Вихревые токи Фуко: причины возникновения и применение

В электричестве есть целый ряд явлений, которые нужно знать специалистам. Хоть и не вся информация может пригодиться в повседневной практике, но иногда поможет понять причину какой либо проблемы. Вихревые токи послужили причиной становления некоторых технологических ухищрений при изготовлении электрических машин и даже стали основой для принципа работы некоторых изобретений. Давайте разберемся, что такое вихревые токи Фуко и как они возникают.

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.

Материалы по теме:

Что такое вихревые токи? — Блог о строительстве

Вихревыетокиилитоки Фуко́(в честьЖ.Б. Л. Фуко) — вихревыеиндукционные токи, возникающие впроводникахпри изменении пронизывающего ихмагнитногопотока.

Впервыевихревые токи были обнаружены французскимучёным Д.ФАраго(1786—1853) в 1824 г. в медномдиске, расположенном на оси под вращающейсямагнитной стрелкой.

За счёт вихревыхтоков диск приходил во вращение. Этоявление, названное явлением Араго, былообъяснено несколько лет спустяM.Фарадеемс позиций открытогоим закона электромагнитной индукции:вращаемое магнитное поле наводит вмедном диске токи (вихревые), которыевзаимодействуют с магнитной стрелкой.Вихревые токи были подробно исследованыфранцузским физикомФуко(1819—1868) и названы его именем. Он открылявление нагревания металлических тел,вращаемых в магнитном поле, вихревымитоками.

ТокиФуко возникают под воздействиемпеременного электромагнитногополяи по физической природеничем не отличаются от индукционныхтоков, возникающих в линейных проводах.Они вихревые, то есть замкнуты в кольца.Электрическое сопротивление массивногопроводника мало, поэтому токи Фукодостигают очень большой силы.

Всоответствии справиломЛенцаони выбирают внутрипроводника такое направление и путь,чтобы противиться причине, вызывающейих. Поэтому движущиеся в сильном магнитномполе хорошие проводники испытываютсильное торможение, обусловленноевзаимодействием токов Фуко с магнитнымполем. Это свойство используется длядемпфированияподвижных частей гальванометров,сейсмографов и др.

Тепловоедействие токов Фуко используется виндукционныхпечах— в катушку, питаемуювысокочастотным генератором большоймощности, помещают проводящее тело, внем возникают вихревые токи, разогревающиеего до плавления.

Спомощью токов Фуко осуществляетсяпрогрев металлических частей вакуумныхустановок для их дегазации.

Вомногих случаях токи Фуко могут бытьнежелательными. Для борьбы с нимипринимаются специальные меры: с цельюпредотвращения потерь энергии нанагревание сердечников трансформаторов,эти сердечники набирают из тонкихпластин, разделённых изолирующимипрослойками. Появлениеферритовсделало возможным изготовление этихпроводников сплошными.

57.Самоиндукция— явление возникновения ЭДС индукциив проводящем контуре при изменениипротекающего через контур тока. Приизменении тока в контуре меняется потокмагнитной индукции через поверхность,ограниченную этим контуром, в результатечего в нём возбуждается ЭДС самоиндукции.Направление ЭДС оказывается таким, чтопри увеличении тока в цепи эдс препятствуетвозрастанию тока, а при уменьшении тока— убыванию. Величина ЭДС пропорциональнаскорости изменения силы тока I ииндуктивности контура L:

Засчёт явления самоиндукции в электрическойцепи с источником ЭДС при замыканиицепи ток устанавливается не мгновенно,а через какое-то время.Аналогичныепроцессы происходят и при размыканиицепи, при этом величина ЭДС самоиндукцииможет значительно превышать ЭДСисточника. Чаще всего в обычной жизниэто используется в катушках зажиганияавтомобилей. Типичное напряжениесамоиндукции при напряжении питающейбатареи 12В составляет 7-25кВ.Привсяком изменении силы тока в проводящемконтуре возникает ЭДС самоиндукции, врезультате чего в контуре появляютсядополнительные токи, называемыеэкстратокамисамоиндукции.

Экстратокисамоиндукции, согласно правилу Ленца,всегда направлены так, чтобы препятствоватьизменениям тока в цепи, т. е. направленыпротивоположно току, создаваемомуисточником.

При выключении источникатока экстратоки имеют такое же направление,что и ослабевающий ток. Следовательно,наличие индуктивности в цепи приводитк замедлению исчезнования или установлениятока в цепи.Вихревые токи считаются одним из наиболее удивительных явлений, встречающихся в электротехнике. Поразительно, что человечество научилось использовать негативные аспекты действия вихревых токов во благо.

Содержание статьи

В 1824 году французский физик Даниэль Араго впервые наблюдал действие вихревых токов на медный диск, расположенный под магнитной стрелкой на одной оси. При вращении стрелки в диске наводились вихревые токи, приводя его в движение. Это явление получило название «эффекта Араго» в честь его первооткрывателя.

Исследования вихревых токов были продолжены французским физиком Жаном Фуко. Он подробно описал их природу и принцип действия, а также наблюдал явление нагрева токопроводящегоферромагнетика, вращаемого в статическом магнитном поле. Токи новой природы были тоже названы в честь исследователя.

Токи Фуко могут иметь место при воздействии на проводник переменного магнитного поля, либо при перемещении проводника в статическом магнитном поле. Природа вихревых токов аналогична индукционным, которые возникают в линейных проводах при прохождении через них электрического тока. Направление вихревых токов замкнуто по кругу и противоположно вызывающей их силе. Самый простой пример проявления токов Фуко в обыденной жизни – их воздействие на магнитопровод обмоточного трансформатора. Из-за воздействия наведенных токов появляется низкочастотная вибрация (трансформатор гудит), способствующая сильному нагреву. В этом случае энергия тратится впустую, а КПД установки падает. Для предотвращения значительных потерь сердечники трансформаторов не изготовляют цельными, а набирают из тонких полос электротехнической стали с низкой удельной электропроводностью. Полосы изолированы между собой электротехническим лаком или слоем окалины. Появление ферритовых элементов позволило выполнять малогабаритные магнитопроводы цельными.

Эффект от действия вихревых токов используется повсеместно в промышленности и машиностроении. Поезда на магнитной подвеске используют токи Фуко для торможения, высокоточные приборы имеют систему демпфирования указывающей стрелки, основанной на действии вихревых токов.

В металлургии широко распространены индукционные печи, имеющие целый комплекс преимуществ перед аналогичными установками. В индукционной печи нагреваемый металл можно поместить в безвоздушное пространство, добиваясь его полной дегазации. Индукционная плавка черных металлов также получила широкое распространение в металлургии ввиду высокой экономичности установок.

Видео по теме

Распечатать

Что такое вихревые токи

Вихревые токиили токи Фуко́(в честь Ж.

Б. Л. Фуко) — вихревые индукционные токи, возникающие в проводникахпри изменении пронизывающего их магнитного 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 спустя M.

Фарадеемс 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 физиком Фуко(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 поляи 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 с правилом Ленцаони 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 для демпфированияподвижных 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. Появление ферритовсделало возможным изготовление этих проводников сплошными.

Литература

Сивухин Д. В.: Общий курс физики, том 3.

Электричество. 1977Савельев И. В.: Курс общей физики, том 2.

Электричество. 1970Неразрушающий контроль: справочник: В 7т. Под общ.

ред. В. В.

Клюева. Т. 2: В 2 кн.-М.:Машиностроение, 2003.-688 с.: ил.

Ссылки

Про вихревые токив «Школе для электрика»

Вихревые токи— или токи Фуко (в честь Ж.

Б. Л. Фуко)  вихревые индукционные токи, возникающие в проводниках при изменении пронизывающего их магнитного потока.

Впервые вихревые токи были обнаружены французским учёным Д.Ф Араго (1786 1853) в… …   ВикипедияВихревые токи—         токи Фуко, замкнутые электрические токи в массивном проводнике, которые возникают при изменении пронизывающего его магнитного потока. В. т.

являются индукционными токами (см. Индукция электромагнитная) и образуются в проводящем теле либо… …   Большая советская энциклопедияВИХРЕВЫЕ ТОКИ— (токи Фуко) замкнутые электрич. токи в массивном проводнике, возникающие при изменении пронизывающего его магн.

потока. В. т.

явл. индукционными токами (см. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ), они образуются в проводящем теле либо вследствие изменения во …   Физическая энциклопедиявихревые токи— Электрические токи в проводящем теле, вызванные электромагнитной индукцией, замыкающиеся по контурам, образующим односвязную область.

[ГОСТ Р 52002 2003] вихревые токи Электрический ток, индуцированный в проводящем материале переменным магнитным… …   Справочник технического переводчикаВихревые токи— (Фуко токи), замкнутые индукционные токи в массивных проводниках, которые возникают под действием вихревого электрического поля, порождаемого переменным магнитным полем. Вихревые токи приводят к потерям электроэнергии на нагрев проводника (этот… …   Иллюстрированный энциклопедический словарьВИХРЕВЫЕ ТОКИ— (токи Фуко) замкнутые индукционные токи в массивных проводниках, которые возникают под действием вихревого электрического поля, порождаемого переменным магнитным полем. Вихревые токи приводят к потерям электроэнергии на нагрев проводника, в… …   Большой Энциклопедический словарьВИХРЕВЫЕ ТОКИ— ВИХРЕВЫЕ ТОКИ, электрический ток, движущийся по кругу; возникает в ПРОВОДНИКЕ под воздействием переменного магнитного поля.

Вихревые токи вызывают потерю энергии в ГЕНЕРАТОРАХ и ДВИГАТЕЛЯХ переменного тока, поскольку взаимодействие между… …   Научно-технический энциклопедический словарьвихревые токи— (токи Фуко), замкнутые индукционные токи в массивных проводниках, которые возникают под действием вихревого электрического поля, порождаемого переменным магнитным полем. Вихревые токи приводят к потерям электроэнергии на нагрев проводника, в… …   Энциклопедический словарьВихревые токи— 54. Вихревые токи Электрические токи в проводящем теле, вызванные электромагнитной индукцией, замыкающиеся по кот уран, образующим односпязиую область Источник: ГОСТ 19880 74: Электротехника.

Основные понятия. Термины и определения оригинал… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документацииВИХРЕВЫЕ ТОКИ— (токи Фуко), замкнутые индукц. токи в массивных проводниках, к рые возникают под действием вихревого электрич.

поля, порождаемого переменным магн. полем. В.

т. приводят к потерям электроэнергии на нагрев проводника, в к ром они возникли; для… …   Естествознание. Энциклопедический словарь

Источники:

• studfiles.net
• www.kakprosto.ru
• dic.academic.ru
• dic.academic.ru

§22. Вихревые токи | Электротехника

Возникновение вихревых токов. Изменяющийся магнитный поток
способен индуцировать э. д. с. не только в проводах или витках катушек, но и в массивных стальных сердечниках, кожухах и других металлических деталях электротехнических установок. Эти э. д. с. являются причиной появлений индуцированных токов, которые действуют в массивных металлических деталях, замыкаясь накоротко в их толще. Такие токи получили название вихревых. Например, при изменении магнитного потока, созданного катушкой 1 (рис. 56, а), в ее стальном сердечнике 2 индуцируются вихревые

Рис. 56. Возникновение вихревых токов

Рис. 57. Устройство сердечников электрических машин и аппаратов из отдельных изолированных стальных листов.

токи, замыкающиеся в плоскости, перпендикулярной силовым линиям магнитного поля. Вихревые токи возникают также в сердечниках 3 якорей и роторов электрических машин при вращении их в магнитном поле (рис. 56, б). Природа вихревых токов такая же, как и токов, индуцированных в обычных проводах или катушках. Благодаря очень малому сопротивлению массивных проводников вихревые токи даже при небольшой индуцированной э. д. с. достигают очень больших значений, вызывая чрезмерное нагревание этих проводников.

Способы уменьшения вредного действия вихревых токов. В электрических машинах и аппаратах вихревые токи обычно нежелательны, так как они вызывают нагрев металлических сердечников, создают потери энергии (так называемые потери от вихревых токов), снижают к. п. д. электрических машин и аппаратов и оказывают согласно правилу Ленца размагничивающее действие. Для уменьшения вредного действия вихревых токов применяют два основных способа.

1. Сердечники электрических машин и аппаратов выполняют из отдельных стальных листов 1 (рис. 57) толщиной 0,35—1,0 мм, изолированных один от другого слоем изоляции 2 (лаковой пленкой, окалиной, образующейся при отжиге листов, и пр.). Благодаря этому преграждается путь распространению вихревых токов и уменьшается поперечное сечение каждого отдельного проводника, через которое протекают эти токи, что приводит к уменьшению силы тока.

2. В состав электротехнической стали, из которой изготовляют сердечники электрических машин и аппаратов, вводят 1—5 % кремния, что обеспечивает повышение ее электрического сопротивления. Благодаря этому достигается снижение силы вихревых токов, протекающих по сердечникам электрических машин и аппаратов.

Потери мощности от вихревых токов пропорциональны квадрату индукции В магнитного поля и квадрату частоты f его изменения. При увеличении индукции и частоты изменения магнитного

Рис. 58. Расплавление металла (а), сварка и пайка (б) металлических деталей с помощью вихревых токов: 1 — тигель с металлом; 2 — высокочастотный индуктор; 3 — сжимающее усилие; 4 — свариваемые трубы; 5 — нагретый металл; 6— пластина из твердого сплава; 7 — резец

Рис. 59. Закалка металлических изделий с помощью вихревых токов: 1-шестерня; 2 – высокочастотный индуктор; 3- нагретый металл; 5 – головка рельса

поля, а также при увеличении частоты вращения роторов и якорей электрических машин эти потери резко возрастают.

Использование вихревых токов. В ряде случаев вихревые токи используют для полезных целей. Например, при помощи вихревых токов расплавляют металлы (рис. 58, а). Для этой цели тигель с металлом помешают в изменяющееся магнитное поле, которое индуцирует вихревые токи, расплавляющие металл. 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). Ввиду того что в этих случаях требуется увеличить тепло, выделяемое вихревыми токами, т. е. получить большие вихревые токи, для индуцирования их используют магнитные поля изменяющиеся с большой скоростью. Такие поля могут быть созданы при помощи специальных индукторов, выполненных в виде одного или нескольких витков, по которым проходят переменные быстро изменяющиеся токи — так называемые токи высокой частоты.

Польза и вред действия токов Фуко

Электрическое поле окружает человека повсеместно, как в производственных процессах, так и в повседневной жизни. Большинство людей даже не подразумевают, что в процессе своей жизнедеятельности сталкиваются с таким явлением, как вихревые токи. Эти токи могут оказывать как положительное, так и негативное влияние на жизнь человека, и нет однозначного ответа: больше от них пользы или вреда.

Французский физик Жанн Фуко, давший вразумительное объяснение вихревым потокам

Так, благодаря данному явлению функционируют индукционные электрические плиты и печи, либо свет включается при нажатии на кнопку. Но в тоже время под воздействием этих потоков теряется энергия в катушках и проводнике, и для ее сохранения приходится применять дополнительные технологические действия. Например, данная технология применима в трансформаторах. Его сердцевина (сердечник) состоит из большого количества мелких и плоских шихтовых пластин, которые прочно соединены друг с другом при помощи лака. Очень часто сердечник дополнительно обтянут шпилькой, основное предназначение которой снизить вихревые токи. В современном мире этот феномен стали называть токи Фуко.

История открытия

Первое понятие о вихревых потоках было упомянуто в 1824 году физиком французского происхождения Д.Ф. Арго (1786-1853), который проводил ряд экспериментов с намагниченной стрелкой, крутящейся над диском из меди. В определенный момент он заметил, что без какого-либо дополнительного воздействия диск начинал крутиться вместе со стрелкой. Точного объяснения данного феномена физик дать не смог, но оно получило наименование «явление Арго».

Спустя некоторое время, Максвелл Фарадей, рассматривавший вихревые токи с точки зрения постулата, основанного на знаниях об электромагнитной индукции, который он же и открыл, сделал заключение, что электрическое поле, исходящее от вращающейся стрелки, оказывает прямое воздействие на атомное строение диска из меди, что и способствует образованию направленного движения заряженных частиц. Электроток способствует образованию электромагнитного поля вокруг медного диска.

Понятие вихревых токов

Более тщательно изучил, а также подробно описал в своих работах вихревые токи французский физик Жанн Фуко (1819-1868), впоследствии данное действие было названо в честь него и получило название актуальное в сегодняшние дни – токи Фуко. Эти токи схожи с индукционными токами, вырабатываемыми электрогенераторами. При наличии постоянного или временного магнитно-вихревого поля в непосредственной близости от проводника обязательно образуются токи Фуко: чем объемнее проводник, тем сильнее будет сила потоков тока.

Мощность вихревых токов

Периодические и непостоянные токи появляются в проводниках только в том случае, когда магнитное поле не одинаково и попеременно меняется в зависимости от силы вращения. Соответственно, сила вихревого потока прямо пропорционально связана с изменением магнитного поля вокруг проводника.

Токи Фуко функционируют немного по другому принципу. Они находятся непосредственно в самом проводнике, образуя замкнутые очертания, напрямую взаимодействуя с магнитным полем, послужившим их появлению. Изучая вихревые токи, русский физик Эмилий Христианович Ленц (1804-1865) пришел к выводу, что магнитное поле вихревых потоков не дает измениться магнитному полю, благодаря которому они зародились. Сила индукционного тока и вихревого потока движется по одному векторному направлению.

Варианты уменьшения силы вихревых потоков

Для увеличения КПД различных технических приборов требуется существенное уменьшение вихревых токов. Для этого требуется увеличение электрического сопротивления магнитопровода. Способ уменьшения вредного воздействия  токов Фуко зависит напрямую от типа электрического оборудования.

Якорные сердечники машин с постоянным током и магнитные провода устройств с переменным током в процессе сборки тщательным образом изолируются друг от друга при помощи специальных пластин из штампованной листовой электротехнической стали, толщина которых может варьироваться от 0,1 до 0,5 мм, и «запекаются» специальными лаками или окалиной. Пластины при этом должны быть расположены параллельно магнитным потокам.

В процессе литья деталей сердечника в его состав добавляются специальные компоненты, к примеру, кремний, увеличивающие силу его электрического сопротивления.

В другом случае при сборке сердечников применяются куски железной проволоки, прошедшие специальную тепловую обработку, которые располагаются строго параллельно магнитному полю. Также дополнительно могут быть использованы специальные изолирующие прокладки.

При такой сборке сердечника сила вихревых потоков существенно снижается, а КПД увеличивается.

Уменьшение мощности вихревых потоков

В магнитных проводах устройств с высокой частотой работы для снижения силы вихревого потока провода тщательно изолируются друг от друга и располагаются в виде спирали (жгута), каждый из которых покрыт специальным изолирующим материалом. Такой метод изоляции получил название – лицендрат. Его применяют на сегодняшний день для снижения потоков Фуко.

В процессе передачи электрической энергии на дальние расстояния применяется особый многожильный кабель, где каждая жила изолирована отдельно, это существенно уменьшает потери электроэнергии, тем самым увеличивая производительность.

Применение токов Фуко

Многие ученные разных времен считали и считают, что негативного воздействия от вихревых потоков куда больше, чем позитивного. Но тем не менее, человечество научилось применять токи Фуко во благо в различных областях жизнедеятельности.

Наиболее широкое применение они получили в промышленной и машиностроительной сферах. Так, на основе этого явления удалось создать насос для перекачки и закалки расплавленных металлов, а в металлургической и промышленной отраслях используются индукционные печи, которые в несколько раз превосходят аналогичные системы, работающие по другому принципу. Плавление и закалка различных металлов возможны только с применением этого явления. Вихревые потоки способствуют торможению и снижению скорости вращения металлических дисков в индукционных тормозах, без этого бы просто не функционировали скоростные поезда на магнитных подвесках. Также без вихревых потоков Фуко не обходятся современные вычислительные приборы и аппараты, вакуумные устройства, где необходима полная откачка воздуха и других газов, принцип работы современных трансформаторов возможен только благодаря применению в их конструкции вихревых потоков. Более того, оборудование, работающее на основе токов Фуко, обладает существенной экономичностью и хорошей производительностью.

Индукционный мотор, работающий на вихревых потоках

Таким образом, такое действие, как токи Фуко, – полезное, легко объяснимое и довольно понятное явление на сегодняшний день, представляет собой вихревые потоки, которые возникают под воздействием электромагнитной индукции в металлическом, а также любом другом проводнике. Вихревые токи Фуко многие ученые современности относят к удивительным явлениям в электротехнике, которые современное общество научилось использовать с пользой для себя, при необходимости доводя их до нужной мощности, уменьшая при надобности и направляя полученную энергию в правильное русло. Жанн Фуко был умным и одаренным человеком, который, помимо объяснения феномена вихревых потоков, сделал немало других важных  открытий, одним из них является нагревание металлических объектов, вертящихся в магнитном потоке благодаря воздействию вихревого тока. Он первым дал вразумительное и достаточно понятное объяснения данного факта.

Применение токов Фуко для торможения дисков в индукционных тормозах

Видео

Оцените статью:

история открытия, способы уменьшения вредного воздействия сил потоков, применение этого явления

Вихревые токи, или токи Фуко — индукционные объемные электрические токи, образующиеся в проводниках благодаря изменению по времени действующего на них потока магнитного поля. Так как сопротивление крупных проводников небольшое, то сила тока Фуко может быть довольно большой. Движение тока в проводнике, согласно правилу Ленца, осуществляется по пути наибольшего сопротивления силам, его вызвавшим.

История открытия явления

Впервые это явление открыл французский ученый Араго в двадцатых годах XIX века. На одной оси он установил медный диск, а над ним магнитную стрелку. Затем он начинал вращать стрелку, в результате чего диск тоже начинал вращаться.

Это явление получило название в честь ученого Араго. Когда Фарадей через несколько лет открыл закон электромагнитной индукции, он смог объяснить это явление. Вращаемое стрелкой магнитное поле приводит к появлению в диске вихревого тока, который и осуществлял его движение.

Более подробно исследованием этого явления занялся физик Фуко, который выявил нагревание металлических тел в результате воздействия на них магнитного поля. Российский физик Ленц также изучал и проводил эксперименты с вихревыми потоками. Он обнаружил, что они никак не влияют на изменение магнитного поля, от которого образовались.

Силы вихревых потоков

Чтобы повысить коэффициент полезного действия любого механизма, необходимо максимально уменьшить силы вихревых потоков. Для этого следует увеличить электрическое сопротивление магнитного провода. Метод снижения воздействия вихревых токов зависит от вида электрического устройства. Подавление токов Фуко осуществляют следующими способами:

1. При сборке трансформаторов сердечники набирают из тонких изолированных пластин. Это позволяет уменьшить степень нагрева от воздействия тока Фуко.
2. Металлические пластины располагают так, чтобы направление вихревого тока было перпендикулярным к их границам.
3. С появлением ферритов, которые обладают большим сопротивлением, стало возможным изготовлять цельные сердечники.

А также во время литья элементов сердечника добавляют кремний, который увеличивает электрическое сопротивление. Иногда применяют при сборке куски металлической проволоки, которые предварительно подвергают термической обработке.

Кроме того, применяют специальные прокладки для изоляции. Такие методы при сборке позволяют гораздо снизить силу токов Фуко, в результате чего увеличивается коэффициент полезного действия любого агрегата.

Магнитные провода в высокочастотном оборудовании тщательно изолируют друг от друга и скручивают в виде жгута. Каждую скрутку покрывают специальным изолирующим элементом. Для передачи электрической энергии на значительные расстояния используют многожильный кабель с изолированными проводами.

Использование в дефектоскопии

Вихретоковый метод контроля является одним из способов проверки структуры разных материалов. Основан он на анализе происходящих изменений во взаимодействии внешнего электромагнитного поля с вихревыми токами исследуемого объекта.

В качестве источника электромагнитного поля используют индуктивную катушку, на основе которой производят дефектоскопы. Этими приборами производят проверку контроля качества электропроводящих материалов:

• металлов и их сплавов;
• полупроводников;
• графитов и т. д.

Электромагнитное поле токов Фуко в проверяемом объекте воздействует на катушку прибора, наводя в ней электродвижущую силу или изменяя электрическое сопротивление. По изменению напряжения на катушке определяют свойства и качество проверяемого объекта.

Кроме дефектоскопов, которые обнаруживают разрывы в поверхности материалов, выпускают приборы для определения структуры и размеров объектов. На основе использования вихревых токов изготовляют аппарат для обнаружения электропроводящих элементов (металлоискатель).

Применение токов Фуко

Специалисты считают, что при применении токов Фуко они больше оказывают вредного воздействия, чем положительного. Но все же они нашли широкое применение в разных областях жизнедеятельности. Особенно это касается следующих сфер:

• металлургической промышленности;
• транспорта;
• вычислительной техники;
• электротехники.

На основе вихревых токов для металлургии производят агрегаты, которые позволяют транспортировать и закалять расплавленные металлы. В этой же промышленности широко используют индукционные печи. По своей производительности они гораздо превосходят аналогичные устройства, работа которых основана на других видах действия.

 

Кроме того, процессы плавления и закалки металлов возможны только с использованием этого явления. На транспорте при передвижении скоростных поездов на магнитных подушках используют тормозные системы, принцип работы которых основан на токах Фуко.

 

Создание современной вычислительной техники и трансформаторов стало возможным только благодаря применению и усовершенствованию в их конструкциях вихревых потоков. А также их используют в вакуумных устройствах, где проводят полную откачку воздуха и других газов.

Такие аппараты отличаются высокой экономичностью и производительностью. В настоящее время физики во многих странах продолжают изучать и экспериментировать с этим явлением. В результате чего удается с каждым годом совершенствовать устройства и оборудования, работающие на принципе вихревых токов.

Вихревые токи

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.

Блок: 1/8 | Кол-во символов: 251
Источник: https://rusenergetics.ru/ustroistvo/toki-fuko

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.

Токи Фуко

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

Блок: 2/8 | Кол-во символов: 535
Источник: https://rusenergetics.ru/ustroistvo/toki-fuko

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.

Блок: 2/8 | Кол-во символов: 597
Источник: https://amperof.ru/teoriya/toki-fuko-ponyatie-primenenie.html

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.

Блок: 2/4 | Кол-во символов: 1077
Источник: https://electric-220.ru/news/vikhrevye_toki_fuko/2016-06-13-975

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:

• с учетом неравномерного распределения электрической проводимости затруднено точное определение траектории токов;
• они будут возникать при перемещении пластины относительно постоянного магнита;
• линии образуют замкнутые контуры в толще образца;
• они расположены перпендикулярно вектору магнитного потока.

Блок: 3/8 | Кол-во символов: 796
Источник: https://amperof.ru/teoriya/toki-fuko-ponyatie-primenenie.html

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.

Блок: 2/5 | Кол-во символов: 1624
Источник: https://www.asutpp.ru/vixrevye-toki.html

Литература

• Сивухин Д. В.: Общий курс физики, том 3. Электричество. 1977
• Савельев И. В.: Курс общей физики, том 2. Электричество. 1970
• Неразрушающий контроль: справочник: В 7т. Под общ. ред. В. В. Клюева. Т. 2: В 2 кн.-М.:Машиностроение, 2003.-688 с.: ил.

Блок: 4/5 | Кол-во символов: 254
Источник: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%B8%D1%85%D1%80%D0%B5%D0%B2%D1%8B%D0%B5_%D1%82%D0%BE%D0%BA%D0%B8

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

Блок: 4/8 | Кол-во символов: 318
Источник: https://rusenergetics.ru/ustroistvo/toki-fuko

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:

• R – электрическое сопротивление;
• Ф – магнитный поток;
• dt – интервал времени.

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:

1. пара или диамагнетики;
2. ферриты;
3. железо.

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:

• проводимость определяет силу и путь прохождения токов;
• ровные поверхности исследовать проще;
• вихревые процессы активизируется при уменьшении рабочей области.

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.

Блок: 6/8 | Кол-во символов: 2827
Источник: https://amperof.ru/teoriya/toki-fuko-ponyatie-primenenie.html

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

Блок: 5/8 | Кол-во символов: 489
Источник: https://rusenergetics.ru/ustroistvo/toki-fuko

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.

Блок: 7/8 | Кол-во символов: 389
Источник: https://amperof.ru/teoriya/toki-fuko-ponyatie-primenenie.html

Видео

Блок: 8/8 | Кол-во символов: 6
Источник: https://amperof.ru/teoriya/toki-fuko-ponyatie-primenenie.html

Кол-во блоков: 19 | Общее кол-во символов: 11195
Количество использованных доноров: 5
Информация по каждому донору:

1. https://www.asutpp.ru/vixrevye-toki.html: использовано 2 блоков из 5, кол-во символов 1831 (16%)
2. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%B8%D1%85%D1%80%D0%B5%D0%B2%D1%8B%D0%B5_%D1%82%D0%BE%D0%BA%D0%B8: использовано 1 блоков из 5, кол-во символов 254 (2%)
3. https://amperof.ru/teoriya/toki-fuko-ponyatie-primenenie.html: использовано 5 блоков из 8, кол-во символов 4615 (41%)
4. https://electric-220.ru/news/vikhrevye_toki_fuko/2016-06-13-975: использовано 2 блоков из 4, кол-во символов 1731 (15%)
5. https://rusenergetics.ru/ustroistvo/toki-fuko: использовано 5 блоков из 8, кол-во символов 2764 (25%)

их применение, определение в трансформаторе

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.

Токи Фуко

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

Свойства вихревых токов

Стоит отметить, что вихревая энергия не отличается от индукционной проводной. По направлению и силе Фуко зависит от металлического проводникового элемента, от того, в каком направлении идет переменный магнитный поток, какие имеет свойства металл и как изменяется магнитный поток. При этом токовое распределение очень сложное.

В проводниковых объектах, имеющих габаритные объемы, токи бывают большими, из-за чего значительно повышается температура тела.

Токовая энергия способна создавать нагревание проводника для индукционной печи и металлического плавления. Подобно другим индукционным разновидностям, Фуко взаимодействуют с первичным магнитным полем и тормозят индуктивное движение.

Нагревание как одно из свойств

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

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

Применение

Нашли вихревые токи применение в электромагнитной индукции. Они используются для того, чтобы тормозить вращающиеся массивные детали. Благодаря магнитоиндукционному торможению они также применяются, чтобы успокоить подвижные части электроизмерительных приборов, в частности, чтобы создать противодействующий момент и притормозить подвижную часть электросчетчиков.

Также используются они в магнитном тормозном диске на электрическом счетчике. В ряде случаев применяются в технологических операциях, которые невозможны без применения высоких частот. К примеру, при откачке воздуха из вакуумных приборов и баллонов с газом. Кроме того, они нужны, чтобы полностью обезгаживать арматуру в высокочастотном генераторе.

Применение в проводниках

Способы уменьшения блуждающих токов

Чтобы уменьшить блуждающие фуковые токи, нужно максимальным образом сделать увеличение сопротивления на токовом пути с помощью заполнения дистиллированной водой циркуляционной системы и встраивания изоляционных шлангов трубопроводов у теплового обменника и вентиля.

Стоит отметить, что нахождение их в электромашинах нежелательно из-за нагрева сердечников и создания энергопотери, поскольку по закону Леннца они размагничивают эти устройства. Чтобы уменьшить их вредное воздействие, используется несколько методов.

Так сердечники машин делают из стали и изолируют друг от друга при помощи лаковой пленки, окалины и прочих материалов. Благодаря этому они не распространяются. Кроме того, поперечный вид сечения на каждом отдельном проводнике уменьшает токовую силу.

В некоторых приборах в качестве сердечников используются катушки с отожженой железной проволокой. При этом полоски на них идут параллельно тем линиям, которые расположены на магнитном потоке.

Обратите внимание! Ограничение вихревой энергии происходит изолирующими прокладками, то есть жгуты состоят из отдельных жил, изолированных между собой.

Уменьшение токовой силы

Возможные проблемы

Вихревые виды проводят энергию и рассеивают ее, выделяя джоулевую теплоту. Такая энергия ротора асинхронной двигательной установки готовится из фурромагнетиков и способствует нагреву сердечников.

Чтобы бороться с подобным явлением, сердечники создаются из тонкой стали, покрываются изоляцией и устанавливаются поперек пластин. Если пластины имеют небольшую толщину, они обладают малой объемной плотностью. Благодаря ферритам и веществам, имеющим большое магнитосопротивление, сердечники делаются сплошными. Направление их ослабляет энергию внутри провода.

В результате он неравномерный. Это явление скин-эффекта или поверхностного эффекта, из-за которого внутренний проводник бесполезен, и в цепях, где есть большая частота, используются проводниковые трубки.

Обратите внимание! Скин-эффект применяется для того, чтобы разогревать поверхностный металл для металлической закалки. При этом закалка может быть проведена на любой глубине.

Проблемы, вызванные индукционными токами

Фуко являются индукционными токами, которые возникают в крупных проводниках сплошного типа. Обозначаются буквой ф. Они имеют свойство нагрева проводников. В результате чего они чаще используются в индукционного типа печах. Важно отметить, что способны генерировать магнитное поле. В этом механизм их работы. В некоторых случаях они полезны, в других нежелательны. В любом случае они используются во многих устройствах.

Что такое вихревые токи и почему они заставляют магнит медленно падать через медную трубу | FIRST4MAGNETS® | БЛОГ

Магниты завораживают — в магнитах есть много вещей, единственное объяснение которых кажется волшебным! Лучшее место, чтобы узнать о явлениях, связанных с магнитами, конечно же, здесь, в нашем блоге и на YouTube. Самые просматриваемые видео, на которых показаны сверхсильные магниты, падающие только через медные трубы, собрали невероятные 8 миллионов просмотров и их количество продолжает расти.

То, что вы видите в этих видеороликах, конечно же, является демонстрацией вихревых токов в действии. Здесь мы объясним, что происходит.

Что такое вихревой ток?

На самом деле не назван в честь человека по имени Эдди — вихревой ток — это вихревой электрический ток, который создается в проводящем металле, таком как медь или сталь, при перемещении металла через магнитное поле или магнитное поле по металлу. Генерируемые токи создают собственное магнитное поле, как и любой ток, протекающий в любом проводнике.Это вновь созданное магнитное поле противостоит (отталкивает) исходному магнитному полю, которое в первую очередь создавало токи, создавая эффект демпфирования.

Вихревые токи наиболее сильны на поверхности проводящего материала и текут небольшими кругами, представляющими «водовороты» в потоке, отсюда и название «вихревые токи».

Так почему же магнит медленно проходит через медную трубу?

В результате создаваемого магнитного отталкивания наблюдается эффект демпфирования. Вот почему, когда вы опускаете сильный магнит на толстую медную трубу, кажется, что магнит опускается медленнее, чем вы ожидаете.Так что здесь происходит? Что ж, это не колдовство или магия, это наука! Когда магнит падает, магнитное поле вокруг него постоянно меняет положение, и это движущееся магнитное поле создает поток вихревых токов на поверхности медной трубы. Все проводящие материалы, включая медь, создают собственное магнитное поле, когда через них проходит ток, как вихревые токи. Когда сила тяжести тянет магнит вниз по трубе, магнитное поле, создаваемое вихревыми токами, сопротивляется магнитному полю, создаваемому магнитом, замедляя его.Это делает просмотр действительно захватывающим!

Как используются вихревые токи?

Помимо классных экспериментов, хвастовство перед друзьями и создание видеороликов на YouTube, вихревые токи имеют много практических применений.

Если вы катались на американских горках, вы были свидетелями действия вихревых токов, поскольку их электромагнитные тормозные системы полагаются на них, чтобы замедлить экипажи. Поскольку между тормозными колодками и барабанами нет контакта, механический износ отсутствует.

Торговые автоматы также используют вихревые токи для обнаружения фальшивых монет. Когда вы кладете монету в машину, за этой блестящей лицевой панелью скрывается целый мир науки. Когда фальшивая монета помещается в машину, она проходит мимо магнита, и, поскольку фальшивая монета сделана из проводящего материала, в отличие от настоящих монет, она замедляется вихревыми токами, создаваемыми в монете, и направляется в ловушку отбраковки.

Возможно, наиболее важным применением вихревых токов является их использование при испытании материалов.Поскольку трещины на поверхности материала будут препятствовать образованию вихревых токов в поврежденной области, вихревые токи можно использовать для обнаружения повреждений или трещин в материале. Особенно полезно, если вы делаете такие вещи, как крылья самолета!

Как создать свой собственный вихретоковый эксперимент

Чтобы продемонстрировать вихревые токи, не нужно быть ученым или инженером. Все, что вам нужно, — это сильный неодимовый магнит и труба из проводящего материала, например меди.На видео выше показан неодимовый магнит диаметром 23 мм и толщиной 20 мм, падающий через большую толстую медную трубу.

Мы думаем, что лучший способ показать вихревые токи в действии — это использовать более тонкую медную трубку и неодимовый кольцевой магнит, как на изображении вверху страницы. Важно, чтобы диаметр медной трубы и внутренний диаметр кольцевого магнита были очень похожи, чтобы между ними оставалось ровно столько места, чтобы надеть кольцо по трубе.

Попробуйте сами с нашим неодимовым кольцевым магнитом диаметром 25 мм и внутренним диаметром 16 мм, идеально подходящим для использования с медной трубкой 15 мм.Если вы действительно хотите удивить своих друзей или семью, вы можете провести демонстрацию с немагнитным неодимовым кольцевым магнитом и наблюдать, как он падает прямо на пол. Если вы затем незаметно поменяете два кольца и повторите с магнитом, ваша аудитория будет очарована, когда магнит будет медленно спускаться по трубе!

Что такое вихревые токи и как работают вихретоковые тормоза?

Спросил: Мэтт Бер

Ответ

Вихревой ток — это вихревой ток, возникающий в проводнике в ответ на изменение магнитного поля.По закону Ленца ток закручивается таким образом, чтобы создать магнитное поле, препятствующее изменению; для этого в проводнике электроны вращаются в плоскости, перпендикулярной магнитному полю.

Из-за тенденции вихревых токов к противодействию, вихревые токи вызывают потерю энергии. Точнее, вихревые токи преобразуют более полезные формы энергии, такие как кинетическая энергия, в тепло, которое, как правило, гораздо менее полезно. Во многих приложениях потеря полезной энергии не особенно желательна, но есть несколько практических приложений.Один в тормозах некоторых поездов. Во время торможения металлические колеса подвергаются воздействию магнитного поля от электромагнита, в результате чего в колесах возникают вихревые токи. Магнитное взаимодействие между приложенным полем и вихревыми токами замедляет колеса. Чем быстрее вращаются колеса, тем сильнее эффект, а это означает, что по мере замедления поезда тормозная сила уменьшается, обеспечивая плавное остановочное движение.
Ответил: Джейсон Хайдекер, бакалавр физики, Западный колледж, Лос-Анджелес

Вихревой ток — это водоворот (как водоворот) тока, который индуцируется в твердой проводящей массе.

Представьте себе квадратную петлю из проволоки, вытянутую из области, через которую проходит однородное магнитное поле перпендикулярно плоскости петли. Что сейчас произойдет?

Индуктивность контура будет сопротивляться изменению магнитного поля внутри него, и будет генерироваться ЭДС. Другими словами, когда петля выходит из поля, в петле будет индуцироваться ток, который вызывает другое магнитное поле той же полярности, что и окружающее поле. Это заставит петлю «притягиваться» к окружающему полю; петля будет ощущаться, как будто ее тянут обратно в поле.Если вы посмотрите на силы, действующие на каждый отдельный участок провода, движущийся в поле, вы увидите, что тот, который перпендикулярен движению петли, вызывает силу, противоположную этому движению.

Механическая энергия, используемая для перемещения петли, будет преобразована в электрическую энергию, приводящую в действие ток в петле. Чем быстрее будет натянута петля, тем сильнее она будет отодвигаться.

Я думаю, что большинство людей могут добраться до этого самостоятельно, но вихревые токи все еще кажутся странными, хотя идея вихревых токов ничем не отличается от этой.

Точно так же, как ток, индуцируемый в петле из проволоки, токовые «водовороты» или «водовороты» — маленькие водовороты тока — могут возникать внутри сплошной проводящей плиты. Хотя внутри плиты нет «провода», индуктивность (все проводники являются индукторами, включая конденсаторы, прежде чем переходные процессы затухают; представьте, что конденсатор действует как короткозамкнутый элемент для высоких частот) плиты заставляет природу перемещать ток так же, как и если бы там была круглая проволока.

Таким образом, если вы переместите плиту в магнитное поле или из магнитного поля, внутри плиты возникнут вихревые токи, которые вызовут такую ​​же противоположную реакцию силам, прилагаемым к плите.

Итак, если вы следовали этому, то, возможно, вы увидите, что я ответил на вопрос задом наперед.

Вихретоковые тормоза просто чрезмерно используют пример, который я привел выше. Возможно, мне нужен еще один пример, чтобы прояснить это. . .

Я помню, как на уроке Frosh E&M мой профессор построил интересный маятник. Позже я обнаружил, что это был обычный эксперимент в классах E&M.

Маятник мог качаться вперед и назад и мог прикрепляться к разным типам токопроводящих колец на его конце.Когда он качался, кольцо на его конце проходило между двумя полюсами очень сильного и огромного магнита (когда его катили в небольшую физическую лабораторию, этот магнит обесцвечивал все ЭЛТ в комнате). . .

Итак, профессор оттягивал маятник назад, позволял ему качаться, и мы наблюдали, что произойдет, когда проводящее кольцо войдет в магнитное поле (и, возможно, выйдет из него).

Первый пример — поместить проводящее кольцо (оно не обязательно должно быть кольцом — кольцо было именно тем, как оно прикреплялось к маятнику; только твердая часть проходила через сильную часть магнитного поля) на конец маятника и дайте ему покатиться.Это проводящее кольцо было твердым, как большой орех. Даже если профессор сильно бросил маятник в поле, как только кольцо вошло между двумя полюсами, оно немедленно остановилось. Вся его кинетическая энергия ушла в движущийся ток внутри проводящего кольца (и я уверен, что сопротивление кольца отдало эту энергию в виде тепла).

Следующий пример — очень похожее кольцо, но в нем есть несколько прорезей. Это все еще было кольцо, но область, проходящая между двумя полюсами, выглядела как потертые края.

На этот раз маятник без проблем качнулся между полюсами — он несколько раз качнулся вперед и назад.

Прорези, вырезанные во втором примере, имели тот же эффект, что и разрыв «петли» в самом первом примере, который я привел в этом ответе. Если вы разорвите цикл, будет сгенерирована ЭДС, но ток не сможет течь. Без тока невозможно создать ни одно поле.

Итак, делая прорези, если будут какие-либо вихревые токи, они будут очень маленькими токами, которые обеспечат очень небольшой отвод кинетической энергии.

Этот тип «динамического торможения» можно расширить. Представьте себе мотор. Если вы замените аккумулятор этого двигателя на лампочку и включите двигатель вручную, лампочка может загореться. Если вы продолжите добавлять больше нагрузок, чем просто электрическая лампочка, все они могут начать работать, но с большим количеством нагрузок будет все труднее и труднее вращать «двигатель-генератор задним ходом». Удаление всех этих нагрузок так, чтобы ничего не соединяло два предыдущих вывода аккумуляторной батареи, заставит двигатель легко вращаться (при условии низкого трения / соответствующего передаточного числа и т. Д.).

Точно так же вы можете нагружать эти пустые провода бесконечной нагрузкой, просто замкнув их вместе. Если магниты достаточно сильные (магнит моего профессора был недостаточно сильным, когда он вырезал прорези в кольце), двигатель не сможет двигаться.

Таким образом ручная дрель автоматически останавливается, когда вы отпускаете спусковой крючок. Если вы внимательно посмотрите на корпус двигателя, вы можете увидеть искру, когда отпустите спусковой крючок. Это происходит, когда аккумулятор отсоединяется от выводов и заменяется коротким замыканием.Собственная кинетическая энергия двигателя пытается направить его в противоположном направлении (это один из способов взглянуть на него) и в конечном итоге очень быстро замедляется до нулевой скорости.

Теперь приступим к творчеству. . . что делать, если заменить короткое замыкание на незаряженный конденсатор. При коротком замыкании кинетическая энергия вызывает сильный ток в двигателе, который вызывает силу, противодействующую движению двигателя. . . Но эта кинетическая энергия имеет ограниченный запас, и как только она перестанет создавать поле, энергия будет выделяться в виде тепла от сопротивления провода.ОДНАКО, если вы поместите туда конденсатор, вы можете начать улавливать часть этой энергии и хранить ее там. ОДНАКО, если вы не будете осторожны, энергия конденсатора начнет разряжаться в двигатель и пытаться его раскрутить. . . и у вас есть очень странный маленький осциллятор.

Так что, если бы у вас был умный способ динамического торможения, который позволил бы вам зарядить конденсатор как можно больше, а затем отсоединить конденсатор и заменить его коротким (или аналогичным). . . а что если заменить конденсатор на аккумулятор.. .

Тогда у вас есть не только действительно интересная тормозная система, для работы которой не требуется трение, но и вместо того, чтобы тратить всю эту энергию на тепло, вы можете сохранить большую ее часть обратно в батарею, которая заставляет вас двигаться. первое место . . .

Вы можете продлить это дальше. Такие устройства, как Segway, на самом деле используют такую ​​же технологию для зарядки своих аккумуляторов не только при торможении, но и при спуске с горы.

Итак, в моих последних нескольких примерах они не имели ничего общего с вихревыми токами — если вы хотите улавливать эту энергию, вы должны сами построить цепь — вы не можете позволить природе делать это за вас в водоворотах.Также сложно динамически тормозить вихревыми токами — нельзя просто добавить щели и убрать их по прихоти.

Вихревые токи действительно играют роль в таких вещах, как трансформаторы, поэтому трансформаторы обычно изготавливаются из многослойных сердечников, которые предотвращают появление вихревых токов.

Когда катушка с проволокой окружает ферромагнитный сердечник, например, железо трансформатора, ИЗМЕНЯЕМОЕ магнитное поле индуцирует в сердечнике вихревой ток, который также оказывается проводящим.Если вы построите сердечник из большого количества слоев, разделенных изолятором, вы можете предотвратить появление вихревых токов. Предотвращение возникновения вихревых токов в трансформаторах предотвращает потерю мощности (токи в резистивных материалах вызывают потерю мощности) в трансформаторе. Есть и другие источники потерь мощности в трансформаторе, но они намного сложнее. Даже самый простой [умеренно большой] трансформатор (не обязательно дроссели), скорее всего, будет иметь ламинированный сердечник.
Ответил: Тед Павлик, студент-электротехник, Ohio St.

Вихревые токи и магнитное затухание

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Объясните величину и направление индуцированного вихревого тока и влияние, которое он окажет на объект, в котором он индуцируется.
• Опишите несколько применений магнитного демпфирования.

Вихревые токи и магнитное затухание

Как обсуждалось в «ЭДС движения», ЭДС движения индуцируется, когда проводник движется в магнитном поле или когда магнитное поле движется относительно проводника.Если подвижная ЭДС может вызвать токовую петлю в проводнике, мы называем этот ток вихревым током . Вихревые токи могут вызывать значительное сопротивление, называемое магнитным демпфированием , при движении. Рассмотрим устройство, показанное на рисунке 1, которое раскачивает маятник между полюсами сильного магнита. (Это еще одно излюбленное занятие в лаборатории физики.) Если боб металлический, то при входе в поле и выходе из поля он испытывает значительное сопротивление, что быстро гасит движение.Однако, если боб представляет собой металлическую пластину с прорезями, как показано на Рисунке 1 (b), эффект от магнита будет гораздо меньше. Заметного воздействия на боб из изолятора не наблюдается. Почему существует торможение в обоих направлениях и есть ли применение магнитному сопротивлению?

Рис. 1. Обычное физическое демонстрационное устройство для исследования вихревых токов и магнитного затухания. (а) Движение металлического маятника, раскачивающегося между полюсами магнита, быстро затухает под действием вихревых токов.(b) Есть небольшое влияние на движение металлического боба с прорезями, что означает, что вихревые токи становятся менее эффективными. (c) На непроводящем бобе также отсутствует магнитное затухание, поскольку вихревые токи чрезвычайно малы.

На рисунке 2 показано, что происходит с металлической пластиной, когда она входит в магнитное поле и выходит из него. В обоих случаях он испытывает силу, противодействующую его движению. Когда он входит слева, поток увеличивается, и поэтому возникает вихревой ток (закон Фарадея) в направлении против часовой стрелки (закон Ленца), как показано.Только правая сторона токовой петли находится в поле, так что слева на нее действует сила, не оказывающая сопротивления (RHR-1). Когда металлическая пластина полностью находится внутри поля, вихревой ток отсутствует, если поле однородно, поскольку поток остается постоянным в этой области. Но когда пластина покидает поле справа, поток уменьшается, вызывая вихревой ток по часовой стрелке, который, опять же, испытывает силу слева, еще больше замедляя движение. Аналогичный анализ того, что происходит, когда пластина поворачивается справа налево, показывает, что ее движение также затухает при входе в поле и выходе из него.

Рис. 2. Более подробный взгляд на проводящую пластину, проходящую между полюсами магнита. Когда он входит в поле и выходит из него, изменение потока создает вихревой ток. Магнитная сила на токовой петле препятствует движению. Когда пластина полностью находится внутри однородного поля, нет ни тока, ни магнитного сопротивления.

Когда металлическая пластина с прорезями входит в поле, как показано на рисунке 3, ЭДС индуцируется изменением магнитного потока, но это менее эффективно, поскольку прорези ограничивают размер токовых петель.Более того, в соседних контурах есть токи в противоположных направлениях, и их эффекты нейтрализуются. Когда используется изолирующий материал, вихревые токи чрезвычайно малы, поэтому магнитное затухание на изоляторах незначительно. Если необходимо избегать вихревых токов в проводниках, они могут быть выполнены с прорезями или состоять из тонких слоев проводящего материала, разделенных изоляционными листами.

Рис. 3. Вихревые токи, индуцированные в металлической пластине с прорезями, входящие в магнитное поле, образуют небольшие петли, и силы на них имеют тенденцию нейтрализоваться, тем самым делая магнитное сопротивление почти нулевым.

Применения магнитного демпфирования

Одно из применений магнитного демпфирования встречается в чувствительных лабораторных весах. Для максимальной чувствительности и точности весы должны быть максимально свободными от трения. Но если он без трения, то будет очень долго колебаться. Магнитное демпфирование — простое и идеальное решение. При магнитном демпфировании сопротивление пропорционально скорости и обращается в ноль при нулевой скорости. Таким образом, колебания быстро затухают, после чего демпфирующая сила исчезает, что делает баланс очень чувствительным.(См. Рис. 4.) В большинстве весов магнитное демпфирование достигается с помощью проводящего диска, который вращается в фиксированном поле.

Рис. 4. Магнитное демпфирование этих чувствительных весов замедляет их колебания. Поскольку закон индукции Фарадея дает наибольший эффект при самых быстрых изменениях, демпфирование наибольшее для больших колебаний и стремится к нулю при остановке движения.

Поскольку вихревые токи и магнитное затухание возникают только в проводниках, центры переработки могут использовать магниты для отделения металлов от других материалов.Мусор партиями сбрасывается по пандусу, под которым находится мощный магнит. Проводники в мусоре замедляются из-за магнитного демпфирования, в то время как неметаллы в мусоре движутся дальше, отделяясь от металлов. (См. Рисунок 5.) Это работает для всех металлов, а не только для ферромагнитных. Магнит может отделить ферромагнитные материалы самостоятельно, воздействуя на неподвижный мусор.

Рис. 5. Металлы можно отделить от другого мусора с помощью магнитного сопротивления. В металлах создаются вихревые токи и магнитное сопротивление, которые направляются вниз по этой рампе мощным магнитом под ним.Неметаллы идут дальше.

Другие основные области применения вихревых токов — это металлодетекторы и тормозные системы в поездах и американских горках. Переносные металлоискатели (рис. 6) состоят из первичной катушки, по которой проходит переменный ток, и вторичной катушки, в которой индуцируется ток. В куске металла рядом с детектором будет индуцироваться вихревой ток, который вызовет изменение индуцированного тока во вторичной катушке, что приведет к возникновению какого-то сигнала, такого как пронзительный шум.Торможение с использованием вихревых токов более безопасно, поскольку такие факторы, как дождь, не влияют на торможение и торможение более плавное. Однако вихревые токи не могут полностью остановить движение, поскольку создаваемая сила уменьшается со скоростью. Таким образом, скорость может быть уменьшена с, скажем, 20 м / с до 5 м / с, но для полной остановки транспортного средства требуется другая форма торможения. Как правило, в американских горках используются мощные редкоземельные магниты, такие как неодимовые магниты. На рисунке 7 показаны ряды магнитов в таком приложении.У транспортного средства есть металлические ребра (обычно содержащие медь), которые проходят через магнитное поле, замедляя транспортное средство, почти так же, как в случае с маятниковым бобом, показанным на Рисунке 1.

Рис. 6. Солдат в Ираке использует металлоискатель для поиска взрывчатых веществ и оружия. (Источник: армия США)

Рис. 7. Ряды редкоземельных магнитов (выступающие горизонтально) используются для магнитного торможения в американских горках. (Источник: Стефан Шеер, Wikimedia Commons)

Индукционные варочные панели имеют под поверхностью электромагниты.Магнитное поле быстро изменяется, вызывая вихревые токи в основании горшка, вызывая повышение температуры горшка и его содержимого. Индукционные варочные панели обладают высокой эффективностью и хорошим временем отклика, но для работы индукционной плиты основание кастрюли должно быть ферромагнитным, железным или стальным.

Сводка раздела

• Токовые петли, наведенные в движущихся проводниках, называются вихревыми токами.
• Они могут создавать значительное сопротивление, называемое магнитным демпфированием.

Концептуальные вопросы

1. Объясните, почему магнитное демпфирование может быть неэффективным для объекта, состоящего из нескольких тонких проводящих слоев, разделенных изоляцией.
2. Объясните, как электромагнитную индукцию можно использовать для обнаружения металлов? Этот метод особенно важен при обнаружении заглубленных мин для их захоронения, геофизических исследований и в аэропортах.

Задачи и упражнения

1. Нарисуйте рисунок, аналогичный рисунку 2, но с маятником, движущимся в противоположном направлении. Затем используйте закон Фарадея, закон Ленца и RHR-1, чтобы показать, что магнитная сила противодействует движению.

Рис. 8. Катушка перемещается в область однородного магнитного поля и выходит из нее.

2. Катушка перемещается через магнитное поле, как показано на рисунке 8. Поле однородно внутри прямоугольника и равно нулю снаружи. Каково направление индуцированного тока и каково направление магнитной силы на катушке в каждом показанном положении?

Глоссарий

вихретоковый:

токовая петля в проводнике, вызванная двигательной ЭДС

магнитное демпфирование:

сопротивление, создаваемое вихревыми токами

Как создать вихревые токи? — Магнитный блог — Новости

Вихревые токи также известны как «ток Фуко» на английском языке.Это электрические токи, которые при использовании вихретокового сепаратора изменяются во времени, разрезая даже самые мелкие цветные металлы.

Сначала давайте проясним, как это работает. Для этого мы должны более внимательно изучить принцип и действие вихревых токов. Это разные электрические токи, которые создаются внутри так называемой проводящей массы. Их можно создать двумя разными способами: либо за счет смещения проводящей массы внутри магнитного поля. Либо с помощью внешнего магнитного потока, который вызывает изменение во времени.

Результатом этих изменений является создание вихрей, если магнитное поле постоянно во времени, но пространственно неоднородно, а проводящая масса движется. Текущее название вихревых токов было выбрано, потому что текущие вихревые линии независимы и выглядят как вихри.

Эти вихри создают магнитное поле, которое может использовать высокие частоты для перемещения тока из центра нашего проводника. Если вы добавите электрическое сопротивление, из-за этого эффекта он станет горячим.Используя уравнения Максвелла, можно рассчитать активные силы в этом сценарии и точное распределение тока. Мы уже говорили о уравнениях Максвелла ранее в нашем блоге.

Чтобы сформировать сепаратор Eddy, вам понадобится цепная конвейерная система и магнитный ротор, который прикреплен к концу конвейерной ленты и работает на высокой скорости. Таким образом может быть создано индукционное поле, которое, в свою очередь, создает быстро меняющееся магнитное поле. Все электропроводящие частицы, которые направляются по этой конвейерной системе, на короткое время намагничиваются магнитным полем и, следовательно, автоматически «разрезаются» и сортируются.Цветные металлы, такие как алюминий, латунь или медь, можно отделить от остальных. В целом, материалы с более низкой плотностью и хорошей электропроводностью лучше режутся паразитными токами.

Где используется сепаратор Eddy?

Фрезы для обработки цветных металлов используются во многих отраслях промышленности. Например, в промышленности по переработке стекла, где паразитные токи устраняют алюминиевые крышки. В производстве древесины латунные ручки и петли классифицируются непосредственно в секции обращения с электроникой и бытовыми отходами.

В зависимости от того, что мы хотим использовать, базовая модель сепаратора Eddy может быть улучшена за счет дополнительных деталей. Например, вы можете добавить разделительный контейнер или перегородку. Это зависит от потребностей.

Если у вас есть какие-либо вопросы о фрезы для цветных металлов или если вас интересуют другие товары из нашего магазина, вы можете связаться с нами в любое время и без каких-либо обязательств.

13,5 Вихревые токи — Университетская физика, том 2

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Объясните, как в металлах создаются вихревые токи
• Опишите ситуации, когда вихревые токи полезны, а где нет

Как обсуждалось в двух разделах ранее, ЭДС движения индуцируется, когда проводник движется в магнитном поле или когда магнитное поле движется относительно проводника.Если движущаяся ЭДС может вызвать ток в проводнике, мы называем этот ток вихревым током .

Магнитное демпфирование

Вихревые токи могут вызывать значительное сопротивление, называемое магнитным демпфированием , при движении. Рассмотрим устройство, показанное на рис. 13.20, которое раскачивает маятник между полюсами сильного магнита. (Это еще одна излюбленная демонстрация физики.) Если боб металлический, на боб действует значительное сопротивление, когда он входит в поле и покидает его, быстро демпфируя движение.Однако, если боб представляет собой металлическую пластину с прорезями, как показано в части (b) рисунка, магнит производит гораздо меньший эффект. Заметного воздействия на боб из изолятора не наблюдается. Почему сопротивление возникает в обоих направлениях и есть ли применение магнитному сопротивлению?

Рис. 13.20 Обычное физическое демонстрационное устройство для исследования вихревых токов и магнитного затухания. (а) Движение металлического маятника, раскачивающегося между полюсами магнита, быстро затухает под действием вихревых токов.(b) Есть небольшое влияние на движение металлического боба с прорезями, что означает, что вихревые токи становятся менее эффективными. (c) На непроводящем бобе также отсутствует магнитное затухание, поскольку вихревые токи чрезвычайно малы.

На рис. 13.21 показано, что происходит с металлической пластиной, когда она входит в магнитное поле и выходит из него. В обоих случаях он испытывает силу, противодействующую его движению. Когда он входит слева, поток увеличивается, создавая вихревой ток (закон Фарадея) в направлении против часовой стрелки (закон Ленца), как показано.Только правая сторона токовой петли находится в поле, поэтому на нее слева действует беспрепятственная сила (RHR-1). Когда металлическая пластина полностью находится внутри поля, вихревой ток отсутствует, если поле однородно, поскольку поток остается постоянным в этой области. Но когда пластина покидает поле справа, поток уменьшается, вызывая вихревой ток по часовой стрелке, который, опять же, испытывает силу слева, еще больше замедляя движение. Аналогичный анализ того, что происходит, когда пластина поворачивается справа налево, показывает, что ее движение также затухает при входе в поле и выходе из него.

Рисунок 13.21 Более подробный взгляд на проводящую пластину, проходящую между полюсами магнита. Когда он входит в поле и выходит из него, изменение потока создает вихревой ток. Магнитная сила на токовой петле препятствует движению. Когда пластина полностью находится внутри однородного поля, нет ни тока, ни магнитного сопротивления.

Когда металлическая пластина с прорезями входит в поле (рисунок 13.22), ЭДС индуцируется изменением магнитного потока, но она менее эффективна, поскольку прорези ограничивают размер токовых петель.Более того, в соседних контурах есть токи в противоположных направлениях, и их эффекты нейтрализуются. Когда используется изоляционный материал, вихревые токи чрезвычайно малы, поэтому магнитное затухание на изоляторах незначительно. Если необходимо избежать вихревых токов в проводниках, они должны быть выполнены с прорезями или состоять из тонких слоев проводящего материала, разделенных изоляционными листами.

Рис. 13.22 Вихревые токи, индуцированные в металлической пластине с прорезями, входящие в магнитное поле, образуют небольшие петли, и силы на них имеют тенденцию нейтрализоваться, тем самым делая магнитное сопротивление почти нулевым.

Применение магнитного демпфирования

Одно из применений магнитного демпфирования встречается в чувствительных лабораторных весах. Для максимальной чувствительности и точности весы должны быть максимально свободными от трения. Но если он без трения, то будет очень долго колебаться. Магнитное демпфирование — простое и идеальное решение. При магнитном демпфировании сопротивление пропорционально скорости и обращается в ноль при нулевой скорости. Таким образом, колебания быстро затухают, после чего демпфирующая сила исчезает, что позволяет весам быть очень чувствительными ( Рисунок 13.23 ). В большинстве весов магнитное демпфирование достигается с помощью проводящего диска, который вращается в фиксированном поле.

Рисунок 13.23 Магнитное демпфирование этих чувствительных весов замедляет их колебания. Поскольку закон индукции Фарадея дает наибольший эффект при самых быстрых изменениях, демпфирование наибольшее для больших колебаний и стремится к нулю при остановке движения.

Поскольку вихревые токи и магнитное затухание возникают только в проводниках, центры переработки могут использовать магниты для отделения металлов от других материалов.Мусор партиями сбрасывается по пандусу, под которым находится мощный магнит. Проводники в мусоре замедляются из-за магнитного демпфирования, в то время как неметаллы в мусоре движутся дальше, отделяясь от металлов (рис. 13.24). Это работает для всех металлов, а не только для ферромагнитных. Магнит может отделить ферромагнитные материалы самостоятельно, воздействуя на неподвижный мусор.

Рис. 13.24 Металлы можно отделить от другого мусора с помощью магнитного сопротивления. В металлах создаются вихревые токи и магнитное сопротивление, которые направляются вниз по этой рампе мощным магнитом под ним.Неметаллы идут дальше.

Другие основные области применения вихревых токов появляются в металлодетекторах и тормозных системах в поездах и американских горках. Переносные металлоискатели (рис. 13.25) состоят из первичной катушки, по которой проходит переменный ток, и вторичной катушки, в которой индуцируется ток. В куске металла рядом с детектором индуцируется вихревой ток, вызывая изменение наведенного тока во вторичной катушке. Это может вызвать какой-то сигнал, например пронзительный шум.

Рисунок 13.25 Солдат в Ираке использует металлоискатель для поиска взрывчатых веществ и оружия. (Источник: армия США)

Торможение с использованием вихревых токов более безопасно, поскольку такие факторы, как дождь, не влияют на торможение и торможение более плавное. Однако вихревые токи не могут полностью остановить движение, поскольку создаваемая тормозная сила уменьшается с уменьшением скорости. Таким образом, скорость может быть уменьшена с, скажем, 20 м / с до 5 м / с, но для полной остановки транспортного средства требуется другая форма торможения. Обычно в американских горках используются мощные редкоземельные магниты, такие как неодимовые магниты.На рисунке 13.26 показаны ряды магнитов в таком приложении. У транспортного средства есть металлические ребра (обычно содержащие медь), которые проходят через магнитное поле, замедляя транспортное средство почти так же, как и в случае с маятниковым бобом, показанным на рисунке 13.20.

Рисунок 13.26 Ряды редкоземельных магнитов (выступающие горизонтально) используются для магнитного торможения в американских горках. (кредит: Стефан Шеер)

Индукционные варочные панели имеют под поверхностью электромагниты. Магнитное поле быстро изменяется, создавая вихревые токи в основании горшка, вызывая повышение температуры горшка и его содержимого.Индукционные варочные панели обладают высокой эффективностью и хорошим временем отклика, но для работы индукционной плиты в основании кастрюли должны быть проводники, такие как железо или сталь.

Сводка

• Токовые петли, наведенные в движущихся проводниках, называются вихревыми токами. Они могут создавать значительное сопротивление, называемое магнитным демпфированием.
• Манипулирование вихревыми токами привело к появлению таких приложений, как металлодетекторы, торможение в поездах или американских горках, а также индукционные варочные панели.

Концептуальные вопросы

Проводящий лист лежит в плоскости, перпендикулярной магнитному полю [латекс] \ stackrel {\ to} {\ textbf {B}} [/ latex], которое находится под листом.Если [латекс] \ stackrel {\ to} {\ textbf {B}} [/ latex] колеблется с высокой частотой, а проводник сделан из материала с низким удельным сопротивлением, область над листом эффективно защищена от [латекса] \ stackrel {\ to} {\ textbf {B}} [/ latex]. Объяснить, почему. Будет ли проводник экранировать эту область от статических магнитных полей?

Показать решение

Проводящий лист защищен от изменяющихся магнитных полей путем создания наведенной ЭДС. Эта наведенная ЭДС создает индуцированное магнитное поле, которое противодействует любым изменениям магнитных полей из поля под ним.Следовательно, в области над этим слоем нет чистого магнитного поля. Если бы поле было вызвано статическим магнитным полем, индуцированная ЭДС не возникнет, так как вам нужен изменяющийся магнитный поток, чтобы вызвать ЭДС. Следовательно, это статическое магнитное поле не будет экранировано.

Электромагнитное торможение может быть достигнуто путем приложения сильного магнитного поля к вращающемуся металлическому диску, прикрепленному к валу. а) Как магнитное поле может замедлить вращение диска? б) Работали бы тормоза, если бы диск был сделан из пластика, а не из металла?

Катушка перемещается через магнитное поле, как показано ниже.Поле однородное внутри прямоугольника и нулевое снаружи. Каково направление индуцированного тока и каково направление магнитной силы на катушке в каждом показанном положении?

Показать решение

а. нулевой индуцированный ток, нулевая сила; б. ток наведенный по часовой стрелке, сила слева; c. нулевой индуцированный ток, нулевая сила; d. ток, индуцированный против часовой стрелки, сила слева; е. нулевой индуцированный ток, нулевое усилие.

Глоссарий

магнитное демпфирование

сопротивление, создаваемое вихревыми токами

вихретоковый

токовая петля в проводнике, вызванная двигательной ЭДС

Лицензии и авторство

Eddy Currents. Автор : OpenStax College. Расположен по адресу : https://openstax.org/books/university-physics-volume-2/pages/13-5-eddy-currents. Лицензия : CC BY: Attribution . Условия лицензии : Загрузите бесплатно с https://openstax.org/books/university-physics-volume-2/pages/1-introduction

Вихревые токи

Вихревые токи
Следующая: Генератор переменного тока вверх: магнитная индукция Предыдущая: Motional Emf В приведенном выше примере мы видели, что когда проводник перемещается в магнитном поле, поле возникает двигательная ЭДС.Более того, согласно рабочему примеру 9.3, эта ЭДС управляет током. который нагревает проводник, а в сочетании с магнитным поле, также вызывает магнитную силу, действующую на проводник, которая противодействует его движение. Оказывается, это довольно общие результаты. Между прочим, индуцированные токи, которые циркулируют внутри движущегося проводника в статическом магнитном поле. поле, или неподвижный проводник в изменяющемся во времени магнитном поле, обычно называют вихревые токи .

Рассмотрим металлический диск, который вращается в перпендикулярном магнитном поле, которое только распространяется на небольшую прямоугольную часть диска, как показано на рис.37. Такое поле могло быть создано полюсом подковообразного магнита. Движущаяся ЭДС, индуцированная в диске, когда он движется через содержащую поле регион, действует в направлении , где скорость диска и магнитное поле. Следует Из рис. 37 видно, что ЭДС действует вниз. ЭДС управляет токами, которые также направлен вниз. Однако эти токи должны образовывать замкнутые контуры, и, следовательно, они направлены вверх в тех областях диска, которые непосредственно примыкают к в область, содержащую поле, как показано на рисунке.Видно, что индуцированные токи текут небольшими вихрями. Отсюда и название « вихревые токи ». Согласно правилу правой руки, нисходящие токи в поле, содержащем области вызывают магнитную силу на диске, которая действует вправо. Другими словами, магнитная сила препятствует вращению диска. Ясно, что над диском должна производиться внешняя работа, чтобы он оставался вращающийся с постоянной угловой скоростью. Эта внешняя работа в конечном итоге рассеивается как тепло вихревыми токами, циркулирующими внутри диска.

Рисунок 37: Вихревые токи

Вихревые токи могут быть очень полезны. Например, некоторые кухонные плиты работают, используя вихревые токи. Кастрюли, которые обычно изготавливаются из алюминия, размещаются на пластинах, создающих колебательные магнитные поля. Эти поля вызывают вихревые токи в горшках, которые нагревают их. Затем тепло передается к еде внутри горшков. Этот тип плиты особенно полезен для пища, которую необходимо готовить постепенно в течение длительного периода времени: i.е. , г. в течение многих часов или даже дней. Вихревые токи также можно использовать для нагрева небольших кусочки металла, пока они не станут раскаленными добела, поместив их в очень быстро колеблющееся магнитное поле. Этот метод иногда используется при пайке. Нагревание проводников с помощью вихревых токов называется индукционным нагревом . Вихревые токи также можно использовать для гашения движения. Это техника, которая называется демпфирование вихревых токов , часто используется в гальванометрах.

---

Следующая: Генератор переменного тока вверх: магнитная индукция Предыдущая: Motional Emf

Ричард Фицпатрик 2007-07-14

Вихревые токи

Производство магнитного потока мгновенно пропорционально току катушки i.Строго говоря, это верно только для магнитных цепей, которые не содержат никаких электропроводящих путей магнитного потока. Когда уровень магнитного потока изменяется (то есть повышается или понижается) на пути / среде, которая также может проводить электрический ток, например, в железе, по закону Фарадея возникают циркулирующие вихревые токи.

(Закон Фарадея гласит, что напряжение, индуцированное в любом замкнутом пути в пространстве, пропорционально скорости изменения во времени чистого магнитного потока, который течет через площадь поперечного сечения замкнутого пути.Если замкнутый путь находится в электропроводящей среде, тогда вокруг этого замкнутого пути будет циркулирующий ток, пропорциональный генерируемому напряжению и электропроводности среды).

Эти вихревые токи, в свою очередь, будут создавать реакционный магнитный поток, который будет стремиться нейтрализовать часть или весь исходный поток возбуждения. Направление потока вихревых токов можно определить по «правилу правой руки» и по требованию, чтобы реакционный магнитный поток, создаваемый вихревыми токами, протекал в направлении, противоположном потоку возбуждающего потока.Образование вихревых токов по простому цилиндрическому пути в чугуне показано на рисунке 4.11.

Из-за вихревых токов в проводящих средах мгновенно не возникает магнитный поток. Всегда будет временная «задержка» между потоком потока и возбуждающим MMF. Простое представление этого эффекта временной задержки в магнитной эквивалентной схеме может быть получено путем включения последовательно «индуктивных» элементов с элементами сопротивления, которые представляют собой электрически проводящие пути.Например, структура, показанная на рисунке 4.4, имеет два магнитных пути, которые сделаны из ферромагнитного материала: путь сердечника и путь якоря.

Мы включаем эффекты вихревых токов в эти два пути, размещая индуктивные элементы последовательно с отражающими элементами, которые представляют эти пути. Эта модифицированная схема показана на рисунке 4.12.

Значение индуктивного элемента для каждого магнитного пути в проводящей среде является функцией геометрии поперечного сечения пути, электропроводности материала и эффективной длины пути.В простой цилиндрической конструкции на рис. 4.11 легко показать, что эквивалентная индуктивность вихревых токов L _e равна

.

, где L — осевая длина проводника, а ϱ _r — удельное электрическое сопротивление материала. Магнитное сопротивление этого пути

, где µ _м — магнитная проницаемость материала, A — площадь поперечного сечения = πr ² , а r — радиус цилиндра.Магнитная постоянная времени τ _e этого цилиндрического пути тогда равна

.

В качестве типичных значений пусть материал представляет собой стержень из магнитного железа радиусом 1,5 мм с µ _м = ˜ 2000µ _o и ϱ _r = 10 ^-5 Ом-см. Таким образом,

Если такой стержень используется в качестве магнитного сердечника в магнитном выключателе, и если мы хотим точно предсказать время отклика выключателя в течение временных интервалов такой величины, мы должны обязательно включить в наши расчеты эффекты вихревых токов.Мы больше не можем использовать простые результаты для потока в зазоре, рассчитанные по статической схеме на рис. 4.4. Скорее, мы должны использовать динамическую схему, показанную на рис. 4.12. Результаты, подобные приведенным на рисунках 4.9 и 4.10, рассчитанные с использованием статических эквивалентных магнитных цепей, являются оптимистичными при прогнозируемых временных интервалах, равных или меньших постоянных времени вихревых токов элементов конструкции.

Для магнитного тракта прямоугольного поперечного сечения с отношением длин сторон k эквивалентная индуктивность вихревых токов может быть равна

.

Длина пути вихревых токов в магнитопроводе прямоугольного сечения больше, чем в магнитопроводе с круглым сечением.Таким образом, при одинаковой электропроводности эффективная индуктивность вихревых токов в прямоугольном проводнике ниже.

Чтобы смягчить эффекты вихревых токов в магнитных материалах, мы видим из уравнений 4.16 и 4.

No related posts.