник делают из тонких железных пластин, покрытых изолирующим слоем лака. Такой сердечник можно сделать разными способами:
 а) набирая его из тонких колец, положенных стопкой одно на другое;
 б) свертывая в рулон тонкую длинную ленту шириной h ;
 в) собирая из прямоугольных пластин размером l × h , расположив их вдоль радиусов цилиндра.

 Эксперимент.
 Наблюдать возникновение токов Фуко можно с помощью следующей установки. Маятник, состоящий из куска металла, подвешенного на нити между полюсами электромагнита, выведенный из положения равновесия при отсутствии тока в электромагните, совершает слабо затухающие колебания. При включении тока колебания почти мгновенно затухают, и движение маятника до его остановки напоминает движение в вязкой среде. Это объясняется тем, что возникшие при движении маятника в магнитном поле токи Фуко имеют такое направление, что действующие на них со стороны магнитного поля силы тормозят движение маятника.

 Если сплошной сектор маятника заменить гребенкой с длинными зубцами, то возбуждение токов Фуко будет сильно затруднено. Маятник будет колебаться в магнитном поле почти без затухания. Этот опыт объясняет, почему сердечники электромагнитов и рамы трансформаторов делают не из сплошного куска железа, а из многих листов, наложенных друг на друга. В результате токи Фуко возбуждаются слабо и сильно уменьшается вредное влияние джоулева тепла, выделяемого ими.
 Теория.
 Токи Фуко − индукционные токи, возникающие в массивных проводниках
в переменном магнитном поле, называются токами Фуко. Иногда они играют полезную роль, а иногда вредную.
 Токи Фуко играют полезную роль в роторе асинхронного двигателя, приводимого в движение вращающимся магнитным полем, поскольку само осуществление принципа работы асинхронного двигателя требует возникновения токов Фуко. Являясь токами проводимости, токи Фуко рассеивают часть энергии на выделение джоулевой теплоты. Эта потеря энергии в роторе асинхронного двигателя является бесполезной , но с ней приходится мириться, избегая лишь чрезмерного перегревания ротора. Но одновременно с этим в сердечниках электромагнитов асинхронного двигателя, выполненных обычно из ферромагнетиков, являющихся проводниками, также возникают токи Фуко, которые не имеют никакого значения для принципа работы электромагнитов, но нагревают эти сердечники, ухудшая тем самым их характеристики . С ними необходимо бороться, как с вредным фактором. Борьба заключается в том, что сердечники изготовляют из тонких пластин, отделенных одна от другой слоями изолятора, причем их устанавливают так, чтобы токи Фуко были направлены поперек пластин. Благодаря этому при достаточно малой толщине пластин токи Фуко не могут развиваться и имеют незначительную объемную плотность.
 Джоулева теплота, выделяемая токами Фуко, полезно используется в процессах разогрева или даже плавки металлов , когда это оказывается более выгодным или целесообразным по сравнению с другими методами разогрева. Если производить разогрев металла токами очень высокой частоты, то в результате скин-эффекта раскаляется только поверхностный слой проводника.

 (б, в) Сплошной кусок металла , находящийся в переменном магнитном поле, представляет собой проводник сопротивления, вследствие чего сила индукционных токов достигает в нем больших значений.
 Так как ЭДС индукции пропорциональна быстроте изменения потока магнитной индукции, то величина токов Фуко тем больше, чем быстрее меняется то магнитное поле, в которое внесен данный проводник. Поэтому возникновение токов Фуко легче наблюдать, если внести проводник в полость соленоида, по обмотке которого пропускается быстро переменный ток, вызывающий также быстро меняющееся по величине магнитное поле. В этом случае токи Фуко в массивных хорошо проводящих телах достигают такой силы, что выделяющегося тепла оказывается достаточно, чтобы раскалить тело. Этот метод широко используется в вакуумной технике для прогрева внутри откачиваемого прибора металлических частей для их обезгаживания. Этот же способ употребляется для плавки металлов под вакуумом.
 В кусках достаточно толстых , т. е. имеющих большие размеры в направлении , перпендикулярном к направлению индукционного тока , вихревые токи вследствие малости сопротивления могут быть очень большими и вызывать очень значительное нагревание . Если, например, поместить внутрь катушки массивный металлический сердечник и пропустить по катушке переменный ток, который 100 раз в секунду изменяет свое направление и силу, доходя до нуля и вновь усиливаясь, то этот сердечник нагреется очень сильно. Нагревание это вызывается индукционными (вихревыми) токами, возникающими вследствие непрерывного изменения магнитного потока, пронизывающего сердечник. Если же этот сердечник сделать из отдельных тонких проволок, изолированных друг от друга слоем лака или окислов, то сопротивление сердечника в направлении, перпендикулярном к его оси, т. е. сопротивление для вихревых токов, возрастет, и нагревание значительно уменьшится. Этим приемом − разделением сплошных кусков железа на тонкие изолированные друг от друга слои − постоянно пользуются во всех электрических машинах для уменьшения нагревания их индукционными токами, возникающими в переменном магнитном поле. С другой стороны, токи Фуко иногда используются в так называемых индукционных печах для сильного нагревания или даже плавления металлов.

 Трансформаторы.
 Однако во многих случаях нагревание, вызываемое токами Фуко, является вредным. К таким случаям относится нагревание сердечников трансформаторов и вообще металлических сердечников всякого рода обмоток, по которым идет переменный ток. Чтобы избежать такого нагревания, сердечники делают слоистыми, отделяя слои друг от друга тонкой прослойкой изоляции, расположенной перпендикулярно к направлению токов Фуко.
 Появление ферритов (магнитных материалов с большим электрическим сопротивлением) сделало возможным изготовление сердечников сплошными.
 (в) В трансформаторах малой мощности магнитопровод собирают из пластин П- , Ш- и О- образной формы (рис. а, б, в).


 Широкое применение получили магнитопроводы, навитые из узкой ленты электротехнической стали или из специальных железоникелевых сплавов типа пермаллой. Их можно использовать для стержневых, броневых, тороидальных и трёхфазных трансформаторов (г, д, е, ж).

 Скин-эффект.
 Токи Фуко могут возникать и в самом проводнике, по которому течет переменный ток. Появление таких токов ведет к особому поверхностному эффекту (называемому также скин-эффектом от английского слова skin , что значит кожа). Если переменный ток идет по цилиндрическому проводнику , то в моменты увеличения тока индукционные токи Фуко будут направлены как показано на рисунке.

 Эти токи направлены у поверхности проводника в направлении первичного электрического тока, а у оси проводника − навстречу току. В результате внутри проводника ток ослабнет, у поверхности увеличится. Таким образом, вследствие возникновения индукционных токов Фуко, ток будет распределен неравномерно по сечению проводника.
 При быстропеременных токах плотность тока вблизи оси проводника практически оказывается равной нулю, и весь ток идет по поверхности проводника. Вследствие этого и магнитное поле внутри проводника делается равным нулю. Это явление вызывает увеличение сопротивления проводника, так как по внутренним частям проводника ток не идет. Так как эти внутренние части оказываются бесполезными, то в целях экономии металла провода для быстропеременных токов делаются полыми. Токи Фуко приводят также к уменьшению коэффициента самоиндукции проводника. Это можно пояснить на примере цилиндрического проводника.
 В силу скин-эффекта проводники в высокочастотных схемах не имеет смысла делать сплошными. Для уменьшения сопротивления нужно увеличивать их поверхность, а не сечение, т. е. изготовлять проводники в виде трубок . В электропечах этим обстоятельством пользуются, охлаждая трубки катушки, по которым идет ток высокой частоты, с помощью воды, циркулирующей внутри трубок.

 Генераторы.
 Генераторы обычно приводятся в движение сравнительно тихоходными водяными турбинами или двигателями внутреннего сгорания. При работе же с паровыми турбинами, вращающимися с частотой 1500 − 3000 оборотов в минуту, применяется несколько иная конструкция ротора (индуктора). Ротор не имеет выступов, а представляет собой гладкий цилиндр, на наружной поверхности которого в пазах уложена обмотка. При большой частоте вращения это выгоднее, потому что выступы на роторе создают воздушные вихри и увеличивают механические потери.
 Форма полюсных наконечников на выступах ротора специально рассчитывается так, чтобы индуцированная в обмотке ЭДС изменялась со временем по закону синуса, т. е. чтобы форма напряжения и тока, даваемого генератором, была синусоидальной.
 Статор генератора − его неподвижная часть − представляет собой железное кольцо, в пазах которого уложены обмотки якоря. Для уменьшения потерь на токи Фуко это кольцо делается не сплошным, а состоящим из отдельных тонких листов железа, изолированных друг от
друга.

 Смотрите еще :

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.

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.

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

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.

Что такое токи Фуко, их полезное использование, в каких случаюх с ними приходится бороться?

Вихревые токи или токи Фуко́ (в честь Ж. Б. Л. Фуко) - вихревые индукционные токи, возникающие в проводниках при изменении пронизывающего их магнитного потока.

Полезное использование
....Это свойство используется для демпфирования подвижных частей гальванометров, сейсмографов и др.
Тепловое действие токов Фуко используется в индукционных печах - в катушку, питаемую высокочастотным генератором большой мощности, помещают проводящее тело, в нем возникают вихревые токи, разогревающие его до плавления.
С помощью токов Фуко осуществляется прогрев металлических частей вакуумных установок для их дегазации.

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.

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.

Индукционные токи могут возбуждаться и в сплошных массивных проводниках. В этом случае их называют токами Фуко или вихревыми токами. Электрическое сопротивление массивного проводника мало, поэтому токи Фуко могут достигать очень большой силы.

В соответствии с правилом Ленца токи Фуко выбирают внутри проводника такие пути и направления, чтобы своим действием возможно сильнее противиться причине, которая их вызывает. Поэтому движущиеся в сильном магнитном поле хорошие проводники испытывают сильное торможение, обусловленное взаимодействием токов Фуко с магнитным полем. Этим пользуются для демпфирования (успокоения) подвижных частей гальванометров, сейсмографов и других приборов. На подвижной части прибора укрепляется проводящая (например, алюминиевая) пластинка в виде сектора (рис. 63.1), которая вводится в зазор между полюсами сильного постоянного магнита. При движении пластинки в ней возникают токи Фуко, вызывающие торможение системы. Преимущество такого устройства состоит в том, что торможение возникает лишь при движении пластинки и исчезает, когда пластинка неподвижна.

Поэтому электромагнитный успокоитель совершенно не препятствует точному приходу системы в положение равновесия.

Тепловое действие токов Фуко используется в индукционных печах. Такая печь представляет собой катушку, питаемую высокочастотным током большой силы. Если поместить внутрь катушки проводящее тело, в нем возникнут интенсивные вихревые токи, которые могут разогреть тело до плавления. Таким способом осуществляют плавление металлов в вакууме, что позволяет получать материалы исключительно высокой чистоты.

С помощью токов Фуко осуществляется также прогрев внутренних металлических частей вакуумных установок для их обезгаживания.

Во многих случаях токи Фуко бывают нежелательными, и приходится принимать для борьбы с ними специальные меры. Так, например, чтобы предотвратить потери энергии на нагревание токами Фуко сердечников трансформаторов, эти сердечники набирают из тонких пластин, разделенных изолирующими прослойками. Пластины располагаются так, чтобы возможные направления токов Фуко были к ним перпендикулярными. Появление ферритов (полупроводниковых магнитных материалов с большим электрическим сопротивлением) сделало возможным изготовление сердечников сплошными.

Токи Фуко, возникающие в проводах; по которым текут переменные токи, направлены так, что ослабляют ток внутри провода и усиливают вблизи поверхности. В результате быстропеременный ток оказывается распределенным по сечению провода неравномерно - он как бы вытесняется на поверхность проводника. Это явление называется скин-эффектом (от английского skin - кожа) или поверхностным эффектом. Из-за скин-эффекта внутренняя часть проводников в высокочастотных цепях оказывается бесполезной. Поэтому в высокочастотных цепях применяют проводники в виде трубок.