Вихревые течения

Вихревые токи были впервые обнаружены в 1824 году французским ученым Д. Ф. Араго (1786-1853) в медном диске, который был подвешен на оси под вращающейся магнитной стрелкой. Вихревые токи заставляли диск вращаться. Это явление, названное феноменом Араго, через несколько лет объяснил М. Фарадей, объяснив его в соответствии с открытым им законом электромагнитной индукции: вращающееся магнитное поле индуцирует в медном диске вихревые токи, которые взаимодействуют с магнитным указателем. Вихревые токи были подробно изучены французским физиком Фуко (1819-1868) и названы в его честь. Фуко также открыл явление нагрева вихревыми токами металлических тел, вращающихся в магнитном поле.

Содержание

Вихревые токи или токи Фуко (названные в честь Дж. Foucault currents) – это объемные электрические токи вихревой индукции, возникающие в электрических проводниках, когда поток действующего на них магнитного поля изменяется со временем.

Вихревые токи были впервые обнаружены французским ученым Д.Ф. Араго (1786-1853) в 1824 году в медном диске, помещенном на оси под вращающуюся магнитную стрелку. Вихревые токи заставляли диск вращаться. Это явление, названное феноменом Араго, через несколько лет объяснил М. Фарадей, объяснив его в соответствии с открытым им законом электромагнитной индукции: вращающееся магнитное поле индуцирует в медном диске вихревые токи, которые взаимодействуют с магнитным указателем. Вихревые токи были подробно изучены французским физиком Фуко (1819-1868) и названы в его честь. Фуко также открыл явление нагрева металлических тел, вращающихся в магнитном поле, вихревыми токами.

Токи Фуко создаются изменяющимся во времени (переменным) магнитным полем и по своей физической природе не отличаются от индукционных токов, возникающих в проводниках и вторичных обмотках электрических трансформаторов.

Связанные термины

Ссылки на литературу

Связанные условия (продолжение)

Пинч – это эффект сжатия канала тока магнитным полем, индуцированным самим током. Сильный ток, протекающий в плазме, жидкости или твердом металле, создает магнитное поле. Он действует на заряженные частицы (электроны и/или ионы), которые могут сильно изменять распределение тока. При больших токах сила Ампера приводит к деформации канала проводника, вплоть до разрушения. В природе это наблюдается при вспышках молнии.

Токи Фуко возникают под воздействием переменного электромагнитного поля и физически ничем не отличаются от индукционных токов, возникающих в линейных проводниках. Это вихревые токи, т.е. замкнутые в кольца. Электрическое сопротивление твердого проводника невелико, поэтому токи Фуко достигают очень высокой интенсивности. Согласно принципу Ленца, они выбирают такое направление и путь в проводнике, чтобы противостоять причине, которая их вызывает. Поэтому хорошие проводники, движущиеся в сильном магнитном поле, испытывают сильный эффект торможения из-за взаимодействия токов Фуко с магнитным полем. Это свойство используется для подавления движущихся частей гальванометров, сейсмографов и т.д.

вихревые токи

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

Вихревые токи были впервые обнаружены в 1824 году французским ученым Д. Ф. Араго (1786 – 1853) в медном диске на оси под вращающейся магнитной стрелкой. Вихревые токи заставляли диск вращаться. Это явление, названное явлением Араго, было объяснено несколько лет спустя М. Фарадеем с помощью открытого им закона электромагнитной индукции: вращающееся магнитное поле индуцирует (вихревые токи) в медном диске, который взаимодействует с магнитным указателем. Вихревые токи были подробно изучены французским физиком Фуко (1819-1868) и названы в его честь. Он открыл явление, когда металлические тела, вращающиеся в магнитном поле, нагреваются вихревыми токами.

Токи Фуко генерируются переменным электромагнитным полем и физически не отличаются от индукционных токов, возникающих в линейных проводниках. Они представляют собой вихревые токи, то есть замкнуты в кольца. Электрическое сопротивление твердого проводника невелико, поэтому токи Фуко достигают очень высокой интенсивности. Согласно принципу Ленца, они выбирают такое направление и путь внутри проводника, чтобы противостоять причине, которая их вызывает. Поэтому хорошие проводники, движущиеся в сильном магнитном поле, испытывают сильный эффект торможения из-за взаимодействия токов Фуко с магнитным полем. Это свойство используется для подавления движущихся частей гальванометров, сейсмографов и т.д.

Тепловой эффект токов Фуко используется в индукционных печах – проводящее тело помещается в катушку, питаемую высокочастотным мощным генератором, и в катушке возникают вихревые токи, которые нагревают его до расплавления.

Токи Фуко используются для нагрева металлических частей вакуумных установок с целью их дезактивации.

Во многих случаях токи Фуко могут быть нежелательными. Для борьбы с этим были приняты специальные меры: чтобы предотвратить потери энергии из-за нагрева сердечников трансформатора, сердечники собираются из тонких пластин, разделенных изолирующими прокладками. Появление ферритов позволило сделать эти проводники твердыми.

А теперь несколько полезных применений течений Фуко. Изобретение индукционных сталеплавильных печей внесло большой вклад в развитие металлургии. Они сконструированы таким образом, что масса расплавленного металла помещается внутрь катушки, через которую проходит высокочастотный ток. Его магнитное поле индуцирует внутри металла большие токи, пока он полностью не расплавится.

Повреждения, вызванные вихревыми токами

Если вы задумывались над конструкцией сетевого трансформатора 50 Гц, то наверняка заметили, что сердечник сделан из тонких листов, хотя может показаться, что проще сделать цельнолитую конструкцию.

Дело в том, что именно так решаются проблемы с вихревыми токами. Фуко установил нагревание тел, в которых они протекают. Поскольку работа трансформатора основана на принципе взаимодействия переменных магнитных полей, вихревые токи неизбежны.

Каждый нагрев тела – это выделение энергии в виде тепла. В этом случае возникают потери в сердечнике. Чем это опасно? В электроустановках чрезмерный нагрев приводит к разрушению изоляции обмоток и выходу из строя оборудования. Вихревые токи зависят от магнитных свойств сердечника.

Ответ: Магнитная стрелка будет вращаться, причиной этого являются вихревые токи.

Примеры решения проблем

Задача: В эксперименте с центробежной машиной массивный медный диск прикрепляется к машине и получает высокую скорость вращения. Магнитная стрелка подвешена над ним без контакта. Что произойдет со стрелкой и по какой причине?

Решение

В этом эксперименте магнитная рука играет роль магнита, который индуцирует магнитное поле. Медный проводник вращается в генерируемом поле. В результате в проводнике возникают индукционные токи, или токи Фуко. Согласно правилу Ленца, вихревые токи, взаимодействующие с магнитным полем, стремятся замедлить вращение диска или, согласно третьему закону Ньютона, увлечь магнитную стрелку. Получается, что магнитная стрелка, подвешенная над диском, будет вращаться за ним и закручивать подвес (нить).

Ответ: Магнитная стрелка будет вращаться, причиной этого являются вихревые токи.

Задача: Ответьте на вопрос: почему подземный кабель переменного тока нельзя прокладывать рядом с металлическими газовыми и водопроводными трубами?

Решение

Переменные токи создают переменное магнитное поле вокруг кабеля, если в это поле поместить проводник, в данном случае металлическую трубу, то возникнут индукционные вихревые токи. Такие токи вызывают коррозию металлических труб. Также наличие токов в трубах опасно из-за возникающего риска поражения электрическим током.

Задание: Маятник, изготовленный из толстого медного листа, имеет форму усеченного сектора. Он подвешен на стержне и может свободно колебаться вокруг своей горизонтальной оси в магнитном поле между полюсами мощного электромагнита. В отсутствие магнитного поля маятник колеблется почти без затухания. Опишите колебания маятника в магнитном поле электромагнита. Как заставить маятник колебаться почти без затухания в присутствии магнитного поля?

Решение

Если данный массивный маятник, совершающий колебания, поместить в сильное магнитное поле, то в маятнике возникнут токи Фуко. Эти токи, согласно правилу Ленца, замедляют движение маятника, амплитуда колебаний становится все меньше и меньше, и само колебание вскоре прекращается. Для уменьшения вихревых токов в маятнике, колеблющемся в магнитном поле, его неподвижный сектор можно заменить гребенкой с удлиненными копьями. Токи Фуко будут подавлены, и маятник будет колебаться почти без затухания.

Рис. 58. Плавление (а), сварка и пайка (б) металлических компонентов с использованием вихревых токов: 1 – тигель с металлом; 2 – высокочастотный индуктор; 3 – сжимающее усилие; 4 – сварные трубы; 5 – нагретый металл; 6 – твердосплавная пластина; 7 – резец

§22 Вихревые токи

Возникают вихревые токи. Переменный магнитный поток
могут наводить вихревые токи не только в проводниках или обмотках катушек, но и в массивных стальных сердечниках, корпусах и других металлических частях электроустановок. Этот электрический ток вызывает индукционные токи, которые действуют на металлические детали и вызывают их короткое замыкание. Эти токи называются вихревыми токами. Например, изменение магнитного потока, создаваемого катушкой 1 (рис. 56, а), индуцирует вихревые токи в стальном сердечнике 2 катушки.

Рис. 56. Возникновение вихревых токов

Рис. 57. Расположение сердечников электрических машин и аппаратов, изготовленных из отдельных изолированных стальных листов.

Токи, которые ограничены в плоскости, перпендикулярной линиям магнитного поля. Вихревые токи также возникают в сердечниках 3 якорей и роторов электрических машин, когда они вращаются в магнитном поле (рис. 56, б). Природа вихревых токов такая же, как у токов, индуцированных в обычных проводниках или катушках. Из-за очень низкого сопротивления массивных проводников вихревые токи, даже при низкой наведенной ЭДС, достигают очень высоких значений, вызывая чрезмерный нагрев этих проводников.

Способы ограничения вредного воздействия вихревых токов. Вихревые токи обычно нежелательны в электрических машинах и оборудовании, поскольку они вызывают нагрев металлических сердечников, приводят к потерям энергии (так называемые потери от вихревых токов), снижают эффективность электрических машин и оборудования и оказывают размагничивающее действие в соответствии с правилом Ленца. Существует два основных метода снижения вредного воздействия вихревых токов.

Сердечники электрических машин и оборудования изготавливаются из отдельных стальных листов 1 (рис. 57) толщиной 0,35-1,0 мм, изолированные один от другого изоляционным слоем 2 (лаковая пленка, окалина для отжига и т.п.) Это предотвращает распространение вихревых токов и уменьшает сечение каждого отдельного проводника, по которому они протекают, что приводит к уменьшению тока.

(2) Электротехническая сталь, используемая для изготовления сердечников электрических машин и оборудования, состоит на 1-5% из кремния, что повышает ее электрическое сопротивление. Это снижает силу вихревых токов, протекающих по сердечникам электрических машин и оборудования.

Потери мощности из-за вихревых токов пропорциональны квадрату индукции B магнитного поля и квадрату частоты f его изменения. Поскольку индукция и частота магнитного поля изменяются

Рис. 58. Плавление (a), сварка и пайка (b) металлических компонентов с использованием вихревых токов: 1 – тигель с металлом; 2 – высокочастотный индуктор; 3 – сжимающее усилие; 4 – сварочные трубки; 5 – нагретый металл; 6 – твердосплавная пластина; 7 – резец

Рис. 59. Закалка металлических изделий вихревыми токами: 1 – зубчатое колесо; 2 – высокочастотный индуктор; 3 – нагретый металл; 5 – головка рельса

Эти потери резко возрастают при увеличении частоты вращения роторов и якорей электрических машин.

Использование вихревых токов. В некоторых случаях вихревые токи используются в полезных целях. Например, вихревые токи используются для плавления металлов (рис. 58, а). Для этого тигель с металлом помещают в переменное магнитное поле, которое индуцирует вихревые токи, вызывающие плавление металла. Таким же образом вихревые токи нагревают металлические детали при сварке, наплавке и пайке (рис. 58, б), а также осуществляют поверхностный нагрев, необходимый для закалки металлических изделий (рис. 59). В этих случаях необходимо увеличить тепло, выделяемое вихревыми токами, т.е. для получения больших вихревых токов для их наведения используются магнитные поля, изменяющиеся с большой скоростью. Такие поля можно получить с помощью специальных индукторов, выполненных в виде одной или нескольких катушек, по которым протекают быстрые переменные токи – так называемые высокочастотные токи.

Сила и расположение вихревых токов очень чувствительны к форме пластины. Если мы заменим массивную медную пластину “гребенкой”. – медную пластину с выступами, вихревые токи в каждой части пластины индуцируются меньшими токами. Индукционные токи уменьшаются, как и торможение (рис. 3.9). Гребенчатый маятник колеблется в магнитном поле почти без сопротивления. Этот опыт объясняет, почему сердечники электромагнитов и трансформаторов сделаны не из цельного куска железа, а из тонких пластин, изолированных друг от друга. Это уменьшает токи Фуко и выделяемое ими тепло.

Что такое вихревые токи

До сих пор мы рассматривали индукционные токи в линейных проводниках. Однако индукционные токи будут возникать и в толще твердых проводников, если в них изменяется поток вектора магнитной индукции . Они будут циркулировать в веществе проводника (напомним, что линии – закрыты). Поскольку электрическое поле вихревое, токи также называются вихревыми токами, или Течения Фуко..

Если медную пластину отклонить от положения равновесия и затормозить так, чтобы она вошла в пространство между полосами магнита со скоростью υ, то пластина практически остановится, попав в магнитное поле (рис. 3.8).

Это замедление вызвано индукцией вихревых токов в пластине, что препятствует изменению потока вектора магнитной индукции. Поскольку пластина имеет конечное сопротивление, индукционные токи постепенно исчезают, и пластина медленно перемещается в магнитном поле. Если электромагнит выключить, медная пластина будет совершать обычные колебания, характерные для маятника.

Сила и расположение вихревых токов очень чувствительны к форме пластины. Если сплошную медную пластину заменить “гребенкой” – медную пластину с выступами, вихревые токи в каждой части пластины индуцируются меньшими токами. Индукционные токи уменьшаются, как и торможение (рис. 3.9). Гребенчатый маятник колеблется в магнитном поле почти без сопротивления. Этот опыт объясняет, почему сердечники электромагнитов, трансформаторов сделаны не из цельного куска железа, а из тонких пластин, изолированных друг от друга. Это уменьшает токи Фуко и выделяемое ими тепло.

Если взять медный диск диаметром ” 5 см и толщиной ” 5 мм и бросить его между полюсами электромагнита, при выключенном магните диск упадет с нормальным ускорением. При включении магнитного поля в 1 Тесла спуск диска быстро замедляется, и его движение напоминает движение тела в очень вязкой среде.

Эффект замедления тока Фуко используется для создания магнитных демпферов. Если под указатель магнита, который качается в горизонтальной плоскости, поместить массивную латунную пластину, то токи Фуко, индуцированные в латунной пластине, будут подавлять вибрацию указателя. Магнитные стабилизаторы такого типа используются в сейсмографах, гальванометрах и других приборах.

Токи Фуко используются в электрометаллургии для плавления металлов. Металл помещается в переменное магнитное поле, создаваемое током частотой 500-2000 Гц. Индукционный нагрев вызывает плавление металла, в то время как тигель, в который он помещен, остается холодным. Например, при мощности 600 кВт тонна металла расплавляется за 40-50 минут.

Читайте далее: