Полезное и вредное действия токов фуко: снижение потерь и мощность вихревых токов

• Электромагнитная индукция (ЭИ) — очень важное явление для электротехники.
• И почти всегда электромагнитную индукцию сопровождают вихревые токи.
• Что они из себя представляют и как используются — вот тема данного разговора.

Природа вихревых токов

Вихревые токи имеют ту же природу, что и ток во вторичной обмотке трансформатора — все это индукционный ток.

Они обусловлены явлением ЭИ, открытым М. Фарадеем: при изменении магнитного потока, пересекающего проводник, в последнем возникает электродвижущая сила (ЭДС).

Если этот проводник — катушка из провода (обмотка трансформатора или электрогенератора), то ток течет по ее виткам.

Что такое токи Фуко?

В массивном теле, например, сердечнике (магнитопроводе) или корпусе агрегата, возникает объемный ток в виде движения заряженных частиц по круговым (вихреобразным) траекториям. Это называют вихревыми токами.

Изменение пересекающего проводник магнитного потока наблюдается в двух случаях:

1. проводник и поле постоянного магнита двигаются друг относительно друга. Пример: сердечник ротора электрогенератора, в котором статор является магнитом (во многих видах магнит — ротор);
2. относительное движение отсутствует, но меняются параметры магнитного поля. Для реализации такого варианта применяется электромагнит (смотанный в катушку провод), по которому пропускается переменный ток. Так же как и ток, поле будет периодически менять направленность силовых линий и интенсивность магнитного потока (в противофазе с током). Пример: магнитопровод трансформатора.

Это явление называют «токами Фуко» — в честь ученого Ж. Б. Л. Фуко, проведшего большую работу по их изучению. Первым же обнаружил данное явление французский ученый Д. Ф. Араго, проводивший в 1824-м году опыт с медным диском и вращающейся над ним магнитной стрелкой. Диск тоже начинал совершать аналогичные действия. Этот эффект стали называть в научных кругах «явлением Араго».

Магнитное поле токов Фуко

Исследователь не смог правильно объяснить механизм вращения, это сделал несколькими годами позже М. Фарадей, открыв ЭИ:

1. плоский круглый предмет помещается в крутящееся магнитное поле;
2. его воздействие на деталь выражается в наведении в ней вихревых токов;
3. токи Фуко, в свою очередь, вступают во взаимодействие с магнитным полем;
4. диск начинает крутиться.

Сила вихревых токов напрямую зависит от скорости изменения магнитного потока.

Значение

Чем быстрее движется проводящее тело в поле, тем сильнее будут токи Фуко. Частота переменного тока и его амплитуда при возрастании тоже способствуют их увеличению.

При воздействии на проводящее тело электромагнитом с переменным током, вихревые токи возрастают с увеличением частоты тока и его амплитуды. Направление вращения «вихря» определяется аналогичным параметром магнитного потока.

Если последний возрастает, то есть скорость его изменения положительна (dФ / dt > 0), вихревые токи вращаются по часовой стрелке.

При убывании магнитного потока (dФ / dt < 0) направление вращения меняется на противоположное. «Вихрь» зарядов в теле выбирает такую плоскость вращения, чтобы оказывать максимальное сопротивление вызывающей их силе (правило Ленца). Эта плоскость составляет прямой угол с силовыми линиями индуцирующего поля.

При этом вихревые токи сами генерируют магнитное поле, направленное против вызывающего их внешнего (индуцирующего) магнитного поля. В этом и состоит механизм взаимодействия токов Фуко с индуктором, заставившее вращаться диск в опыте Араго.

Применение

Исследуя вихревые токи, Ж. Б. Л. Фуко обнаружил, что они вызывают нагрев проводника. Это явление широко используют в технике и различных отраслях промышленности.

Вот несколько примеров:

1. индукционная кухонная плита. Достоинство устройства состоит в экономичности: энергия тратится сугубо на нагрев посуды с пищей, сама плита остается холодной. Требуется посуда из ферромагнитных материалов, то есть таких, к которым пристает магнит. Существуют такие разновидности чугуна и нержавейки, алюминиевую же посуду делают с ферромагнитным дном;
2. индукционный отопительный котел. Достоинства – в простоте устройства. Теплообменник представляет собой трубу (в некоторых моделях — с сердечником), обмотанную проводом. Целостность его не нарушается, как в ТЭНовых котлах, потому протечки исключены. Поверхность нагрева имеет большую площадь: в этом качестве выступает весь теплообменник (находится в поле электромагнита);
3. индукционные печи на металлургических и прочих заводах. Сталь и другие металлы загружаются в тигель и помещаются в поле переменного магнита. Выгода в том, что энергия тратится сугубо на нагрев материала, а не тигля;
4. дегазация металлических частей вакуумных установок. Без данной процедуры достижение полного вакуума невозможно, поскольку в арматуре и других металлических элементах содержится небольшое количество газов, в условиях вакуума понемногу выделяющихся. Для принудительной дегазации требуется нагрев, а нагреть находящийся внутри установки металлический элемент можно только бесконтактным способом. На помощь приходят ЭИ и токи Фуко;
5. поверхностная закалка металлических изделий. Требуется для упрочнения внешнего слоя при сохранении пластичности основной части детали. Пример — шестерни. Если закалить изделие полностью, оно станет хрупким и при нагрузках сломается.

Вихревые токи в магнитопроводе

Чтобы нагреть только поверхностный слой, токи Фуко используют в сочетании со скин-эффектом. Последний состоит в снижении плотности тока вблизи оси проводящего тела и возрастании ее у поверхности, что проявляется тем сильнее, чем выше частота тока.

Объясняется скин-эффект тем, что вектор напряженности создаваемого вихревыми токами поля направлен:

• внутри детали — против наведенной (индуцированной) ЭДС;
• на поверхности — в одну сторону с ней.

Скин-эффект имеет место и при протекании сгенерированного электростанцией высокочастотного тока по проводам. При этом сопротивление последних значительно увеличивается, поскольку работает только поверхностный слой.

Для борьбы используют такие меры:

• применяют плоские и полые проводники;
• наносят на поверхность токопроводящих жил металлы с меньшим сопротивлением (серебро, золото);
• уменьшают шероховатость проводника (сокращается путь тока в поверхностном слое).

Другой способ применения основан на взаимодействии вихревых токов с вызывающим их магнитным полем.

Как уже говорилось, индукционный ток выбирает такой путь, чтобы производимое им магнитное поле максимально противодействовало индуцирующему (правило Ленца). В результате на движущееся в магнитном поле тело с низким электрическим сопротивлением (сила вихревых токов, как и всех остальных, обратно пропорциональна сопротивлению), действует тормозящая сила.

Тормозящая силу используют для:

• торможения диска электросчетчика (повышается точность показаний);
• демпфирования подвижных частей сейсмографов, гальванометров и прочих приборов;
• торможения железнодорожных составов (в некоторых конструкциях).

Вихретоковый метод (

На взаимодействии индуцирующего электромагнитного поля и создаваемого токами Фуко основан вихретоковый метод контроля деталей из проводящих материалов — металлов и их сплавов, полупроводников, графита. Метод является не только неразрушающим, но и бесконтактным. Это позволяет значительно увеличить скорость продвижения исследуемых изделий.

Суть метода:

1. деталь помещается в переменное магнитное поле, генерируемое одной или несколькими индукционными обмотками (вихретоковым преобразователем);
2. создаваемое токами Фуко поле анализируется измерительной катушкой.

Сопротивление материала увеличится, если в изделии имеются:

• трещины;
• раковины;
• утоньшение стенки;
• коррозия и прочие дефекты, нарушающие однородность.

Вихревые токи и создаваемое ими электромагнитное поле будут отличаться от нормы, эта информация, как и данные о положении исследуемого объекта относительно вихретокового преобразователя, определяется путем замеров на выводах катушек:

• напряжения;
• сопротивления.

Методом проверяют состояние широкого спектра изделий:

• крепежных элементов;
• роликов подшипников;
• труб;
• проволоки;
• рельс;
• корпусов атомных реакторов и многих других.

Дефектоскопия газопровода

Помимо дефектоскопии и дефектометрии метод вихретокового контроля используется в:

• виброметрии;
• толщинометрии (контроль вибраций);
• структуроскопии (определение структурного состояния материала).

При протекании постоянного тока скин-эффект не наблюдается, потому его иногда используют для транспортирования большой мощности на значительные расстояния.

Потери на вихревые токи

С целью поспособствовать распространению электромагнитного поля, обмотки трансформаторов и электрических машин наматывают на сердечник (магнитопровод). Это объясняется более высоким коэффициентом магнитопроницаемости металлов в сравнении с воздухом.

К примеру, у стали этот параметр в 100 раз превышает воздушный. В сердечнике также возникают вихревые токи и здесь они нежелательны, поскольку потребляют энергию и приводят к снижению КПД устройства.

Применяют следующие способы минимизации потерь на вихревые токи:

1. шихтовка. Сердечник собирают из тонких пластин (0,1 – 0,5 мм), электрически изолированных друг от друга лаком, окалиной или иным диэлектриком. Плоскость пластины направлена вдоль силовых линий поля. Поэтому для токов Фуко, стремящихся двигаться в перпендикулярной этим линиям плоскости, такой сердечник имеет большое сопротивление. Аналогичными свойствами обладает стержень, собранный из изолированных друг от друга отрезков отожженной проволоки. Но они должны располагаться параллельно направлению магнитного потока (силовым линиям). Таким же способом ослабляются токи Фуко в проводах — их набирают из множества переплетенных изолированных жил (литцендрат). Заодно данный прием нейтрализует скин-эффект;
2. изготовление сердечников из ферритов — магнитомягкое железо, получаемое путем спекания порошка. Структурно и по свойствам напоминает графит (такое же хрупкое). Имеет низкое электрическое сопротивление, но высокий коэффициент магнитопроницаемости (магнитодиэлектрик). Сердечник из феррита в шихтовке не нуждается — его делают цельным;
3. введение в материал сердечника добавок, повышающих электрическое сопротивление. Так, в сталь добавляют кремний.

Видео по теме

О том, что такое вихревые токи, в видеоролике:

В массивных телах, попавших под воздействие переменного магнитного поля, происходит тот же процесс, что и в любом проводнике — возникает электрический ток. В некоторых случаях он полезен, в других — нежелателен. Так или иначе, на явлении вихревых токов построена работа многих устройств.

Источник: https://proprovoda.ru/provodka/vixrevye-toki.html

Для уменьшения вихревых токов используют сердечники транформаторов?

Вихревыми токами называются электротоки, возникающие под воздействием магнитного поля в проводнике и движущиеся по кругу. Они считаются паразитными, так как тратят энергию, в результате чего снижается КПД. Если сердечник монолитный, его сопротивление минимальное, вихревые токи максимальные.

Чтобы уменьшить вихревые токи, необходимо увеличить сопротивление материала, из которого производится сердечник. Для уменьшения вихревых токов используют сердечники трансформаторов, изготовленные из тонких элементов из специальной стали.

Причины снижения КПД трансформатора

Эффективность работы трансформатора не может быть равно 100%, так как энергия теряется при любых условиях.

Потери делятся на 2 вида:

• в меди (намотке);
• в стали (сердечнике).

В обмотке потери энергии создает сопротивление провода, преобразующее электрическую энергию в тепло. В стержне такой же процесс происходит из-за вихревых токов, возникающих под воздействием магнитного поля. Оно равно нулю на внутренних витках первичной обмотки, увеличивается до максимума на внешних, переходит на вторую обмотку и достигает нуля на ее внешних витках.

Справка! Потери напряжения равны квадрату вихревых токов.

Вихревой ток движется по кругу, поэтому не выходит за пределы проводника, создает собственное магнитное поле, которое (по закону Венца) мешает изменению поля, создавшего их. Если стержень цельный, он сильно нагревается, оборудование выходит из строя из-за перегрева изоляции обмоток.

Способы снижения потерь

Потери можно снизить изменением качества стали. Если сердцевина монолитная, в ней много диполей, которые меняют направление из-за присутствия магнитного поля. В процессе изменения возникает трение, вызывающие повышение температуры, то есть, магнитная энергия превращается в тепловую.

Проблема решается набором стержня из пластин электротехнической магнитомягкой стали, покрытых пленкой оксида, лаком или окалиной (в крупном оборудовании используется изолированная шпилька). Толщина этого материала 0,36-0,5 мм, он содержит 1-5% кремния, поэтому хорошо пропускает магнитные волны и снижает их напряженность.

По составу это все равно легированная сталь, но с повышенной хрупкостью, которая растет одновременно с повышением содержания кремния. Некоторые производители добавляют так же алюминий (до 0,5%). Поставляется эта сталь в листах с различной шириной полосы. Толщина 0,1-1 мм.

Чтобы уменьшить в трансформаторе вихревые токи и снизить потери в обмотке, увеличивается сечение проводов с целью снизить сопротивление. Чтобы вес и цена не были слишком увеличены, выбирается сечение, не вызывающее нагрева обмоток. Если одновременно меняется сердечник и провода, КПД трансформатора достигает 85-90%.

Разновидности сердечников

Трансформатор – это стержень и обмотка.

Конструктивно сердечники бывают:

• стержневые (2 С-образных стержня, соединенные ярмом в форме П);
• броневые (Ш-образный стержень с обмоткой в центре закрыт ярмом, расположенным на наружной части);
• тороидальные (в форме кольца).

С точки зрения производства, осмотра и ремонта первый вид самый удобный. Стержни трансформаторов собираются из штампованных пластин или металлических лент, наматываемых в виде цилиндра.

Цилиндр разрезается на 2 части, разрезы шлифуются. На обе части наматываются обмотки, каждая из которых содержит часть витков другой. Половинки располагаются так, чтобы плотно прилегали разрезы.

Конструкция крепится стальной лентой.

С-образный сердечник стоит дорого из-за сложной технологии производства. При малейшей неточности образуются воздушные зазоры, увеличивающие вихревые электротоки.

 Поэтому самое значительное уменьшение потерь достигается при использовании ленты тороидальным способом. Тора не режется, обмотки наматываются при помощи специального станка.

Особенности конструкции делают кольцо самым энергоэффективным.

С-образный и тороидальный сердечник направляет магнитный поток в одно направление, определяющее ориентацию кристаллической структуры металла. Это позволяет использовать более плотные потоки магнитного излучение. Данная особенность дает возможность уменьшить размеры сердечника.

Справка! Для улучшения геометрии катушек трансформаторов секционируются или чередуются намотки.



Ш-образные пластины принято использовать в силовых трансформаторах. В процессе укладки чередуется пространственная ориентация с целью снизить зазоры на стыках. Обмотки выполняются в виде катушек на среднюю ось.

Магнитный поток проходит поперек кристаллической структуры металла. Такой стержень пропускает его до наступления насыщенности направлении, которое расположено параллельно по отношению к структуре.

Данное свойство позволяет работать при повышенной плотности магнитного потока.

Если стержень собирается встык, на него наматываются обмотки, только потом проводится соединение ярмом. При намотке впереплет стержень называется шихтованным и не теряет ток в месте соединения обмоток. Для производителей первый метод проще, но он увеличивает объем потерь. Потребители предпочитают шихтованные трансформаторы.

Источник: https://OTransformatore.ru/vopros-otvet/ispolzuyut-li-serdechniki-transformatora-dlya-umensheniya-vihrevyh-tokov/

Вихревые токи

27 февраля 2015. Категория: Электротехника.

Рассматривая принцип действия генератора постоянного тока, можно заметить, что при его вращении в проводниках обмотки якоря, пересекающих магнитное поле, индуктируется электродвижущая сила (ЭДС). Так как и сам стальной якорь пересекает те же магнитные индукционные линии, то в нем, также как и в проводнике, должны индуктироваться токи.

Токи, которые индуктируются в металлических телах при пересечении их магнитными линиями, называются вихревыми токами, или токами Фуко.

Рисунок 1. Возникновение вихревых токов в сплошном стальном якоре электрической машины

Рисунок 2. Изменение пути вихревых токов при разделении стального якоря электрической машины на изолированные участки. Стрелками показаны направления индукционных токов

Рисунок 3. Схема устройства индукционной печи

На рисунке 1 схематически изображен якорь, вращающийся в магнитном поле.

Вихревые токи Фуко в якоре, условно показанные пунктирными стрелками, проходя по телу якоря, будут нагревать его, на что затрачивается энергия.

Если не принять мер к уменьшению вихревых токов, они, сильно нагревая якорь, могут привести к порче изоляции его обмоток. Уничтожить совсем потери на вихревые токи нельзя, но уменьшить их можно и нужно.

Для уменьшения потерь на вихревые токи в трансформаторе, якоре генератора, электрическом двигателе, магнитопроводы собирают из отдельных тонких (0,35 – 0,5 мм) штампованных листов мягкой стали, расположенных по направлению линий магнитного потока и изолированных один от другого лаком или тонкой бумагой. Это делается для того, чтобы вследствие малого поперечного сечения каждого стального листа уменьшить величину проходящего через него магнитного потока, а стало быть уменьшить индуктируемые в нем ЭДС и ток.

Путь вихревых токов в теле якоря при разделении последнего на отдельные изолированные участки схематически показан на рисунке 2.

Чтобы еще больше ослабить вихревые токи, увеличивают удельное сопротивление стали путем добавления в нее около 4 % кремния. Такая сталь называется легированной.

Однако не всегда вихревые токи являются вредными; в некоторых случаях они находят и полезное применение. Так, например, эти токи используют для закалки стальных изделий токами высокой частоты, в работе индукционных электроизмерительных приборов, счетчиков и реле переменного тока (описанных ниже).

В индукционных печах (рисунок 3) вихревые токи, наводимые первичной обмоткой I во вторичной обмотке II, которой является масса металла, настолько сильны и количество тепла, выделяемое ими, так велико, что металл плавится.

Применение вихревых токов находит свое применение в измерительных приборах. Часто в них устанавливают магнитоиндукционные тормозы (рисунок 4).

При колебаниях стрелки (рисунок 4, а) или при вращении диска (рисунок 4, б) они пересекают поле магнита М и в них индуктируются вихревые токи, которые по правилу Ленца имеют такое направление, что противодействуют вызвавшей их причине.

Таким образом, эти токи будут тормозить вращение диска и уменьшать колебания стрелки, быстро ее успокаивая.

Рисунок 4. Магнитоиндукционные тормозы

Источник: Кузнецов М.И., «Основы электротехники» — 9-е издание, исправленное — Москва: Высшая школа, 1964 — 560с.

Источник: https://www.electromechanics.ru/electrical-engineering/637-eddy-currents.html

Вихревые токи: физический смысл, потери, поле, применение

В свою очередь, вихревые токи индуцируют собственные магнитные потоки, замыкающиеся в проводнике, которые в соответствии с правилом Ленца препятствуют изменению магнитного потока прибора или устройства, тем самым ослабляя его.

Рассмотрим процесс формирования вихревых токов в металлическом сердечнике, помещенном в магнитное поле катушки, по которой протекает переменный ток. Вокруг катушки формируется переменный магнитный поток, пересекающий сердечник.

В сердечнике также будет индуцироваться ЭДС, вызывающая в нем так называемые вихревые токи, которые нагревают сердечник. Поскольку сопротивление сердечника незначительно, то наводимые индукционные токи могут быть достаточно большими, что приведет к сильному нагреву сердечника.

Первые исследования в области изучения вихревых токов были проведены в 1824 г. французким физиком Д.Ф. Араго, который обнаружил их наличие в медном диске, находящемся на оси под обращающейся магнитной стрелкой.

Под воздействием вихревых токов диск оборачивался.

Первые подробные исследования вихревых токов были проведены французским исследователем Фуко, и впоследствии по его имени они и получили свое название.

Методы уменьшения вихревых токов

Мощность, расходуемая на нагрев электротехнических устройств электромагнитного типа, значительно снижает их КПД. Поэтому с целью уменьшения величины вихревых токов повышают сопротивление магнитопровода.

Для этого сердечники выполняют не сплошными, а набирают из отдельных тонких пластин (толщиной 0,1- 0,5 мм), покрытым слоем изоляционного материала.

Также при изготовлении сердечника в сырье вводят специальные добавки, увеличивающие его сопротивление.

Практическое применение токов Фуко

В некоторых случаях вихревые токи используют в полезных целях. К примеру, создание устройства магнитного тормоза диска электросчетчика. Оборачиваясь, диск пересекает магнитные линии магнита, в толщине диска формируется вихревые токи, которые создают свои магнитные потоки, препятствующие вращению диска, и вызывающие его торможение.

Полезное действие вихревые токи оказывают при индукционной плавке металлов.

Для этого тигель с металлом размещают в магнитное поле, которое своим воздействием индуцирует вихревые токи, расплавляющие металл, при этом тигель остается холодным.

Источник: https://pue8.ru/elektrotekhnik/592-vikhrevye-toki.html

Токи Фуко

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.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

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.

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.

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.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/elektromagnitnaya_indukciya/toki_fuko/

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 вихревых токов направлено так, чтобы противодействовать изменению магнитного потока, индуцирующего эти вихревые токи.

Если медную пластину отклонить от положения равновесия и отпустить так, чтобы она вошла со скоростью ? в пространство между полосами магнита, то пластина практически остановится в момент ее вхождения в магнитное поле

Замедление движения связано с возбуждением в пластине вихревых токов, препятствующих изменению потока вектора магнитной индукции. Поскольку пластина обладает конечным сопротивлением, токи индукции постепенно затухают и пластина медленно двигается в магнитном поле. Если электромагнит отключить, то медная пластина будет совершать обычные колебания, характерные для маятника.

Вихревые токи приводят к неравномерному распределению магнитного потока по сечению магнитопровода.

Это объясняется тем, что в центре сечения магнитопровода намагничивающая сила вихревых токов, направленная навстречу основному потоку, является наибольшей, так как эта часть сечения охватывается наибольшим числом контуров вихревых токов.

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 вихревые токи нагревают проводники, в которых они возникли. Поэтому вихревые токи приводят к потерям энергии (потери на вихревые токи) в магнитопроводах (в сердечниках трансформаторов и катушек переменного тока, в магнитных цепях машин).

Для уменьшения потерь энергии на вихревые токи (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.

При очень высоких частотах применение ферромагнетиков для магнитопроводов нецелесообразно; в этих случаях их делают из магнитодиэлектриков, в которых вихревые токи практически не возникают из-за очень большого сопротивления этих материалов.

При движении проводящего тела в магнитном поле индуцированные вихревые токи 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 вихревых токов. Взаимодействие вихревого тока с переменным магнитным полем лежит в основе различных типов насосов для перекачки расплавленного металла.

Вихревые токи 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 вихревые токи 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.

Вихревые токи 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.

Применение токов Фуко

Полезное применение 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.

Вихревые токи находят полезное применение также при индукционной плавке металлов и поверхностной закалке токами высокой частоты.

Источник: https://www.radioingener.ru/toki-fuko/

Токи Фуко

Определение 1

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 1с 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.

Пример 1

Рассмотрим в качестве примера ситуацию с возникновением оков Фуко. Медный диск диаметром 5 см 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 Тл. 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.

Определение 2

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.

Определение 3

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.

Определение 4

Приближенные формулы, которыми может быть описан скин-эффект в однородном цилиндрическом проводнике:

RwR0=1+k43, при k

Источник: https://Zaochnik.com/spravochnik/fizika/magnitnoe-pole/toki-fuko/

Вихревые токи можно ли использовать. Токи фуко полезное и вредное действие

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 (dB n /dt
> 0), и в соответствии с законами Фарадея и Ома в материале пластины возникает (наводится, «индуцируется») замкнутый (вихревой) электрический ток
.

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).

Вихревые токи
, или токи Фуко́
(в честь Ж. Б. Л. Фуко) — вихревой индукционный объёмный электрический ток , 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 и по физической природе ничем не отличаются от индукционных токов, возникающих в проводах и вторичных обмотках электрических трансформаторов
.

Поскольку электрическое сопротивление массивного 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.

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
[ |
]

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

Источник: https://dagexpo.ru/vihrevye-toki-mozhno-li-ispolzovat-toki-fuko-poleznoe-i-vrednoe-deistvie/