какие токи называют вихревыми
Что такое вихревые токи и какие меры принимают для их уменьшения
Что такое вихревые токи и почему их еще называют токами Фуко? Причины возникновения данного явления и способы применения.
Краткое определение
Вихревые токи — это токи, которые протекают в проводниках под воздействием на них переменного магнитного поля. Не обязательно поле должно изменяться, может и тело двигаться в магнитном поле, все равно в нем начнёт течь ток.
Нельзя найти реальную траекторию движения токов для их учёта, ток протекает там, где находит путь с наименьшим сопротивлением. Вихревые токи всегда протекают по замкнутому контуру. Основные условия для его возникновения — нахождение предмета в переменном магнитном поле или его перемещение относительно поля.
История открытия
В 1824 году учёный Д.Ф. Араго проводил эксперимент. Он на одной оси смонтировал медный диск, над ним расположил магнитную стрелку. При вращении магнитной стрелки диск начинал двигаться. Так впервые наблюдали явление вихревых токов. Диск начинал вращаться из-за того, что из-за протекания токов появлялось магнитное поле, которое взаимодействовало со стрелкой. Это назвали, тогда как явление Араго.
Спустя пару лет М. Фарадей, открывший закон электромагнитной индукции, объяснял это явление таким образом: подвижное магнитное поле наводит в диске ток (как в замкнутом контуре) и он взаимодействует с полем стрелки.
Почему второе название — это токи Фуко? Потому что физик Фуко подробно исследовал явление вихревых токов. В ходе своих исследований он сделал великое открытие. Оно заключалось в том, что тела под воздействием вихревых токов нагреваются. С теорией разобрались, теперь мы расскажем о том, где применяются токи Фуко и какие вызывают проблемы.
На видео ниже предоставлено более подробное определение данного явления:
Вред от вихревых токов
Если вы рассматривали конструкцию сетевого трансформатора 50 Гц, наверняка обратили внимание, что его сердечник набран из тонких листов, хотя может показаться что проще было сделать цельную литую конструкцию.
Дело в том, что так борются с вихревыми токами. Фуко установил нагрев тел, в которых они протекают. Так как работа трансформатора и основана на принципах взаимодействия переменных магнитных полей, то вихревые токи неизбежны.
Любой нагрев тел – это выделение энергии в виде тепла. В таком случае будут возникать потери в сердечнике. Чем это опасно? В электроустановке сильный нагрев приводит к разрушению изоляции обмоток и выходу из строя машины. Вихревые токи зависят от магнитных свойств сердечника.
Как снизить потери
Потери энергии в магнитопроводе не приносят пользы, тогда как с ними бороться? Чтобы снизить их величину сердечник набирают из тонких пластин электротехнической стали — это своеобразные меры профилактики для снижения паразитных токов. Такие потери описывает формула, по которой можно произвести расчет:
Как известно: чем меньше сечение проводника, тем больше его сопротивление, а чем больше его сопротивление, тем меньше ток. Пластины изолируют друг от друга окалиной или слоем лака. Сердечники крупных трансформаторов стягиваются изолированной шпилькой. Так снижают потери сердечника, т.е. это и есть основные способы уменьшения токов Фуко.
Какие последствия от влияния этого явления? Магнитное поле, возникающее из-за протекания токов Фуко ослабляет поле, из-за которого они возникли. То есть вихревые токи уменьшают силу электромагнитов. То же самое касается и конструкции деталей электродвигателей и генератора: ротора и статора.
Применение на практике
Теперь о полезных сферах применения токов Фуко. Огромный вклад был внесен в металлургию изобретением индукционных сталеплавильных печей. Они устроены таким образом, что расплавляемую массу металла помещают внутри катушки, через которую протекает ток высокой частоты. Его магнитное поле наводит большие токи внутри металла до его полного плавления.
Примечание автора! Развитие индукционных печей значительно повысило экологичность производства металла и изменило представление о методах плавки. Я работаю на металлургическом комбинате, где десять лет назад запустили новый высокотехнологичный цех с такими установками, а спустя несколько лет после освоения нового оборудования был закрыт классический мартен. Это говорит о продуктивности такого способа нагрева металлов. Также используются вихревые токи для поверхностной закалки металла.
Наглядное применение на практике:
Кроме металлургии они используются на производстве электровакуумных приборов. Проблемой является полное удаление газов перед герметизацией колбы. С помощью токов Фуко электроды лампы разогревают до высоких температур, таким способом деактивируя газ.
В быту вы можете встретить кухонные индукционные плиты, на которых готовят пищу, благодаря как раз применению данного явления. Как видите, вихревые токи имеют свои плюсы и минусы.
Токи Фуко несут и пользу, и вред. В некоторых случаях их влияние влечёт за собой не электрические проблемы. Например, трубопровод, проложенный около кабельных линий, быстрее сгнивает без видимых сторонних причин. В то же время устройства индукционного нагрева довольно показали себя с хорошей стороны, тем более такой прибор для бытового использования можно собрать самому. Надеемся, теперь вы знаете, что такое вихревые токи Фуко, а также какое применение нашлось им на производстве и в быту.
Токи Фуко
Токами Фуко или же вихревыми токами называют обладающие индукционной природой токи, которые возникают в массивных проводниках, находящихся в переменном магнитном поле.
Замкнутые цепи вихревых токов зарождаются в глубине самого проводника. Значение электросопротивления массивного проводника представляет из себя довольно малую величину, соответственно, токи Фуко могут приобретать большие значения. Форма и свойства материала проводника, направление переменного магнитного поля и скорость изменения магнитного потока являются величинами, от которых зависит сила вихревых токов. Распределение токов Фуко в проводнике может быть крайне сложным. Количество тепла, которое излучается за 1 с токами Фуко пропорционально квадрату частоты изменения магнитного поля. Исходя из закона Ленца, можно заявить, что токи Фуко протекают по таким направлениям, чтобы своим воздействием устранить вызывающую их причину. Таким образом, если проводник находится в движении в области магнитного поля, то он должен быть подвержен вызванному взаимодействием токов Фуко и магнитного поля сильному торможению.
Использование токов Фуко
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.
Токи Фуко не всегда представляют собой полезное явление.
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.
Приближенные формулы, которыми может быть описан скин-эффект в однородном цилиндрическом проводнике:
Примеры решения задач
Задание: В эксперименте с центробежной машиной к ней прикрепили массивный медный диск, затем диску сообщили высокую скорость вращения. Над ним без соприкосновения повесили магнитную стрелку. Что будет происходить со стрелкой и по какой причине?
Решение
В данном опыте магнитная стрелка играет роль магнита, который наводит магнитное поле. В образованном поле вращается медный проводник. Соответственно, в проводнике появляются индукционные токи, то есть токи Фуко. Согласно правилу Ленца вихревые токи при взаимодействии с магнитным полем стремятся затормозить вращение диска или, согласно третьему закону Ньютона, увлечь за собой магнитную стрелку. Выходит, что магнитная стрелка, подвешенная над диском, будет поворачиваться вслед за ним и закрутит подвес (нить).
Ответ: Магнитная стрелка будет вращаться, причиной являются вихревые токи.
Задание: Ответьте на следующий вопрос: почему подземный кабель, по которому передается переменный ток нельзя прокладывать вблизи от металлических газовых и водопроводных труб?
Решение
Под действием переменного тока вокруг кабеля появляется переменное магнитное поле, если в это поле помещается проводник, в данном случае его роль играет металлическая труба, то возникнут индукционные вихревые токи. Такие токи провоцируют коррозию металлических труб. Также наличие токов в трубах опасно из-за возникающей опасности поражения током.
Задание: Маятник, изготовленный из толстой листовой меди, обладает формой усеченного сектора. Он подвешен на стержне и может совершать свободные колебания вокруг горизонтальной оси в магнитном поле между полюсами мощного электромагнита. При отсутствии магнитного поля маятник совершает колебания практически без затухания. Опишите колебания маятника в магнитном поле электромагнита. Как заставить маятник колебаться практически без затухания в присутствии магнитного поля?
Решение
Если приведенный массивный маятник, производящий колебания, разместить в сильном магнитном поле, то в маятнике появятся токи Фуко. Эти токи, согласно правилу Ленца, тормозят движения маятника, амплитуда колебаний становится все меньше, и сами колебания в скором времени прекращаются. Для того, чтобы уменьшить вихревые индукционные токи в маятнике, осуществляющем колебания в магнитном поле, можно его сплошной сектор заменить гребенкой с удлиненными зубцами. Токи Фуко будут ослаблены, и маятник будет совершать колебательные движения при почти отсутствующем затухании.
Вихревые токи Фуко — причины возникновения и применение
Каждый человек, который изучает электродинамику и другие разделы науки об электричестве, сталкивается с таким понятием, как вихревые токи. Что это такое, какие есть свойства вихревых токов, как определить их в трансформаторе? Об этом и другом далее.
Суть явления
Вихревые или токи фуко — это те, которые протекают из-за воздействия переменного магнитного поля. При этом изменяется не само поле, а проводниковое положение данного поля. То есть если будет происходить проводниковое перемещение статичного поля, то в нем все равно будет образовываться энергия.
Фуко возникают там, где изменяется переменное магнитное поля и фактически они ничем не отличаются от энергии, идущей по проводам, или вторичных электрических трансформаторных обмотков.
Определение из учебного пособия
Открытие вихревых токов
По историческим данным, впервые это явление обнаружил в начале 19 века французский исследователь Д. Араго. Специалистам известен его наглядный опыт. Вращение намагниченной стрелкой приводит в движение тонкий диск из меди, расположенный на небольшом расстоянии сверху. Природу явления раскрыл М. Фарадей, объяснивший представленный простой пример перемещения взаимодействием поля и образованных в проводнике токов. Они получили специфическое название по фамилии ученого. Фуко обнаружил нагрев тел при достаточно сильном энергетическом потенциале источника переменного тока.
Физические свойства и определение токов Фуко
К вихревым токам относятся электрические токи, которые возникают под влиянием электромагнитной индукции, 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 законом Ленца, 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.
Природа вихревых токов
Образование ЭДС в проводниках при воздействии изменяющегося магнитного потока называют индукцией. На принципах этого явления функционируют электродвигатели, генераторы, катушки фильтров и колебательных контуров.
Что это такое токи Фуко, показано на рисунке
При определенном расположении источника переменного поля и проводника приходится учитывать отмеченные выше эффекты. При необходимости в контрольных точках можно измерить определенное напряжение. Важные особенности:
Практическое применение вихревых токов
Вихревые токи полезны в промышленности для рассеивания нежелательной энергии, например у поворотного кронштейна механического баланса, особенно если сила тока очень высокая. Магнит в конце опоры настраивает вихревые токи в металлической пластине, прикрепленной к концу кронштейна, скажем, ansys.
Схема: вихревые токи
Вихревые потоки, как учит физика, могут быть также использованы в качестве эффективного тормозного усилия в двигателях транзитного поезда. Электромагнитные приспособления и механизмы на поезде около рельсов специально настроены для создания вихревых токов. Благодаря движению тока, получается плавный спуск системы и поезд останавливается.
Закрученные токи вредны в измерительных трансформаторах и для человека. Металлический сердечник используется в трансформаторе, чтобы увеличить поток. К сожалению, вихревые токи, полученные в якоре или сердечнике, могут увеличить потери энергии. Построив металлическую сердцевину чередующихся слоев из проводящих и не проводящих энергию, материалов, размер индуцированных петель уменьшается, таким образом, уменьшая потери энергии. Шум, который производит трансформатор при работе, является следствием именно такого конструктивного решения.
Видео: вихревые токи Фуко
Еще один интересный использования вихревой волны – применение их в электросчетчиках или медицине. В нижней части каждого счетчика расположен тонкий алюминиевый диск, который всегда вращается. Это диск движется в магнитном поле, так что там всегда есть вихревых токи, цель которых замедлить движения диска. Благодаря этому датчик работает точно и без перепадов.
Литература
Полезное и вредное действие
Имеют токи фуко полезное и вредное действие. Они нагревают и плавят металлы в области вакуума и демпфера, но в то же время происходят энергопотери в области трансформаторных сердечников и генераторов из-за того, что выделяется большое количество тепла.
Полезное действие индукционных токов
Принципы вихревых токов
Для детального изучения процессов можно рассмотреть действие полей при подключении к источнику типовой катушки индукции. Переменный ток в проводнике образует силовые линии поля. Напряженность создает разницу потенциалов в соседних петлях. Движение электронов формирует вихревые токи. Они движутся по траекториям наименьшего сопротивления, которое изменяется при наличии в изделиях примесей, трещин, полостей и других дефектов.
Закон Ома
Вихревые токи – это направленное движение электронов в проводнике. Поэтому рассматриваемые явления вполне могут быть описаны базовыми физическими формулами и определениями.
Сила тока рассчитывается по закону Ома:
I = (-1/R) * (dФ/dt), где:
Понятно, что для практических вычислений сложнее всего выяснить значение проводимости. Кроме отмеченных выше неравномерностей пути прохождения тока (различия проводника), траектория меняется под воздействием переменного поля.
Индуктивность
Следует подчеркнуть проницаемость проводника силовыми линиями электромагнитного поля. Такое воздействие при увеличении тока источника питания интенсифицирует вихревые эффекты в контрольном образце, установленном на небольшом расстоянии. Амплитуда наведенных токов и фаза определяются нагрузкой и проводимостью катушки индукции. Как и в предыдущем примере, разрывы и другие дефекты проводящего участка оказывают существенное влияние на рабочие электрические характеристики конструкции.
Магнитные поля
Зависимость от параметров материалов показана на рисунке. Цифрами отмечены:
Как будут возникать токи в разных образцах при равных общих условиях
Интересно. Взаимное воздействие оказывают магнитные поля, созданные катушкой и вихревыми процессами.
Дефектоскопия
Рассмотренные недостатки можно преобразовать в достоинства. По изменению вихревых токов определяют наличие дефектов при сканировании контрольных образцов. При создании измерительных приборов учитывают следующие факторы:
Обнаружение контура дефектоскопом
С учетом целевого назначения корректируют конструкцию и размещение датчиков. Как правило, катушку устанавливают ближе к месту измерения. Корректируют форму изделия для лучшего соответствия объекту обследования.
Уменьшение вихревых токов
Чтобы успешно бороться с негативными проявлениями вихревых эффектов в электроэнергетике и других областях, пользуются отмеченными особенностями. В частности, увеличивают сопротивление проводников добавлением кремниевых и других присадок. Наборы из пластин размещают параллельно вектору магнитного потока. Обеспечивают надежную изоляцию элементов конструкции.
Как определить в трансформаторе
Узнать, где находятся вихревые токи в трансформаторе, несложно. Как правило, они располагаются в трансформаторных сердечниках. Когда замыкаются в сердечниках, то нагревают их и создают энергию. Поскольку появляются в плоскостях, которые перпендикулярны магнитному потоку по характеристике, происходит трансформаторное уменьшение сердечников.
Обратите внимание! Для их измерения используются изолированные стальные пластины.
Определение в трансформаторе
Полезное и негативное воздействие
Почему явление может применяться для решения практических задач, показано выше на конкретных примерах. Однако следует помнить о потерях, которые способны провоцировать вихревые токи. Для исключения ошибок необходимо тщательно проверять конструкторский расчет. Обязательно нужно оценить степень влияния переменного магнитного поля на проводящие материалы.
Видео
Вихревые токи
В электрических аппаратах, приборах и машинах металлические детали иногда движутся в магнитном поле или неподвижные металлические детали пересекаются силовыми линиями меняющегося по величине магнитного поля. В этих металлических деталях индуктируется ЭДС самоиндукции.
Вихревыми токами (также токами Фуко) называются электрические токи, возникающие вследствие электромагнитной индукции в проводящей среде (обычно в металле) при изменении пронизывающего ее магнитного потока.
Вихревые токи порождают свои собственные магнитные потоки, которые, по правилу Ленца, противодействуют магнитному потоку катушки и ослабляют его. Кроме того, они вызывают нагрев сердечника, что является бесполезной тратой энергии.
В качестве примера на рис унке показаны вихревые токи, индуктируемые в массивном сердечнике, помещенном в катушку, обтекаемую переменным током. Переменное магнитное поле индуктирует токи, которые замыкаются по путям, лежащим в плоскостях, перпендикулярных направлению поля.
Способы уменьшения токов Фуко
Мощность, затрачиваемая на нагрев сердечника вихревыми токами, бесполезно снижает КПД технических устройств электромагнитного типа.
Чтобы уменьшить мощность вихревых токов, увеличивают электрическое сопротивление магнитопровода, для этого сердечники набирают из отдельных тонких (0,1- 0,5 мм) пластин, изолированных друг от друга с помощью специального лака или окалины.
Магнитопроводы всех машин и аппаратов переменного тока и сердечники якорей машин постоянного тока собирают из изолированных друг от друга лаком или поверхностной непроводящей пленкой (фосфатированных) пластин, выштампованных из листовой электротехнической стали. Плоскость пластин должна быть параллельна направлению магнитного потока.
При таком делении сечения сердечника магнитопровода вихревые токи существенно ослабляются, так как уменьшаются магнитные потоки, которыми сцепляются контуры вихревых токов, а следовательно, понижаются и индуктируемые этими потоками э. д. с, создающие вихревые токи.
В материал сердечника также вводят специальные добавки, также увеличивающие его электрическое сопротивление. Для увеличения электрического сопротивления ферромагнетика электротехническую сталь приготовляют с присадкой кремния.
Сердечники некоторых катушек (бобин) набирают из кусков отожженной железной проволоки. Полоски железа располагают параллельно линиям магнитного потока. Вихревые же токи, протекающие в плоскостях, перпендикулярных направлению магнитного потока, ограничиваются изолирующими прокладками. Для магнитопроводов приборов и устройств, работающих на высокой частоте, применяют магнетодиэлектрики. Чтобы снизить вихревые токи в проводах, последние изготавливают в виде жгута из отдельных жил, изолированных друг от друга.
Применение токов Фуко
В ряде случаев вихревые токи используются в технике, например для торможения вращающихся массивных деталей. Электродвижущая сила, наводимая в элементах детали при пересечении магнитного поля, вызывает в ее толще замкнутые токи, которые, взаимодействуя с магнитным полем, создают значительные противодействующие моменты.
Широко применяется также такое магнитоиндукционное торможение для успокоения движения подвижных частей электроизмерительных приборов, в частности для создания противодействующего момента и торможения подвижной части электрических счетчиков.
В этих приборах диск, укрепленный на оси счетчика, вращается в зазоре постоянного магнита. Наводимые в массе диска при этом движении вихревые токи, взаимодействуя с потоком того же магнита, создают противодействующий и тормозящий моменты.
Например, вихревые токи нашли в устройстве магнитного тормоза диска электрического счетчика. Вращаясь, диск пересекает магнитные силовые линии постоянного магнита. В плоскости диска возникают вихревые токи, которые, в свою очередь, создают свои магнитные потоки в виде трубочек вокруг вихревого тока. Взаимодействуя с основным полем магнита, эти потоки тормозят диск.
В ряде случаев, применяя вихревые токи, можно использовать технологические операции, которые невозможно применить без токов высокой частоты. Например, при изготовления вакуумных приборов и устройств из баллона необходимо тщательно откачать воздух и иные газы. Однако в металлической арматуре, находящейся внутри баллона, имеются остатки газа, которые можно удалить только после заваривания баллона.
Для полного обезгаживания арматуры вакуумный прибор помещают в поле высокочастотного генератора, в результате действия вихревых токов арматура нагревается до сотен градусов, остатки газа при этом нейтрализуются.
Примером полезного применения вихревых токов, вызываемых переменным полем, могут служить электрические индукционные печи. В них магнитное поле высокой частоты, создаваемое обмоткой, которая окружает тигель, наводит вихревые токи в металле, находящемся в тигле. Энергия вихревых токов трансформируется в тепло, плавящее металл.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети: