|
|
 |
|
Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии
|
Общий каталог эффектов
 | Вихревые токи (токи Фуко) |
 |
Вихревые токи в массивных проводниках
Описание
Токи Фуко (вихревые токи) – это замкнутые электрические токи в массивном проводнике, возникающие при изменении пронизывающего его магнитного потока (рис. 1 или анимация). При этом величина возникающей электродвижущей силы в элементарном контуре задается законом электромагнитной индукции (законом Фарадея):
,
где
– электродвижущая сила, возникающая в элементарном контуре,
– поток внешнего магнитного поля, пронизывающий элементарный контур,
k – постоянная, зависящая от выбора системы единиц:
k = 1 в системе СИ , а в системе СГС
k = 1/c (
c скорость света).
Схематическое изображение возникающих вихревых токов
в проводнике при изменении пронизывающего его потока вектора магнитной индукции
Рис. 1
I – изменяющийся ток обмотки сердечника, вызывающий переменное во времени магнитное поле
Таким образом, токи Фуко являются индукционными токами, они образуются либо вследствие изменения во времени магнитного поля, в котором находится проводник, либо в результате движения проводящего тела в магнитном поле, приводящего к изменению магнитного потока через тело или какую-либо его часть. Токи Фуко замыкаются непосредственно в проводящей массе, образуя вихреобразные контуры. Направления вихревых токов определяются правилом Ленца. Согласно правилу Ленца, магнитное поле вихревого тока направленно так, чтобы противодействовать изменению магнитного потока, индуцирующему эти вихревые токи.
Вихревые токи приводят к неравномерному распределению магнитного потока по сечению магнитопровода. Это объясняется тем, что в центре сечения магнитопровода напряженность магнитного поля вихревого тока, направленная навстречу основному магнитному потоку, имеет наибольшее значение. В результате такого «вытеснения» поля при высоких частотах поток проходит лишь в тонком поверхностном слое сердечника. Это явление называется магнитным скин-эффектом. Этот эффект является нежелательным для магнитопроводов.
В соответствии с законом Джоуля-Ленца, токи Фуко нагревают проводники, в которых они возникли, что приводит к потерям энергии. Для их уменьшения и снижения эффекта «вытеснения» магнитного поля магнитопроводы изготавливают не из сплошного куска, а из изолированных друг от друга отдельных пластин, заменяют ферромагнитные материалы магнитодиэлектриками и др. Явление нагревания проводников токами Фуко используется для плавки и поверхностной закалки металлов, для обезгаживания элементов арматуры вакуумных приборов и т.д.
Вихревые токи возникают и в самом проводнике, по которому течет переменный ток, что приводит к неравномерному распределению тока по сечению проводника. В моменты увеличения тока в проводнике индукционные вихревые токи направлены у поверхности проводника по первичному току, а у оси проводника – навстречу току. В результате внутри проводника ток уменьшается, а на поверхности увеличивается (ток «вытесняется» на поверхность проводника). Это явление называется электрическим скин-эффектом.
Взаимодействие вихревых токов с основным магнитным потоком приводит проводящее тело в движение. Это явление используется в измерительной технике, в машинах переменного тока и т.д.
Ключевые слова
Разделы наук
Используется в научно-технических эффектах
Используется в областях техники и экономики
Используются в научно-технических эффектах совместно с данным эффектом естественнонаучные эффекты
Применение эффекта
Закалка поверхности металла.
Через металлические детали, нуждающиеся в закалке, пропускают высокочастотный электрический ток. В результате совместного действия скин-эффекта и теплового воздействия токов Фуко поверхность проводника сильно разогревается, происходит ее закалка.
Обезгаживание арматуры вакуумных приборов.
При изготовлении вакуумных приборов (радиоламп, кинескопов и т. д.) из баллона необходимо тщательно откачать воздух и иные газы. Однако в металлической арматуре, находящейся внутри баллона, имеются остатки газа, которые можно удалить только после заваривания баллона. Для полного обезгаживания арматуры вакуумный прибор помещают в поле высокочастотного генератора, в результате действия вихревых токов арматура нагревается до сотен градусов, остатки газа при этом нейтрализуются.
Реализации эффекта
Пусть имеется сердечник из металлического материала. Поместим этот сердечник в катушку, по которой пропустим переменный ток. Катушка создаст переменный магнитный поток, пересекающий сердечник. При этом в сердечнике станет наводиться индуцированная электродвижущая сила, которая вызывает вихревые токи в толще сердечника. Эти вихревые токи нагревают сердечник, что фиксируется термометром.
Пусть имеется магнитная стрелка, подвешенная на нитке. Предоставленная самой себе, она устанавливается в положении равновесия, то есть по магнитному меридиану данного места. Если ее отклонить, то она будет довольно долго качаться вокруг этого положения. Поместим теперь под стрелкой, очень близко к ней, массивную металлическую пластину. Мы увидим, что при этом затухание колебаний магнитной стрелки происходит значительно быстрее. Причина этого заключается в том, что при движении магнита в пластинке индуцируются вихревые токи, взаимодействие которых с магнитным полем по правилу Ленца тормозит движение магнитной стрелки. Подобное «магнитное успокоение» применяется во многих измерительных приборах.
Литература
1. Физический энциклопедический словарь. / Гл. ред. Прохоров А. М. Ред. кол. Алексеев Д. М., Бонч-Бруевич А. М., Боровик-Романов А. С. и др. – М.: Сов. энциклопедия, 1984. – 944с.
2. Электричество / Калашников С.Г. – М.: Наука, 1977. – 592 с.
3. Теория электрических цепей: Уч. для техникумов / Добротворский И.Н. – М.: Радио и связь, 1989. – 472 с.
4. Элементарный учебник физики под редакцией Ландсберга Г. С. Том II. Электричество и магнетизм. – М.: Наука, 1972. – 528 с.
