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 не чем не отличаются от обычных индукционных токов.
Токи Фуко замыкаются в толще проводника в виде круговых контуров маленьких вихрей. Величина этих токов тем выше, чем выше скорость изменения магнитного потока. Это может быть переменное магнитное поле либо сам массивный проводник может, двигается в неизменном магнитном поле.
Направление токов Фуко определяется по правилу Ленца также как и направление обычных токов возникших вследствие электромагнитной индукции. Они всегда направлены встречно потоку, вызвавшему их, и стремятся ему противодействовать.
Можно провести такой эксперимент. Создать постоянный магнитный поток. Например, между двумя постоянными магнитами. И вносить в поле между ними медную или алюминиевую пластину. Будет видно, что пластина движется с усилием. Поскольку в ней при движении возникают токи Фуко, которые взаимодействуют с полем магнитов. Поскольку поле этих токов будет направлено встречно внешнему полю, то они будут отталкиваться друг от друга. 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.
Рисунок 1 — схема опыта
Такое проявление вихревых токов используется в технике. Например, в асинхронном электродвигателе. Статор, которого создает вращающееся магнитное поле. А ротор выполнен в виде массивной болванки. В результате, когда вокруг болванки начинает вращаться магнитное поле, она как бы цепляется за него и тоже начинает вращаться вслед за ним.
Поскольку сопротивление проводника, конечно, то токи, текущие в его толще приводят к нагреву проводника. Это явление используется для плавки металлов в металлургии. Металл помещают в тигель вокруг которого находится индуктор, по которому пропускают переменный ток большой силы. Магнитное поле, которое возникает в контуре, пронизывает металл, который в свою очередь плавится.
Но кроме полезного тепла при плавке токи Фуко приносят и вред в других электрических машинах. Например, в трансформаторах или электродвигателях. В которых энергия магнитного поля не должна расходоваться на тепло. Для борьбы с вихревыми токами ферромагнитные сердечники выполняют шихтованными, то есть набирают из тонких пластин изолированных между собой. При этом магнитный поток должен быть направлен перпендикулярно плоскости пластин. Таким образом, минимизируются потери энергии на нагрев.
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.
Токами Фуко (или вихревыми токами) называют токи, имеющие индукционную природу, которые появляются в массивных проводниках в переменном магнитном поле. Замкнутые цепи вихревых токов появляются в глубине самого проводника. Электросопротивление массивного проводника невелико, следовательно, токи Фуко могут достигнуть большого значения. Сила вихревых токов зависит от формы и свойств материала проводника, направления переменного магнитного поля, скорости, с которой изменяется магнитный поток. Распределение токов Фуко в проводнике может быть очень сложным.
Количество тепла, которое выделяется за $1 с$ токами Фуко пропорционально квадрату частоты изменения магнитного поля.
По закону Ленца, токи Фуко выбирают такие направления, чтобы своим воздействовать причину, которая их вызывает. Значит, если проводник движется в магнитном поле, то он должен испытывать сильное торможение, которое вызвано взаимодействием токов Фуко и магнитного поля.
Приведем пример возникновения оков Фуко. Медный диск диаметром $5 см$, толщиной $6 мм$ заставим падать в узком зазоре между полюсами электромагнита. Если магнитное поле отключено, диск быстро падает. Включим электромагнит. Поле должно быть большим (порядка $0,5Тл$). Падение диска станет медленным и будет напоминать движение в очень вязкой среде.
Применение токов Фуко
Токи Фуко играют полезную роль в роторе асинхронного двигателя, который приводится во вращательное движение магнитным полем. Сама реализация принципа работы асинхронного двигателя требует появления токов Фуко.
Токи Фуко используют при демпфировании подвижных частей гальванометров, сейсмографов и ряда других приборов. Так, на подвижную часть прибора устанавливают пластинку - проводник в виде сектора. Она вводится в промежуток между полюсами сильного постоянного магнита. Когда пластинка движется, в ней появляются токи Фуко, это вызывает торможение системы. Причем торможение появляется только тогда, когда пластинка движется. Следовательно, подобного рода успокаивающее устройство не мешает точному приходу системы в состояние равновесия.
Теплоту, которая выделяется токами Фуко, используют в процессах разогрева. Так, плавка металлов с использованием токов Фуко является весьма выгодной в сравнении с другими методами разогрева. Так называемая индукционная печь представляет собой катушку, по которой идет ток высокой частоты и большой силы. Внутрь катушки помещают проводящее тело, в нем появляются вихревые токи большой интенсивности, которые и разогревают вещество до плавления. Так проводят плавление металлов в вакууме, что ведет к получению материалов высокой чистоты.
При использовании токов Фуко проводят прогрев внутренних металлических частей вакуумных установок с целью их обезгаживания.
Проблемы, которые вызывают вихревые токи. Скин - эффект
Токи Фуко могут играть не только полезную роль. Вихревые токи являются токами проводимости, и часть энергии рассеивают на выделение джоулевой теплоты. Такая энергия, например, в роторе асинхронного двигателя, который изготавливается, обычно из ферромагнетиков, нагревает сердечники, тем самым ухудшаются их характеристики. Для борьбы с таким явлением сердечники производят в виде тонких пластин, которые отделяются тонкими слоями изолятора и устанавливают пластины так, чтобы токи Фуко имели направление поперек пластин. При небольшой толщине пластин вихревые токи имеют малую объемную плотность. С появлением ферритов и веществ с большим магнитосопротивлением стало возможным изготовление сердечников сплошными.
Вихревые токи возникают в проводах, в которых текут переменные токи, причем направление токов Фуко таково, что они ослабляют ток внутри провода и усиливают его около поверхности. Следовательно, быстро изменяющийся ток распределен по сечению провода неравномерно. Такое явление называется скин - эффектом (поверхностным эффектом). Из-за этого явления внутренняя часть проводника становится бесполезной и в цепях с большой частотой используют трубки в качестве проводников. Скин - эффект может применяться для разогрева поверхностного слоя металла, что позволяет использовать это явление для закалки металла, причем, изменяя частоту поля, можно проводить закалку на любой необходимой глубине.
Приближенные формулы, которыми можно описать скин-эффект в однородном цилиндрическом проводнике:
Рисунок 1.
где $R_w$ - эффективное сопротивление проводника радиусом $r$ переменному току с циклической частотой $w$. $R_0$ - сопротивление проводника постоянному току.
где эффективная глубина проникновения переменного тока ($\delta $) (расстояние от поверхности проводника, на котором плотность тока уменьшается в $e=2,7\ $раз в сравнении с плотностью на его поверхности) равна:
$\mu $ - относительная магнитная проницаемость, ${\mu }_0$ - магнитная постоянная, $\sigma $ - удельная электропроводность проводника для постоянного тока. Чем толще проводник, тем существеннее скин - эффект, тем меньше величины $w$ и $\sigma $, при которых его следует учесть.
Пример 1
Задание: В опыте с центробежной машиной к ней прикрепили массивный медный диск, привели этот диск во вращение с большой скоростью. Над диском подвесили (без соприкосновения) магнитную стрелку. Что будет происходить со стрелкой, почему?
Решение:
Магнитная стрелка выступает в роли магнита, который создает магнитное поле, в этом поле вращается медный проводник. Следовательно, в проводнике возникают индукционные токи - токи Фуко. По правилу Ленца вихревые токи, взаимодействуя с магнитным полем, стремятся остановить вращение диска или в соответствии с третьим законом Ньютона увлечь за собой магнитную стрелку. Значит, магнитная стрелка, которая висит над диском, будет поворачиваться вслед за ним и закрутит подвес (нить).
Ответ: Магнитная стрелка будет вращаться, причина - вихревые токи.
Пример 2
Задание: Объясните, почему подземный кабель, по которому передается переменный ток нельзя прокладывать вблизи от металлических газовых и водопроводных труб?
Решение:
Под действием переменного тока вокруг кабеля возникает переменное магнитное поле, если в это поле попадает проводник (металлическая труба), то возникнут индукционные вихревые токи. Эти токи вызывают коррозию металлических труб. Кроме того наличие токов в трубах опасно, так как возникает возможность поражения током.
Пример 3
Задание: Маятник, изготовленный из толстой листовой меди, имеет форму усеченного сектора. Он подвешен на стержне и может совершать свободные колебания вокруг горизонтальной оси в магнитном поле между полюсами сильного электромагнита. В отсутствии магнитного поля маятник совершает колебания практически без затухания. Опишите колебания маятника в магнитном поле электромагнита. Как заставить маятник колебаться почти без затухания в присутствии магнитного поля?
Решение:
Если описанный массивный маятник, осуществляющий колебания, поместить в сильное магнитное поле, то в маятнике возникают токи Фуко. Эти токи по правилу Ленца тормозят движения маятника, амплитуда колебаний уменьшается, и сами колебания скоро прекращаются.
Для того чтобы уменьшить вихревые индукционные токи в маятнике, осуществляющем колебания в магнитном поле, можно его сплошной сектор заменить гребенкой с удлинёнными зубцами. Токи Фуко будут уменьшены, и маятник будет совершать колебания практически без затухания.
56. Вихревые токи (токи Фуко). Их применение.
Вихревые токи илитоки Фуко́ (в честьЖ. Б. Л. Фуко ) - вихревые индукционные токи, возникающие впроводниках при изменении пронизывающего ихмагнитного потока .
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 спустяM. Фарадеем с позиций открытого им закона электромагнитной индукции: вращаемое магнитное поле наводит в медном диске токи (вихревые), которые взаимодействуют с магнитной стрелкой. Вихревые токи были подробно исследованы французским физикомФуко (1819-1868) и названы его именем. Он открыл явление нагревания металлических тел, вращаемых в магнитном поле, вихревыми токами.
Токи Фуко возникают под воздействием переменного электромагнитного поля и по физической природе ничем не отличаются от индукционных токов, возникающих в линейных проводах. Они вихревые, то есть замкнуты в кольца. Электрическое сопротивление массивного проводника мало, поэтому токи Фуко достигают очень большой силы. В соответствии справилом Ленца они выбирают внутри проводника такое направление и путь, чтобы противиться причине, вызывающей их. Поэтому движущиеся в сильном магнитном поле хорошие проводники испытывают сильное торможение, обусловленное взаимодействием токов Фуко с магнитным полем. Это свойство используется длядемпфирования 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 .
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. Появлениеферритов сделало возможным изготовление этих проводников сплошными.
57. Самоиндукция - явление возникновения ЭДС индукции в проводящем контуре при изменении протекающего через контур тока. При изменении тока в контуре меняется поток магнитной индукции через поверхность, ограниченную этим контуром, в результате чего в нём возбуждается ЭДС самоиндукции. Направление ЭДС оказывается таким, что при увеличении тока в цепи эдс препятствует возрастанию тока, а при уменьшении тока - убыванию. Величина ЭДС пропорциональна скорости изменения силы тока I и индуктивности контура L:
За счёт явления самоиндукции в электрической цепи с источником ЭДС при замыкании цепи ток устанавливается не мгновенно, а через какое-то время. Аналогичные процессы происходят и при размыкании цепи, при этом величина ЭДС самоиндукции может значительно превышать ЭДС источника. Чаще всего в обычной жизни это используется в катушках зажигания автомобилей. Типичное напряжение самоиндукции при напряжении питающей батареи 12В составляет 7-25кВ.
При всяком изменении силы тока в проводящем контуре возникает ЭДС самоиндукции, в результате чего в контуре появляются дополнительные токи, называемые экстратоками самоиндукции. Экстратоки самоиндукции, согласно правилу Ленца, всегда направлены так, чтобы препятствовать изменениям тока в цепи, т.е. направлены противоположно току, создаваемому источником. При выключении источника тока экстратоки имеют такое же направление, что и ослабевающий ток. Следовательно, наличие индуктивности в цепи приводит к замедлению исчезнования или установления тока в цепи.