Токи фуко как уменьшают: Вихревые токи Фуко: причины возникновения и применение

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:

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.

Токи Фуко (вихревые) и их применение

Электроника Токи Фуко (вихревые) и их применение

просмотров — 400

Индукционные токи возникают не только в линœейных контурах, но и в массивных проводниках. Токи, возникающие в массивных проводниках, называются токами Фуко или вихревыми. Пусть в переменном магнитном поле находится массивный проводник. В нем возникает вихревое электрическое поле, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ действует на носители тока и вызывает индукционный ток (вихревой). Плотность тока определяется формулой , где — напряженность вихревого электрического поля. Т.к. проводник обладает сопротивлением R, то вихревые токи выделяют количество теплоты, определяемое законом Джоуля-Ленца . По этой причине проводник нагревается. Нагревание проводников токами Фуко применяют в индукционных металлургических печах для плавления металлов, а так же для приготовления особо чистых металлов и сплавов в вакууме. Небольшие индукционные печи используются в лабораторной практике для прокаливания металлов в вакууме и для других целœей.

По правилу Ленца, внутри проводника токи Фуко выбирают такие пути и направления, чтобы своим действием противиться причинœе, которая их вызывает. По этой причине движущиеся в сильном магнитном поле перпендикулярно силовым линиям проводники испытывают сильное торможение, обусловленное взаимодействием токов Фуко с магнитным полем. Это используют для демпфирования (успокоения) подвижных частей гальванометров, амперметров, сейсмографов и других приборов.

Сильное торможение проводников в магнитном поле можно рассмотреть на следующем примере.

Между полуосями магнита находятся подвижная алюминиевая пластинка. Плоскость пластинки перпендикулярна силовым линиям магнитного поля магнита на ось ОО колебания, параллельные полю.

На рис.262 показана пластинка в момент входа в магнитное поле. В плоской пластинœе возникают токи Фуко направление, которых определяется правилом Ленца. Токи Фуко создают противодействующее полю магнита магнитное поле, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ тормозит движение пластины.

При выходе из магнитного поля токи Фуко направлены противоположно направлению токов при входе.

В некоторых случаях токи Фуко играют вредную роль. К примеру, в желœезных сердечниках трансформаторов и вращающихся частей электрических генераторов возникают токи Фуко, которые нагревают и уменьшают КПД этих устройств. По этой причине в качестве сердечников трансформаторов используют магнитомягкие ферромагнетики в виде тонких листов, разделœенных тончайшими слоями изолятора таким образом, чтобы изолирующие прослойки пересекали линии токов Фуко. Рассмотрим пример. Подвесим кубик, набранный из тонких металлических пластинок, но нити, поместим его между полюсами магнита и, закрутив предварительно нить, будем наблюдать вращение кубика при раскручивании нити (рис. 263 а,б)

В случае если подвесить кубик в положении а, то изолирующие прослойки будут пересекать линии токов Фуко перпендикулярно (рис.263а). В этом случае токи Фуко возникают в пределах толщины каждой пластины и их действие очень слабо, и кубик будет свободно вращаться. В случае если кубик подвесить в положение б, то прослойки будут параллельны линиям токов Фуко (рис.263б) и они будут противодействовать движению кубика.

Токи Фуко возникают в проводнике, если по нему течет переменный ток. Переменный ток создает переменное магнитное поле, порождающее вихревое электрическое поле. По этой причине в проводнике возникают токи Фуко. В случае круглого цилиндрического проводника плоскости токов Фуко проходят через его ось. Направление этих токов определяется правилом Ленца. На рис.264 а показано направление токов Фуко при возрастании основного тока I в проводнике, а на рис.264б – при его убывании. В обоих случаях токи Фуко направлены так, что противодействуют изменению основного тока внутри проводника и способствуют его изменению вблизи поверхности проводника. Для переменного тока сопротивление внутренних частей проводника больше поверхностного слоя. По этой причине плотность переменного тока неодинакова, ᴛ.ᴇ. вблизи поверхности плотного тока больше, чем середины проводника. Это явление получило название поверхностного эффекта или скин-эффекта. Высокочастотные переменные токи проходят только по очень тонкому поверхностному слою проводника. По этой причине для таких токов применяется полые проводники.

Фуко токи — Справочник химика 21

    Токи высокой частоты. Воздействие токами высоких частот или сокращенно ТВЧ (0,15-300 МГц) связано с возбуждением внешним электромагнитным полем в веществах в зависимости от их свойств, токов проводимости (вихревые токи Фуко) и токов смещения в диэлектриках. Протекание этих токов вызывает индукционный и соответственно диэлектрический нагрев материалов [14]. Существенный вклад в теорию и практику индукционного и диэлектрического нагрева внесли советские ученые В.П. Вологдин, Г.И. Бабат, A.B. Нету-шил, A.B. Донской и др. [c.82]









    Возникновение токов Фуко сопровождается диссипацией энергии, выделяющейся в виде джоулева тепла оно и вызывает разогрев проводника. [c.357]

    При индукционном нагреве если ось. индуктора будет совпадать с осью объекта, то вихревые токи Фуко будут располагаться по замкнутым контурам в поперечном сечении проводящего тела, пронизывая внешние 50% продольного сечения тела. [c.211]

    Переход электрической энергии в тепловую может послужить импульсом воспламенения в случаях перегрузки, больших переходных сопротивлений, короткого замыкания, проявления токов Фуко. Этот переход описывается законом Джоуля — Ленца  [c.361]

    В любом случае образуется магнезит, который, растворяясь в феррите, на много порядков повышает его электрическую проводимость, а следовательно, и потери на токи Фуко при использо- [c. 89]

    На рис. 7 приведена схема расположения в приборе электромагнитных катушек. Большая катушка 2 обеспечивает работу поршневой системы. Малая катушка 1 с неоновой лампочкой — индикаторное безконтрольное устройство. Ниже приведена характеристика электромагнитных катушек. Большая катушка каркас из листовой меди или латуни. Высота корпуса 150 мм, диаметр трубки 18—20 мм, диаметр дисков катушки 80 мм. Вдоль корпуса каркаса катушки прорезана щель для устранения токов Фуко. Провод ПЛ , диаметр 0,6—0,8 мм. Витков — 4000—5000. Индикаторная катушка корпус из эбонита или листовой меди. Вдоль металлического корпуса прорезается щель. Высота корпуса 12 мм, диаметр трубки 18—20 мм. [c.37]

    В реакционных аппаратах с индукционным обогревом используется тепловой эффект токов Фуко. Токи Фуко (вихревые токи) возникают в толще металла под действием переменного во времени электромагнитного поля. В электромашиностроении эти токи вызывают нежелательный нагрев массивных тел (в трансформаторах, электродвигателях и т. д.). [c.16]

    Воспламенение сгораемых изолирующих оболочек проводов может также произойти п( и перегреве металлических масс в сердечниках трансформаторов, якорях динамомашин под действием индуктивных токов Фуко. [c.207]

    Для снятия поляризационных кривых в простейшем случае применяют вращающийся механический коммутатор. Однако при большой скорости вращения контактные пластины коллектора коммутатора могут замкнуться через искровой разряд в момент разрыва поляризующей цепи некоторое искажение результатов возможно также из-за токов Фуко, возникающих при включении и выключении тока. [c.311]

    Индукционное нагревание. Этот способ нагревания электрическим током основан на использовании теплового эфвихревыми токами Фуко, возникающими в толщине стенок стального аппарата под воздействием переменного электрического поля. Аппарат с индукционным электронагревом подобен трансформатору, первичной обмоткой которого служат индукционные катушки, а магнитопроводом и вторичной катушкой — стенки аппарата.  [c.322]

    Переход электрической энергии в тепловую может послужить импульсом воспламенения при перегрузке, больших переходных сопротивлениях, коротком замыкании, проявлении токов Фуко. [c.206]

    В этом случае при конструировании печей-теплогенераторов используется способность переменного тока создавать переменное магнитное поле и как следствие индуцировать в материалах, обладающих маг- нитной проницаемостью, токи, в частности вихревые (токи Фуко), характеризующиеся движением свободных элект- 2 ронов по замкнутым контурам. С точки зрения магнитной проницаемости все тела разделяются на два класса ферромагнетики (железо, сталь, чугун, никель, кобальт и неко-горые сплавы) и парамагнетики. Магнитная проницаемость различных парамагнетиков маЛо отличается и при практических расчетах принимается равной и—1-10 Г/м, т. е. близкой к магнитной проницаемости вакуума ()11а= 1,256-10 Г/м). [c. 204]

    Так как магнитный поток способен возбуждать в самом сердечнике токи Фуко, которые разогревают сердечник и вызывают потери энергии в окружающую среду, то подобные печи строятся низкочастотными (50 Гц). Для того чтобы канальная индукционная печь могла работать, канал должен быть электрически замкнутым, т. е. в нем всегда должен находиться слой расплавленного металла ( болото ), в который загружается твердая шихта. Объясняется это тем, что при заполнении канала твердой кусковой шихтой его электрическое сопротивление может оказаться чрезмерно большим. [c.217]

    Если расположить первичную катушку индуктора возможно ближе к металлу, находящемуся в тигле индукционной печи, то возможно магнитное поле в значительной степени сосредоточить в указанной емкости и свести к минимуму потери из-за рассеивания магнитного поля. Магнитное поле в металле, загруженном в тигель, приводит к возникновению в нем токов Фуко вне зависимости от того, будет металл находиться в твердом или жидком состоянии. Поэтому для пуска подобных индукционных печей нет необходимости иметь в них жидкий металл ( болото ). [c.218]

    Для ферромагнетиков д. — сложная функция Я (см. гл. VI), поэтому теоретически описать последействие (магнитная вязкость) ферромагнетиков очень трудно. В связи с этим обсудим явление лишь в общих чертах, не рассматривая при этом токи Фуко. [c.348]

    Резко упрочняет с потерей пластичности. Повышает сопротивление корро нни. Придает особые электротехнические свойства увеличивает электросопротивление, уменьшает потери на токи Фуко [c.17]

    Активно раскисляет. Повышает прочность и твердость стали и уменьшает вязкость (особенно при содержании более . 5%). Понижает теплопроводность и значительно повышает электросопротивление. Вследствие большой магнитной проницаемости и высокого электросопротивления значительно уменьшаются потери на токи Фуко и ватные потери. Увеличивает сопротивляемость окислению при высоких температурах. Способствует обезуглероживанию. Повышает кислотоупорность (при 81 > 12%). Увеличивает прокаливаемость [c.17]

    Для нагревания в широком диапазоне температур применяется электрический нагрев. Электрические нагреватели удобны для регулирования, обеспечивают создание хороших санитарно-гигиени-ческих условий, но относительно дороги. В зависимости от способа преобразования электрической энергии в тепловую применяют электропечи сопротивления, индукционный нагрев, нагрев токами высокой частоты и электродуговой нагрев. В электропечах сопротивления преобразование энергии осуществляется через жаростойкие проводники с высоким удельным электрическим сопротивлением. Индукционный нагрев основан на использовании теплоты, выделяющейся за счет вихревых токов Фуко, возникающих под действием переменного магнитного поля. Этот метод обеспечивает равномерный нагрев, но дорог. Высокочастотный нагрев основан на превращении в теплоту энергии колебания молекул диэлектриков в переменном электрическом поле. Он обеспечивает равномерное нагревание материала по всей толщине. Однако из-за необходимости применения довольно сложной аппаратуры с низким коэффициентом полезного действия этот метод дорог и используется лишь в производствах ценных высококачественных материалов. Электродуговой нагрев основан на использовании электродуго- [c.362]

    В последнем случае в сопротивлении возникает ток и, в частности, вихревые токи Фуко, что приводит к разогреву сопротивления. [c.254]

    Вышедшие из строя массивные шины восстанавливают. Для этого оставшуюся на бандаже или ободе резину удаляют и сдают для переработки. Удаление резины производят проточкой до металла. Иногда остатки резины на металле удаляют нагреванием бандажей токами Фуко или обжигом на огне до 450 С. Освобожденный от резины бандаж и обод повторно обрезинивают так же, как при изготовлении новых шин. [c.258]

    Каркас катушки изготавливают из немагнитного влатериала (например из листовой меди). Вдоль катушки прорезают (ели оставляют при изготовлении) щель для защиты от разогревов токами Фуко. Высота каркаса кату цки 140-150 мм, провод ПЛ диаметром 0,6-0,8 мы число витков — 4000-5000. Проволоку нагреватеданого элемента накладывают на внешний цилиндр реактора. Чтобы проволока при нагревании не сползала, вдоль внешнего цилиндра реантора протягивают 10-12 асбестовых шнуров, закрепленных вшзу и вверху поперечными витками асбестового шнура, [c.211]

    Известно, что при изменении магнитного поля в любом проводнике возникают вихревые токи (токи Фуко). В обычных условиях они быстро гасятся сопротивлением. Но, если сопротивления нет (сверхпроводимость ), эти токи не затухают и, естественно, сохраняется созданное ими магнитное поле. Магнитик над свинцовой пластинкой имел, разумеется, свое поле и, падая на нее, возбуждал магнитное поле от самой пластинки, направленное навстречу полю магнита, и оно отталкивало магнит. Значит, задача сводилась к тому, чтобы подобрать магнитик такой массы, чтобы его могла удержать на почтительном расстоянии эта сила отталкивания. [c.265]

    Магнитострикционные вибраторы выполняются обычно из слоистых (толщиной —0,1—0,3 мм), предварительно отожженных материалов, так как в отожженном материале уменьшаются потери на токи Фуко и на гистерезис и улучшаются магнитные свойства. [c.41]

    Правда, в этом случае магнитные полюса должны быть изготовлены из изолированных листов железа (универсальный мотор), так как в противном случае в магнитах индуцируются сильные вихревые токи (токи Фуко). При использовании переменного тока можно [c.616]

    Однако рассматриваемый метод имеет некоторые недостатки. При большой скорости вращения возможно замыкание контактных пластин коллектора коммутатора через искровые разряды в момент разрыва поляризующей цепи. Кроме того, в момент выключения тока возникают экстратоки (токи Фуко), появление которых искажает истинную величину потенциала поляризованного электрода. Применение этого метода связано с трудностями, которые обусловлены тем, что после поляризации электрода током большой плотности (десятые доли ампера на квадратный сантиметр) поляризация после выключения тока падает настолько быстро, что даже через 10 сек потенциал электрода сильно отличается от его значения при прохождении тока. [c.256]

    В этой связи следует указать, что ЭК- и МК-системы могут в принципе не иметь собственных потерь. Их эффективность определяется только техническими потерями— внутренними и внешними. К внутренним с1 относятся потери из-за нагрева токами Фуко и от гистерезиса. Методы снижения потерь от вихревых токов известны из электротехники. Аналогичные задачи возникают, например, при проектировании трансформаторов. Гис-терезисные потери существенны только при достаточно больших значениях Н и Е в ферромагнетиках и С егнетоэлектриках. Следовательно, чгобы свести к минимуму эти потерн, надо работать при напряженностях магнитного или электрического полей, не превышающих определенных, оптимальных для каждого случая значений.  [c.299]

    Электромагнитно-акустический (ЭМА) способ использует эффекты маг-нитострикции, лоренцевского и магнитного взаимодействий катушки с переменным током 2 и токопроводящего изделия в поле электромагнита 5 (см. табл. 1.8) [339]. Более подробно схема ЗЫА-преоб-разователя показана на рис. 1.40, а. Эффект лоренцевского (электродинамического) вза-имодействия состоит в следующем. Переменный ток / или h в катушках (в преобразователе делается только одна из этих катушек) индуцирует в электропроводящем ОК вихревые токи (токи Фуко). Они взаимодействуют с постоянным полем магнита, создающего индукцию В. [c.72]

    В опытах Кюрти в качестве парамагнитного материала использовалась медь в виде пучка тонких изолированных проволочек диаметром 0,13 мм, что необходимо для уменьшения нагрева образца токами Фуко. Тепловой контакт осуществлялся непосредственно погружением концов медных проволочек в обычную парамагнитную соль — хромокалиевые квасцы. При начальной температуре 0,012 К и напряженности поля 1600 000— [c. 30]

    Индукционное нагревание основано на использовании теплового эффекта, вызываемого вихревыми токами Фуко, возникающими непосредственно в стенках стального нагреваемого аппарата. Аппарат с индукционным нагревом подобен трансформатору, первичной об- моткой которого служат индукционные катуппси, а магнитопроводом и вторичной катушкой — стенки аппарата. На рис. 113 показан реакционный аппарат с внешним индукционным нагревом. На корпусе аппарата 3 крепятся индукционные катушки 4. Кроме того, аппарат снабжен нагревательным паровым змеевиком 1 и мешалкой 2. Для удешевления процесса нагревания массу в аппарате предварительно нагревают паром до 180° С, а затем включают индукционный нагрев, позволяющий обеспечить точное поддержание более высоких температур — до 400° С. [c.131]

    Магнитострикцион-ные вибраторы могут изготовляться не только в виде стержней, но и в виде трубок, а также наборов из тонких пластин. Так как в сплошных образцах имеют место потери на вихревые токи (токи Фуко) и гистерезис, целесообразнее применять расслоенные материалы. Поэтому чаще всего магнитострик-ционные вибраторы делают из тонких листов, скрепленных между собой,— пакетные вибраторы (рис. 14). Пластины, вырезанные из прокатанного листа, в большинстве случаев подвергают отжигу [37]. Отожженный материал обладает лучшими магнитными свойствами, потери на токи Фуко и гистерезис становятся меньшими, уменьшается количество ампервитков, необходимое для насыщения. Однако для некоторых неотожженных материалов величина магнито-стрикции оказывается несколько большей. Кроме того, неотожженные листы имеют большую прочность. [c.64]

    Электрическая энергия, перешедшая в тепловую, может явиться импульсом воспламенения в случае перегрузок электрических цепей, короткого замыкания, больших переходных сопротивлений, возникновения токов Фуко, иокр и электрических дуг. Для того, чтобы предупредить воспламенение электроизоляции, допускаемая сила тока в проводах с резиновой и хлопчатобумажной изоляцией устанавливается с таким расчетом, чтобы при длительной работе нагрев проводника не превышал установленного нормами.  [c.262]

    II таким образом измерения делаются нечувствительными к изменеппядг амплитуды и частоты колебаний, не.линейпости усиления и т. п. Этот метод пригоден для работы не только с ферромагнитными, по и с парамагнитными веществами. Имеются данные, говорящие о том. что эта установка имеет высокую чувствительность и стабильность. Сложности при использовании этого метода возникают лишь в случае исследования проводников из-за возникновения токов Фуко. При изучении ке большинства катализаторов ток1г Фуко не возникают, поскольку частицы катализатора малы и обычно электрически изолированы друг от друга. [c.420]

Вихретоковые тормозные системы как способ избавления от трения

В настоящее время потребность в перемещении и транспортировке возрастает, а вместе с ней и в транспортных альтернативах, которые являются более экологичными, менее шумными и, конечно же, более быстрыми. При этом то, что движется, должно в конце концов остановиться. Хотя большинство самолетов, поездов и автомобилей используют механические тормозные системы, но этот тип торможения может приводить к повреждениям и стать небезопасным на высоких скоростях. Но вовсе не так обстоит дело с вихретоковым торможением. В данной статье мы обсудим потенциал данной безфрикционной технологии торможения и суть явления, стоящего за ней.

Безопасное снижение скорости с помощью технологии вихретокового торможения

Если поезд A отправляется из Бостона в Нью-Йорк в 8 часов утра со скоростью 35 миль в час, а поезд B отправляется из Нью-Йорка в Бостон в 8.30 утра со скоростью 50 миль в час, то в какое время эти два поезда встретятся, если предположить, что города находятся примерно в 200 милях друг от друга?

Школьная математическая задача о двух поездах и оценке расстояния, скорости или времени настолько типовая и избитая, что стала телевизионным клише (тропом). Но авторам учебников (и сценаристам телевизионных шоу), возможно, придется обновить некоторые её детали по мере появления новых разработок в области транспортных технологий. Так, высокоскоростные ж/д поезда часто движутся со средней скоростью порядка 180 миль в час, что значительно сокращает время в пути. Таким образом, обновленные задачи по «математике поездов», возможно, должны учитывать гораздо более высокие скорости и использовать два города, которые находятся дальше друг от друга.

Шанхайский маглев-поезд (на основе технологии магнитной левитации) — самый быстрый коммерческий высокоскоростной электропоезд в мире. Изображение Андреаса Кребса — собственная работа. Доступно по лицензии CC BY-SA 2.0 на Flickr Creative Commons.

Практическая сторона этих вопросов подразумевает использование безфрикционной технологии торможения. Т.к. если традиционный поезд, двигающийся со скоростью 180 миль в час будет использовать для этих целей механические тормоза, то последние могут не остановить его вовремя — или вовсе. Чем быстрее движется поезд, тем больше требования к фрикционным тормозам по рассеянию кинетической энергии, что в конце концов приводит к большему риску полного износа. Для борьбы с этим многие поезда используют динамическое торможение, которое уменьшает износ, но трущиеся компоненты все равно могут выйти из строя.

При наличии возможности предпочтительным вариантом является рекуперативное торможение (торможение противовключением). При таком типе торможения без трения (линейная) электрическая машина преобразует кинетическую энергию обратно в электрическую энергию, которая в последующем может быть повторно использована для ускорения. Менее энергоэффективным (по сравнению с рекуперативным, но не механическим торможением) является использование вихретоковых систем торможения. В таких устройствах вся вырабатываемая электрическая энергия преобразуется непосредственно в тепло. А поскольку преобразование энергии происходит без механического контакта, то эти системы, как правило, гораздо более надежны, чем оборудование на основе трения. Еще одно преимущество заключается в том, что эти системы все равно будут работать, даже если между транспортным средством и транспортным полотном вообще нет никакого механического контакта. Это относится к магнитно-левитирующим транспортным средствам (маглев), которые уже используются в Шанхае и Японии. Последний установил рекордную максимальную скорость — 603 км в час.

Практические примеры вихретоковых тормозных систем

Итак, как же работают тормозные системы, использующие вихревые токи? Одна конструкция, разработанная и испытанная немецкой железнодорожной компанией, использует линейный массив из восьми электромагнитов, установленных между колесами на расстоянии около 7 мм от рельса. Машинисты поездов могут включать эти магниты для замедления. При этом концентрированное магнитное поле от движущихся с высокой скоростью магнитов будет оказывать влияние на неподвижный рельс, что приведет к индуцированию в нем сильных вихревых токов. Вихревые токи будут протекать внутри рельса по такому направлению, чтобы своим действием как можно сильнее противиться причине, которая их вызвала, т.е. изменению магнитного потока. Это в свою очередь приведет к генерациии в рельсе свое собственное магнитное поле, которое будет противодействовать и вытеснять приложенное внешнее поле. Вследствие этого возникнет тормозящая сила, которая приведет к остановке поезда без механического трения.

Преимуществами этого типа безфрикционного торможения являются возможность точного контроля, относительная дешевизна, экологичность и бесшумность. А среди недостатков можно выделить потенциальные э/м наводки, которые могут мешать работе систем датчиков и железнодорожной сигнализации. Другое ограничение заключается в том, что для активации режима торможения требуется конечная скорость (т.е., система не сможет работать как стояночный тормоз). Кроме того, если в одном и том же месте быстро затормозит много поездов подряд, то тепло, рассеянное в рельсах, может привести к критическим термическим расширениям путей. В целом же, использование вихретоковых тормозов в высокоскоростных транспортных системах очень перспективно. Ниже вы можете увидеть примеры используемых в ж/д линейного и вращающегося тормоза.

Линейный вихретоковый тормоз в немецком скоростном поезде (слева). Изображения Себастьян Terfloth — своя работа. Доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 из Wikimedia Commons. Крупный плано вихретокового тормоза, используемого на скоростном японском поезде (справа). Изображение от Take-y — собственная работа. Доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 из Wikimedia Commons.

Сравнение линейных и вращающихся вихретоковых систем для торможения

Мы уже отметили, что существует два широко используемых типа вихретоковых тормозов: линейные и вращающиеся дисковые. Линейные тормоза вы увидите на ж/д рельсах или на трассах для американских горок. В такой реализации рельсы работают как часть тормозной системы. В американских горках магниты помещаются в конце трека, а металлические полосы крепятся сбоку вагончиков. Как только последние достигают магнитов, тормоза срабатывают, т.к. магниты вызывают вихревые токи в металле. В качестве дополнительной меры предосторожности на американских горках обычно используются постоянные магниты для обеспечения работоспособности в случае отключения электроэнергии.

Вихретоковые тормоза на треке для американских горок. Изображение Стефана Шеера — собственная работа. Доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 из Wikimedia Commons.

Во вращающихся дисковых тормозах также имеется один неподвижный компонент. В одном из вариаций магнит неподвижен, в то время как металлический диск вращается, а в другой электромагниты двигаются — катушки помещены на колесо, которое вращается вокруг неподвижного вала. Использование круговых вихретоковых тормозов эффективно в рамках эксплуатации промышленного оборудования, особенно при аварийном отключении. Если вы хотите остановить силовой агрегат или электроинструмент, такой как циркулярная пила, вы можете включить электромагниты для индуцирования вихревых токов и быстро остановить механизм металлического колеса.

Давайте чуть подробнее поговорим о физике вихревых токов, а также рассмотрим два примера численного моделирования линейных и вращающихся тормозных механизмов.

Что такое вихревые токи?

Под вихревыми токами (eddy currents в англоязычной литературе) понимают вихри электрического тока, индуцируемые в проводниках переменным магнитным полем. Их образование на прямую следует из закона индукции Фарадея.

История открытия вихревых токов

Вихревые токи впервые были замечены в 19^{-м веке Франсуа Араго — премьер-министром Франции. Свое название они получили из-за их сходства с закрученными вихрями в потоках воды в бурных реках, вихри тока обычно образуются в металлических пластинах или дисках. Знаменитый британский ученый Майкл Фарадей смог детально объяснить наблюдения Араго и в т.ч. сформулировал закон индукции Фарадея. Вскоре после этого Эмиль Ленц постулировал свое правило Ленца.}

Генрих Фридрих Эмиль Ленц. Изображение находится в свободном доступе на территории США, взято из Wikimedia Commons.

Закон индукции Фарадея говорит об электродвижущей силе, которая приводит к появлению вихревых токов, а правило Ленца регламентирует их направление. Ленц понял, что индуцированный ток всегда будет течь в направлении, противоположном вызвавшему его изменению (магнитного потока). Вихревые токи также обуславливают потери энергии (или, как в случае с тормозными системами, преобразование кинетической энергии в тепловую). Обычно потери, вызванные вихревыми токами, можно отнести в нежелательным, но для таких областей применения, как тормозные системы, они идеальны.

В 1855 году французский физик Леон Фуко сделал открытие о вихревых токах, которое относится именно к торможению: Для вращения медного диска в пространстве между полусами магнита потребуется увеличение прикладываемой силы. При этом наводимые в металле вихревые токи приводят к нагреву вращающегося диска.

В 1879 году Дэвид Э. Хьюз продемонстрировал одно из первых применений вихревых токов — металлургическую сортировку. С тех пор вихревые токи используются для идентификации и сортировки монет в торговых автоматах и помогают металлоискателям распознавать металлические предметы.

Моделирование вихревых токов в COMSOL Multiphysics®: линейные и вращающиеся тормозные системы

Моделирование линейного вихретокового тормоза

Помните классический эксперимент по физике, в котором демонстрируются два классических закона электродинамики, а заодно и появление вихревых токов:

1. Закон индукции Фарадея
2. Правило Ленца

Если вы не помните или никогда не видели этот эксперимент, то не волнуйтесь — мы продемонстрируем его в формате численного эксперимента. Мы можем увидеть вихревые токи «в действии» в металлической медной трубке, внутри которой падает магнит в виде цилиндра.
Схема (слева) и фотография (справа) установки для проверки правила Ленца.

Также как и в уже упомянутой линейной системе тормозов, вихревые токи будут генерироваться в стенках трубки, и вытесняющее магнитное поле создаст тормозную силу, которая будет замедлять движение магнита. При этом с увеличением скорости магнита возрастает и противодействующая сила. Это означает, что в какой-то момент магнит достигнет стабильного режима с постоянной конечной скоростью, когда магнитная тормозная сила будет равна силе тяжести и компенсировать её.

С помощью расчетной модели вы сможете увидеть эти эффекты сами, а также вычислить скорость и ускорение падающего магнита при достижении равновесной скорости.

3D-визуализация полей и токов в медной трубке с падающим магнитом.

Моделирование вращающегося вихретокового тормоза

Теперь, когда мы увидели, как вихревые токи работают в линейном тормозе, давайте посмотрим на аналогичный эффект во вращающемся тормозе. В модели рассматривается вращающийся диск и постоянный магнит. Как обнаружил Фуко в своих исследованиях, в проводящем диске возбуждаются вихревые токи при его вращении в магнитном поле постоянного магнита. Силы, обусловленные этими токами, приводят к замедлению диска.

3D-визуализация полей и токов в вихретоковом дисковом тормозе.

Общее время, необходимое для остановки вашей системы (будь то автомобиль, ж/д поезд или вагончики для американских горок), зависит от мощности магнитов (силы, которую они оказывают на диск) и способности диска рассеивать энергию. В представленной модели крутящегося вихретокового тормоза показано сопряжение инструментов для решения обыкновенного дифференциального уравнения движения (определяющего вращение диска) с распределенным расчетом методом конечных элементов (в рамках которого определяется крутящий момент). Например, на графиках ниже вы можете увидеть плотность тока на поверхности диска при t = 0, т.е. когда диск все еще вращается (слева), а также эволюцию во времени механической характеристики, определяющей торможение.

3D-визуализация вихревых токов, нормы и направления, в начальный момент времени t = 0 с (слева). Эволюция во времени крутящего момента в вихретоковой тормозной системе (справа). Используя программное обеспечение для электротехнических расчетов, вы можете проводить анализ индуцированной плотности вихревого тока и изменения во времени угловой скорости, тормозящего момента, а также рассеиваемой мощности.

Другие примеры использования вихретоковых тормозов

Хотя вихретоковые тормозные системы еще не получили широкого распространения, их низкая стоимость и высокая надежность делают их полезными для применения:

• В лифтах и других подъёмных механизмах
• Промышленных буровых установках
• Аттракционах парка развлечений, в т.ч. американских горках
• Спортивных тренажерах и оборудовании

Рекуперативное торможение предпочтительно в системах, оснащенных большим линейным или вращающимся электродвигателем (например, в поездах на магнитной подвеске и электромобилях). Оно может быть дополнено вихретоковыми системами в качестве надежного варианта замены механических тормозов или в качестве аварийных систем.

Если вы хотите попробовать свои силы в улучшении систем вихретокового торможения или просто хотите исследовать явление возбуждения вихревых токов в различных системах, то вам будет удобно использовать программное обеспечение COMSOL® для этих целей. Возможно, вы даже придумаете новую задачу по «математике поездов», которая лучше подходит для реалий 21^го века.

Дальнейшие шаги

Узнайте больше о том, как программное обеспечение для электротехнических расчетов может помочь вам проводить анализ, разрабатывать статические и низкочастотные электромагнитные системы и оптимизировать их производительность:

Статья — Вихревые токи

Вихревые токи – токи Фуко, что это такое и где они используются

Вихревые или еще так называемые цикличные токи могут нести в себе помимо вреда еще и пользу. С одной стороны, вихревые токи — это непосредственная причина потерь электроэнергии в проводнике либо же катушке. В то же самое время на этом эффекте построены современные индукционные печи, так что польза от таких токов есть. Давайте поговорим о пользе и вреде немного по подробней.

Краткое определение

Для начала давайте дадим определение озвученному явлению. Вихревые токи — это такие токи, которые начинают протекать по причине воздействия переменного магнитного поля. При этом может изменяться не само поле, а положение проводника в этом поле, то есть если проводник начнет перемещаться в статичном поле, то в нем все равно образуются токи Фуко.

И траекторию протекания таких токов определить невозможно. Известно лишь то, что ток проходит в том месте, где сопротивление минимально.

Как открыли это явление

Изначально вихревые токи были зафиксированы в 1824 году ученым
Д.А. Араго во время проведения следующего опыта:

На одной оси были смонтированы медный диск и магнитная стрелка, диск располагался внизу, а стрелка несколько выше. Так вот, когда стрелку вращали, то медный диск также начинал вращаться, так как протекающие токи формировали магнитное поле, которое и вступало во взаимодействие с магнитной стрелкой.

Наблюдаемый эффект получил название – явление Араго.

По истечении нескольких лет этот вопрос стал изучать Максвелл Фарадей, который как раз открыл закон электромагнитной индукции. Так вот, согласно открытому закону было сделано предположение, что магнитное поле оказывает непосредственное воздействие на атомарную решетку проводника.

И образующийся в результате данного воздействия электрический ток, всегда формирует магнитное поле во всем проводнике.

А подробно описал вихревые токи уже экспериментатор Фуко, именно поэтому второе название вихревых токов – токи Фуко. С историей немного познакомились, теперь давайте узнаем природу вихревых токов.

Природа вихревых токов

Замкнутые циклические токи могут образоваться в проводнике только в том варианте, когда магнитное поле, в котором находится проводник, имеет нестабильную структуру, то есть имеет вращение или изменяется со временем.

Из этого следует, что сила вихревых токов имеет прямую связь со скоростью изменения магнитного потока, проходящего через проводник.

По общепринятой теории электроны перемещаются в проводнике линейным образом из-за разности потенциалов, а это значит, что ток имеет прямое направление.

Токи Фуко ведут себя совершенно по-другому и образуют вихревой замкнутый контур прямо в проводнике. При этом данные токи способны на взаимодействие с магнитным полем, которое их и создало.

Проводя исследование этих токов, ученый Ленц сделал вывод, что сгенерированное вихревыми токами магнитное поле не позволяет магнитному потоку, который и создал эти токи, измениться. При этом направленность силовых линий вихревого тока идентично вектору направления индукционного тока.

Вихревые токи и их вред

Давайте вспомним, как выглядит обычный трансформатор.

Так вот, если вы внимательно посмотрите на сердечник, то вы увидите, что он собран из отдельных пластин. А вам не кажется, что гораздо проще его было выполнить цельным?

Именно таким «дроблением» пытаются максимально снизить негативное воздействие токов Фуко. Ведь вихревые токи нагревают тело, в котором они протекают.

Как же они появляются в трансформаторе? Его работа и основана на принципах взаимодействия магнитных полей переменного характера, а как мы уже знаем переменное поле неизбежно порождает вихревые токи.

Получается, что вихревой ток нагревает сердечник. А нагрев ведет к снижению КПД и сильный перегрев приведет к оплавлению изоляции, а значит разрушению трансформатора.

Как снижают потери

Данные потери могут быть описаны следующей формулой:

Как вы знаете, верно следующее утверждение: проводник с маленьким сечением обладает большим сопротивлением, а чем больше сопротивление проводника, тем меньший ток проходит через него.

Именно поэтому сердечник выполнен из цельного куска стали, а не собран из тонких пластин, которые изолированы друг от друга окалиной или слоем лака. Такой способ сборки сердечника максимально уменьшает потери в сердечнике, то есть сводят вихревые токи до минимума.

Полезное использование вихревых токов

Данные токи не только несут негатив. Их давно научились использовать с пользой. Так, например, свойства вихревых токов используются в индукционных счетчиках. Данные токи замедляют вращение алюминиевого диска, который вращается под действием магнитного поля.

Так же создание индукционных сталеплавильных печей оказало несоизмеримый вклад в развитие всей современной индустрии производства стали.

Такие печи работают следующим образом: металл, который будут подвергать плавлению, помещают внутрь катушки, через которую начинают пропускать ток повышенной частоты. При этом магнитное поле формирует большие токи внутри металла, и последующий нагрев расплавляет металл.

В многоквартирных домах вы сможете увидеть индукционные плитки, принцип работы которых также основан на использовании эффекта образования вихревых токов.

Что такое вихревые токи?

Эдди
токи — это токи, которые циркулируют в проводниках, как вихри в
ручей. Они индуцируются изменением магнитных полей и течением в замкнутых контурах,
перпендикулярно плоскости магнитного поля. Их можно создать, когда
проводник движется через магнитное поле, или когда магнитное поле
окружение неподвижного проводника меняется, то есть все, что приводит к
проводник испытывает изменение силы или направления магнитного
поле может производить вихревые токи.Величина вихревого тока пропорциональна
величине магнитного поля, площади петли и скорости изменения
магнитного потока, и обратно пропорционально удельному сопротивлению
дирижер.

Как и любой
ток, протекающий через проводник, вихревой ток будет производить свой собственный
магнитное поле. Закон Ленца гласит, что направление магнитно-индуцированного
ток, как и вихревой ток, будет таким, что создаваемое магнитное поле будет
противодействовать изменению магнитного поля, которое его создало. Это сопротивление создало
противоположными магнитными полями используется в вихретоковом торможении, которое
обычно используется как метод остановки вращающихся электроинструментов и американских горок.

в
диаграмма ниже, токопроводящий металлический лист (представляющий движущийся
например, автомобиль с горками или электроинструмент), движется мимо неподвижного магнита. В виде
лист движется мимо левого края магнита, он почувствует увеличение
напряженность магнитного поля, вызывающая вихревые токи против часовой стрелки.Эти
токи создают свои собственные магнитные поля и, согласно закону Ленца,
направление будет вверх, т.е. противодействовать внешнему магнитному полю, создавая
магнитное сопротивление. На другом краю магнита лист будет выходить из
магнитное поле, и изменение поля будет в противоположном направлении, таким образом
индуцирование вихревых токов по часовой стрелке, которые затем создают магнитное поле, действующее
вниз. Это будет притягивать внешний магнит, также создавая сопротивление. Эти
силы сопротивления замедляют движущийся лист, обеспечивая торможение.Электромагнит может
использоваться для внешнего магнита, что означает, что можно изменять силу
торможение осуществляется путем регулирования тока через катушки электромагнита.
Преимущество вихревого торможения в том, что оно бесконтактное, поэтому
механический износ. Однако вихревое торможение не подходит для торможения на низкой скорости и
поскольку проводник должен двигаться, вихревые тормоза не могут удерживать предметы в
стационарные позиции. Таким образом, часто необходимо также использовать традиционные
фрикционный тормоз.

Эдди
течения были впервые обнаружены в 1824 году ученым, а затем премьер-министром
Франция, Франсуа Араго. Он понял, что намагнитить можно больше всего.
проводящие объекты и был первым свидетелем вращательного магнетизма. Десять лет
позже закон Ленца был постулирован Генрихом Ленцем, но только в 1855 г.
что французский физик Леон Фуко официально открыл вихревые токи. Он
обнаружили, что сила, необходимая для вращения медного диска при размещении его обода
между полюсами магнита, такого как подковообразный магнит, увеличивается, и
диск нагревается индуцированными вихревыми токами.

Нагревание
Эффект возникает из-за преобразования электрической энергии в тепловую.
и используется в устройствах индукционного нагрева, например в некоторых плитах и ​​сварочных аппаратах. В
сопротивление, ощущаемое вихревыми токами в проводнике, вызывает джоулев нагрев и
количество выделяемого тепла пропорционально текущему квадрату. Однако для
таких приложений, как двигатели, генераторы и трансформаторы, это тепло считается
потери энергии и, как таковые, вихревые токи должны быть сведены к минимуму.Это может быть
достигается за счет ламинирования металлических сердечников этих устройств, где каждый сердечник
состоит из нескольких изолированных листов металла. Это разбивает ядро ​​на многие
отдельные магнитные цепи и ограничивает прохождение вихревых токов
через него, уменьшая количество тепла, выделяемого за счет джоулева нагрева.

Эдди
токи также можно отвести через трещины или прорези в проводнике, которые нарушают
цепи и предотвратить циркуляцию токовых петель.Это означает, что
вихревые токи можно использовать для обнаружения дефектов в материалах. Это называется
неразрушающий контроль и часто используется в самолетах. Магнитное поле
производятся вихревыми токами, где изменение поля показывает
наличие неровности; дефект уменьшит размер вихря
ток, который, в свою очередь, снижает напряженность магнитного поля.

Другой
применение вихревых токов — магнитная левитация. Проводники подвергаются
переменные магнитные поля, которые вызывают вихревые токи внутри проводника и
создают отталкивающее магнитное поле, раздвигающее магнит и проводник.Это переменное магнитное поле может быть вызвано относительным движением между
магнит и проводник (обычно магнит неподвижен, а проводник
движется) или с помощью электромагнита, применяемого с переменным током для изменения
напряженность магнитного поля.

Диск Фуко — MagLab

Леон Фуко, французский физик, более известный своим маятником, демонстрирующим вращение Земли, в 1855 году также создал устройство, показывающее, как работают вихревые токи.

Леон Фуко, французский физик, более известный своим маятником, демонстрирующим вращение Земли, также создал в 1855 году устройство, которое проиллюстрировало, как работают вихревые токи . Вихревые токи — это магнитные поля, создаваемые, когда твердый проводник (материал, в котором легко перемещаются электроны) перемещается в приложенном магнитном поле. Сам Фуко открыл это явление, поэтому их иногда называют токами Фуко.

Фуко построил машину ниже, чтобы исследовать и проиллюстрировать эффекты этих вихревых токов, названных так потому, что их движение напоминает водовороты, вызванные возмущениями потока воды.

Основными особенностями диска Фуко являются аккумулятор , электромагнит и медный диск с ручным приводом, . Для диска выбрана медь, потому что это хороший проводник. Прежде чем приступить к работе с обучающей программой, обратите внимание, что северный полюс электромагнита находится ближе к вам, зрителю. Итак, поле магнита течет от этого северного полюса к его южному полюсу , частично скрытому здесь диском.

Для работы с обучающей программой нажмите синюю кнопку , включите , чтобы включить электромагнит.Затем используйте ползунок крутящего момента , чтобы повернуть диск; чем дальше вправо вы возьмете ползунок, тем быстрее будет вращаться диск.

Обратите внимание, что на диске температура начинает повышаться; Кроме того, чем быстрее вращается диск, тем быстрее поднимается температура. (Показанные здесь температуры и скорость, с которой они достигаются, предназначены для передачи общего представления о том, что делают вихревые токи, а не для точного представления этих эффектов.) Если вы нажмете красную кнопку , выключите , чтобы отключить электромагнит. продолжая проворачивать диск, диск снова начнет остывать.

Это тепло является результатом действия вихревых токов. Эти круговые электронные токи индуцируются внутри медного диска, и их направление противоположно направлению вращения диска. Это сопротивление приводит к нагреву. Это также имеет эффект торможения: если бы вы действительно (а не виртуально) крутили эту рукоятку, вам нужно было бы крутить ее тяжелее, чтобы поддерживать ту же скорость. Этот фенонемон использовался в тормозах поездов и в других практических целях.

Вихревые токи Фуко являются проявлением закона Ленца, изобретенного русским физиком Генрихом Ленцем в 1834 году, который гласит, что индуцированная электродвижущая сила генерирует ток, который индуцирует встречное магнитное поле, которое противодействует магнитному полю, генерирующему ток.

Снижение потерь на вихревые токи в индуктивных системах передачи с ферритовыми листами | BioMedical Engineering OnLine

Целью настоящей работы является изучение пригодности тонких листов феррита для защиты индуктивного звена от нежелательного влияния проводящих структур, близких к звену, с целью защиты характеристик передачи. Следовательно, мы изучаем свойства индуктивного звена поверх трех различных конфигураций подложек, как показано на рис.1:

• Air : Исходная система змеевика с воздушным сердечником без подложки служит эталоном.

• Cop : Подложка состоит из одного слоя меди. Эта конфигурация допускает нежелательное влияние проводящего материала рядом с линией связи.

• Fer + Cop : двухслойная подложка, первый слой которой состоит из феррита, а второй — из меди.Ферритовый лист помещается между первичной катушкой и медной пластиной и находится в прямом контакте с проводником, чтобы не допустить воздействия магнитного поля на медный слой (см. Рис. 1).

Далее мы опишем и проанализируем свойства различных конфигураций линий связи с использованием аналитической модели, моделирования методом конечных элементов и экспериментальных установок.

Аналитическая модель

Для теоретического описания мы использовали аналитическую модель, разработанную Su et al.[16]. Модель получена в предположении бесконечного радиуса подложки и аппроксимации спиральной катушки с витком N набором круглых колец N с прямоугольным поперечным сечением. Справедливость этих предположений подтверждена в предыдущих работах [16–18].

Сначала мы опишем основы модели, рассмотрев по одному витку от каждой из двух плоских коаксиальных катушек, прежде чем обобщать на случай нескольких витков для обеих катушек.

Трехмерный вид и поперечный разрез установки, уменьшенный до двух витков i и j в катушках a и b , показаны на рис.2. Геометрия двух обмоток описывается внутренним и внешним радиусами \ (a _ {{i, {\ text {in}}}} \) и \ (a _ {{i, {\ text {out}}}} } \) (\ (b _ {{j, {\ text {in}}}} \) и \ (b _ {{j, {\ text {out}}}} \)), толщина х
_a
( ч )
_б
) и расстояние d
_a
( д
_б
) над подложкой. {j \ omega t} \) с угловой частотой ω .С взаимным сопротивлением Z
_ij
между исходным витком i на z = d
_a
и поворот j на z = d
_б
находим индуцированное напряжение \ (V_ {ij} = Z_ {ij} \ cdot I \) [19]. Согласно [13], взаимное сопротивление Z
_ij
можно записать как

$$ Z_ {ij} = j \ omega M_ {ij} + Z _ {{{\ text {Sub}}, ij}}, $$

(1)

где M
_ij
— это взаимная индуктивность системы с воздушным сердечником без подложки.Вклад подложки в импеданс обозначается комплексным параметром \ (Z _ {{{\ text {Sub}}, ij}} \). {{- u \ left | {d_ {a} + d_ {b}} \ right |}} {\ text {d}} u.$$

(3)

Полные выражения для S , Q и λ можно найти в [16]. Действительные функции S и Q зависят исключительно от геометрии двух витков, тогда как функция комплексных параметров λ также зависит от угловой частоты ω .

Уравнения (2) и (3) также можно использовать для расчета полного импеданса одного витка, задав i = j так, чтобы \ (a _ {{i, {\ text {out}}}} = b _ {{j, {\ text {out}}}} \), \ (a _ {{i, {\ text {in}}}} = b _ {{j, {\ text {in}}}} \ ), ч
_a
= ч
_б
и d
_a
= г
_б
. Следовательно, экспоненциальный член в уравнении. (2) исчезает и самоиндукция M
_{i = j}
в воздухе больше не зависит от d
_a
. За подробным описанием снова обратимся к [16].

В качестве следующего шага рассмотрим общий случай двух многооборотных катушек с Н
_a
и N
_б
витков соответственно на двухслойной подложке, как показано на рис.{{N_ {a}}} Z_ {ij} \ left ({a _ {{i, {\ text {out}}}}, a _ {{i, {\ text {in}}}}, a _ {{j , {\ text {out}}}}, a _ {{j, {\ text {in}}}}} \ right). $$

(4)

Рис. 3

Вид в разрезе двух плоских катушек на бесконечной двухслойной подложке

Первый член в правой части уравнения. (4) представляет собой сумму импедансов Z
_{i = j}
всех одиночных витков, второй член учитывает взаимные импедансы \ (Z_ {ij} \ left ({i \ ne j} \ right) \) между двумя отдельными витками.Из уравнения. (4) мы можем вывести самоиндуктивность L
_a
катушки как

$$ L_ {a} = {\ text {Im}} \ left ({Z_ {a}} \ right) / \ omega. $$

(5)

Расчет индуктивности вторичной обмотки L
_б
проводится аналогично. Полный импеданс Z
_ab
между первичной обмоткой a и вторичной обмоткой b получается как сумма всех взаимных импедансов Z
_ij
,

$$ Z_ {ab} = \ mathop \ sum \ limits_ {i = 1} ^ {{N_ {a}}} \ mathop \ sum \ limits_ {j = 1} ^ {{N_ {b}} } Z_ {ij} \ left ({a _ {{i, {\ text {out}}}}, a _ {{i, {\ text {in}}}}, b _ {{j, {\ text {out}) }}}, b _ {{j, {\ text {in}}}}} \ right). $$

(6)

Взаимная индуктивность М
_ab
можно получить из мнимой части Z
_ab
как

$$ M_ {ab} = {\ text {Im}} \ left ({Z_ {ab}} \ right) / \ omega. $$

(7)

Найдя аналитические выражения для L
_a
, л
_б
и M
_ab
позволяет нам вычислить коэффициент связи k между двумя катушками индуктивного звена через

$$ k = \ frac {{M_ {ab}}} {{\ sqrt {L_ {a} L_ {b}} }}.$$

(8)

Модель двухслойной подложки может быть легко сведена к более простому случаю индуктивного звена на однослойной подложке, если предположить, что два слоя подложки сделаны из одного и того же материала. В случае индуктора с воздушным сердечником (без подложки) термин Z
_{Sub , ij}
в формуле. (1) исчезает, и взаимная индуктивность рассчитывается по формуле.(2).

Уравнения (2) и (3) не имеют аналитического решения, поэтому их необходимо решать численно. Для численного интегрирования использовался лицензионный программный пакет MATLAB R2011b. Следует учитывать, что все уравнения аналитической модели были выведены в предположении идеальных граничных условий, т.е. радиус двухслойной подложки бесконечен. Для реалистичных граничных условий установка также была изучена с помощью моделирования методом конечных элементов.

Моделирование методом конечных элементов

Моделирование методом конечных элементов было выполнено в ANSYS 11.0. (ANSYS Inc., Канонсбург, США). Для моделирования спиральные катушки заменены наборами круглых витков и прямоугольных профилей, как это было сделано в аналитической модели. Эта компоновка осесимметрична, и, следовательно, трехмерное моделирование модели может быть заменено анализом двухмерного поперечного сечения, которое полностью отражает трехмерную установку. При том же количестве точек сетки сокращение от трехмерной модели к двухмерной позволяет получить гораздо более плотную сетку сетки при тех же вычислительных затратах.

Преимущество программного обеспечения ANSYS заключается в том, что геометрия моделирования может быть связана с активными и пассивными дискретными компонентами, такими как источники тока и напряжения, резисторы и конденсаторы. Таким образом можно относительно легко реализовать полные индуктивные сети передачи, как будет показано в разделе «Результаты и обсуждение» ниже.

Экспериментальная установка

Помимо аналитической модели и моделирования методом конечных элементов, в экспериментальных установках были проанализированы различные конфигурации звеньев.На рис. 4 схематично показано расположение использованной катушки и подложки, а также типичные геометрические размеры реализованного прототипа. Две выровненные соосные и копланарные спиральные обмотки разделены осевым расстоянием d = d
_б
— г
_a
. Подложка закреплена поверх тонкой изолирующей фольги, которая помещается на первичную обмотку, так что d
_a
фиксируется на d
_a
= 0.14 мм и d
_б
варьируется от 3 до 10 мм для различных настроек. Это покрывает типичное разделение катушек, встречающееся в реальных системах кохлеарных имплантатов. Две катушки идентичны по геометрическим параметрам внешнего радиуса, шага, ширины и толщины. Количество витков зафиксировано на N
_б
= 3 для вторичной обмотки, тогда как N
_a
для первичной обмотки варьируется от 1 до 24 в различных измерениях. Невозмущенная система с воздушным сердечником, которая служит эталоном, работает на частоте 11,7 МГц и имеет N _a = 8 т с индуктивностью L .
₀ = 2,53 мкГн и радиус внешней катушки r
_{катушка} = 14,3 мм. Подложка бывает однослойной или двухслойной и состоит из дискообразных ферритовых и медных листов. В случае двухслойной подложки мы используем соответствующие радиусы подложки r .
_саб , оптимальное значение р
Подраздел будет определен в следующем разделе.Для экранирования использовался ферритовый материал IRLG5, гибкая ферритовая фольга от TDK ( мкм
_г
= 50, σ = 0,2 S / м) толщиной 0,5 мм. Для моделирования металлической поверхности использовался медный диск толщиной 0,2 мм. Для экспериментов использовались спиральные катушки печатной платы (PCB). Витки распределены равномерно, то есть с постоянным шагом между витками, начиная с внешнего радиуса катушки.

Фиг.4

Top : Вид в разрезе использованной системы катушек прототипа на конечной двухслойной подложке. Число витков вторичной обмотки b зафиксировано на Н .
_б
= 3, а N
_a
варьируется от 1 до 24 для разных экспериментов. Низ : Установка для экспериментальных измерений

Для изучения свойств различных конфигураций звеньев мы используем измерения собственной и взаимной индуктивности, а также силы связи звена. Схема для измерений показана на нижнем графике рис. 4. Катушки напечатаны на печатных платах с соединениями проводов на задней стороне печатной платы с катушкой на передней стороне, что ограничивает минимальное расстояние между катушками в этой установке, когда присутствует медь или феррит / медь. Для измерений индуктивности и связи тестируемое двухпортовое устройство подключается между портом 1 и портом 2 векторного анализатора цепей (ВАЦ, здесь ВАЦ LA 19-13-02), как показано на рис. 5a. Измерения основаны на резонансном методе [21], который подробно описан в Приложении 1.

Рис. 5

Установка для измерения индуктивности и связи. В a показано подключение тестируемого устройства (DUT) к анализатору цепей. Конкретные конфигурации для измерения индуктивности L и связи k показаны в b и c .

Eddy Currents — обзор

12.2.1 Предел низких частот

Давайте сначала рассмотрим предел низких частот, когда поле H внутри плиты показывает только небольшое отклонение от приложенного поля H _a . Это означает, что H _eddy << H _a . В соответствии с этим приближением, каким бы ни был закон намагничивания B ( H ), B и ∂B / ∂t будут примерно независимы от y , так что мы можем аппроксимировать их средним значением по кресту плиты. раздел.Мы используем обозначение полной производной, дБ / dt , чтобы обозначить это среднее значение, не зависящее от места. Средняя индукция была обозначена как < B > в предыдущем разделе, но, чтобы избежать громоздких обозначений, мы будем просто использовать символ B всякий раз, когда не будет риска двусмысленности. Согласно уравнениям Максвелла, задача описывается уравнениями

(12.10) ∂H∂y = j∂j∂y = σdBdt

с граничным условием H = H _a для y = ± d /2.Поскольку дБ / dt не зависит от y , решением будет

(12.11) jyt = σdBdty

(12.12) Hyt = Hat − σ2dBdtd24 − y2

, действительное в интервале — d /2 ≤ y ≤ d /2. Вихревые токи текут параллельно краям плиты в противоположных направлениях в верхней и нижней части плиты. Параболический профиль внутреннего поля показывает общую особенность вихретоковых эффектов. Вихревые токи создают встречное поле H _вихрь , которое противодействует действию приложенного поля и которое больше в центре плиты.Один имеет экранирующий эффект, который становится все более важным с увеличением скорости изменения магнитной индукции.

Согласно формуле. (12.3) и уравнение. (12.11) мгновенная потеря мощности на единицу объема в момент времени t составляет

(12.13) Pclt = 1d∫ – d / 2d / 2j2ytσdy = σd212dBdt2

В большинстве случаев интересует среднее значение по времени уравнения (12,13). (12.13) по циклу намагничивания. В случае контура пиковой индукции B _max и частоты намагничивания f , свипирование с постоянной скоростью индукции в каждом полупетле (т.е.например, при треугольной форме волны индукции), дБ / dt = ± 4 B _max f и средняя потеря мощности составляет

(12,14) PTRIcl = 43σd2B2maxf2

При синусоидальной индукции B ( t ) = B _max sin (2 πft ), простой расчет дает

(12,15) PSINcl = π26σd2B2maxf2

Уравнение (12. 14) и уравнение. (12.15) показывают, что для оценки динамических потерь недостаточно указать рабочую индукцию и частоту намагничивания.Потери явно зависят от деталей формы волны индукции. Учитывая, что среднее значение квадрата любой величины всегда больше квадрата его среднего значения, и что 4 B _max f представляет собой среднее значение скорости индукции в любой полупетле пиковой индукции B _max и частота намагничивания f , мы заключаем, что уравнение. (12.14) представляет минимально возможные потери в любом произвольном цикле с заданными B _max и f .Например, мы видим из уравнения. (12.14) и уравнение. (12.15) следует, что PSINcl = π2 / 8PTRIcl.

Примечательно, что в предыдущем обсуждении мы никогда не использовали закон намагничивания материала B ( H ). Это означает, что полученные результаты применимы к любому материалу и могут быть отлиты в форме общего принципа, предписывающего, как не зависящее от скорости поведение B ( H ) модифицируется классическими эффектами потерь. Давайте пересмотрим уравнение. (12.12), и поищем усредненное описание образца в целом, без учета его поля и внутреннего распределения индукции.Принимая среднее значение и уравнения (12.12) получаем

(12.16) σd212dBdt = Hat − HB

, где < H > представляет собой пространственное среднее внутреннего поля. Мы выразили < H > как функцию от B , чтобы напомнить тот факт, что внутреннее поле должно в среднем согласовываться с материальным конституционным законом. Уравнение (12.16) показывает, что для прохождения петли с заданной скоростью индукции мы должны приложить внешнее поле H _a , большее, чем среднее внутреннее поле < H >.Разница в классическом поле

(12.17) Hclt = σd212dBdt

Этот вывод применим в каждый момент времени, поэтому мы можем построить динамическую петлю гистерезиса, начав с петли, не зависящей от скорости, наблюдаемой на исчезающих частотах, и путем расширения его в каждой точке классическим полем (см. рис. 12.2). Связь между классическим полем и классическими потерями проясняется выражением Ур. (12.13) в виде

Рисунок 12.2. Изменение формы петли гистерезиса, вызванное классическим полем H _cl ( t ) (уравнение.12.17).

(12.18) Pclt = HcltdBdt

Конструкция, представленная на рис. 12.2, показывает, что, учитывая тот же статический контур, соответствующий динамический контур будет зависеть от конкретной реализованной скорости индукции, потому что H _cl ( t ) зависит от дБ / dt . Это означает, что динамические контуры, пересекаемые при синусоидальной или постоянной скорости индукции, будут иметь разные формы и, следовательно, разные потери (см. Уравнение 12.14 и уравнение 12.15).Этот результат отражает общее свойство зависящего от скорости гистерезиса и имеет важное значение для характеристики магнитных материалов. Фактически, это требует тщательного определения условий индукции, при которых должны быть получены данные о потерях, чтобы позволить значимое сравнение различных материалов. Согласно международным стандартам, динамические потери должны измеряться при контролируемой скорости синусоидального намагничивания, и даны точные правила для оценки точности управления формой сигнала.

Результаты, полученные в этом разделе, представляют собой полезный низкочастотный предел, наиболее привлекательная особенность которого заключается в том, что он полностью не зависит от закона намагничивания материала B ( H ). Однако при увеличении частоты это приближение может вскоре стать неточным, когда классическое поле H _cl станет сравнимым с приложенным полем. Например, в слоистом Si-Fe, намагниченном при 50 Гц и 1,5 Тл, с σ ~ 2 10 ⁶ Ом ⁻¹ м ⁻¹ , d ~ 3 10 ⁻⁴ м , и дБ / dt ~ 4 B _max f = 300 Ts ⁻¹ , получается H _cl ~ 5 Am ⁻¹ , что уже сопоставимо с коэрцитивное поле кремнистых сталей с ориентированной структурой.

Когда низкочастотное приближение становится неадекватным, мы должны вернуться к уравнениям Максвелла и искать более точное решение проблемы. При этом основная сложность заключается в том, что поведение потерь больше не зависит от закона намагничивания материала, и конкретный выбор приводит к другим результатам. Общий анализ проблемы становится сложным, и обычно приходится прибегать к численным методам, чтобы найти самосогласованные решения. ⁴ Мы не будем обсуждать различные алгоритмы, которые можно использовать для поиска конкретных решений этой проблемы. Мы только подчеркиваем общий интерес. Когда вихретоковая защита важна, разные точки плиты будут проходить через разные локальные петли гистерезиса. Ожидается, что при заданном фиксированном значении средней индукции < B > элементарные объемы глубже в плиту будут достигать более низкой пиковой индукции, чем объемы у поверхности плиты, из-за экранирующего эффекта вихревых токов.Это означает, что не зависящая от скорости часть потерь, рассчитанная как интеграл от HdB по локальным контурам и по всем элементарным объемам, будет зависеть от пространственного профиля индукции, который, в свою очередь, будет зависеть от частоты намагничивания и закона намагничивания. материала. Возникает сложная ситуация, когда в целом больше не уместно говорить о гистерезисных потерях, не зависящих от скорости, потому что, даже если локально у нас есть независимые от скорости вклады, их пространственное среднее будет изменяться с частотой как следствие изменений в гистерезисе. распределение потока.

Как мы уже говорили, решения на произвольных частотах больше не зависят от закона намагничивания материала. Мы обсудим два предельных случая, представляющих особый интерес: первый, где закон намагничивания просто линейный , B = мкГн , и второй, где отклик материала аппроксимируется ступенчатой ​​функцией формы B = + B _max для H > 0, B = — B _max для H <0 (см.рис.12.3). Ожидается, что первый случай применим при возбуждении в слабом поле, когда материал лишь слегка намагничен. Последнее относится к противоположной крайности, когда задействованные поля настолько велики, что мы ожидаем, что материал станет насыщенным при полях, намного меньших, чем максимальные поля, достигаемые в каждом цикле намагничивания. В этом последнем приближении материал ведет себя как идеальный мягкий материал в смысле, обсуждаемом в разделе 4.1.3, до тех пор, пока не достигнет насыщения. Обратите внимание, что, строго говоря, насыщение следует выражать в терминах постоянной намагниченности насыщения, а не индукции насыщения.Задание индукции приводит к более простой математической обработке. С другой стороны, разница между намагниченностью и индукцией обычно невелика в магнитомягких материалах, где важны вихретоковые эффекты.

Рисунок 12.3. Линейный и ступенчатый закон намагничивания.

Что такое вихретоковые токи и как работают вихретоковые тормоза?

Спрашивает:

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 того, что вихревые токи имеют тенденцию противодействовать, 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, вызывающего вихревые токи в колесах. 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 (похожий на 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 каждую отдельную секцию провода, движущуюся в поле, вы увидите, что сила, перпендикулярная 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 натянута петля, тем сильнее она будет тянуться.

Я думаю, что большинство людей могут добиться 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 до того, как переходные процессы затухают; представьте, что конденсатор действует как короткое замыкание на высоких частотах) плиты заставляет природу перемещать ток по тому же пути. 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. . .

Помню, 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 потрепанные 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 мотора на лампочку и включите мотор 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.

А 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, вам нужно построить цепь самостоятельно — 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, ИЗМЕНЯЮЩЕЕСЯ 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.

Его происхождение, применение и недостатки

Наука> Физика> Электромагнитная индукция> Вихревые токи

Если металлический блок перемещается в магнитном поле или находится в изменяющемся магнитном поле, свободные электроны в проводнике испытывают силу и начинают циркулировать. Это приводит к возникновению наведенных токов в замкнутых круговых путях, известных как вихревые токи или токи Фуко.Эти индуцированные вихревые токи текут в виде завихрений в таком направлении, чтобы противодействовать движению проводника в поле.

Вихревые токи выделяют большое количество тепла в сердечнике из мягкого железа трансформаторов, индукционной катушке, электродвигателях и т. Д. Это приводит к снижению КПД таких машин. Однако вихревые токи можно с успехом использовать во многих электрических устройствах.

Использование вихревых токов:

Гальванометр прямого действия:

Катушка
гальванометр с подвижной катушкой, который используется для измерения тока, намотан на
медный или алюминиевый каркас.При протекании тока катушка отклоняется и, как
как только ток прекращается, катушка начинает колебаться около своего равновесия.
должность. Однако вихревые токи, возникающие в металлическом каркасе, противодействуют
колебательное движение. В результате он колеблется. Это заставляет движущуюся катушку
гальванометр беспроигрышный.

Асинхронный двигатель:

Асинхронный двигатель состоит из длинной металлической оси, слегка установленной в однородном магнитном поле, ось которой расположена под прямым углом к ​​полю.Если магнитное поле повернуть относительно неподвижной оси, в нем развиваются вихревые токи. Возникающие таким образом вихревые токи пытаются уменьшить относительное движение, вращая ось в том же направлении, что и магнитное поле. Это принцип работы асинхронного двигателя.

Индукционная печь:

Нагревательный эффект вихревого тока используется для плавки металла в индукционной печи. Вихревые токи большой величины создаются полем. Изменения магнитного поля настолько быстрые, что генерируются очень большие вихревые токи, а выделяемого тепла достаточно для быстрого плавления.Индукционная печь используется для производства сплавов различных металлов.

Электрические тормоза:

Это
эффективная тормозная система электропоездов. Ось поезда
окружен соосным цилиндрическим барабаном. Когда поезд должен быть остановлен,
К вращающемуся барабану приложено сильное магнитное поле. Это приводит к
генерация больших вихревых токов, которые препятствуют относительному движению между
стационарное поле и ось. Таким образом поезд замедляется и останавливается
быстро и плавно.

Спидометр:

в
спидометра магнит вращается внутри вращающегося металлического барабана. Скорость
вращение зависит от скорости автомобиля. Вихревые токи в барабане вызывают
магнит вращаться вместе с барабаном. Он поворачивается на угол, равный
пропорционально скорости автомобиля. Указатель, прикрепленный к магниту
показывает скорость автомобиля по калиброванной шкале.

Недостатки вихревых токов:

• При смене вихревых токов происходит большая потеря тепла из-за трения в магнитной цепи, особенно там, где сердечник насыщен. Таким образом, происходит потеря полезной электрической энергии в виде тепла.
• Имеется утечка магнитного потока.
• Чтобы избежать потерь из-за вихревых токов, сердечники индукционных катушек и трансформатора сконструированы не в виде блока, а из нескольких тонких полос.

Наука> Физика> Электромагнитная индукция> Вихревые токи

Вихревые токи> Лаборатория поддержки лекций по физике и астрономии> USC Dana and David Dornsife College of Letters, Arts and Sciences

EM.5 (1) — Поворотная алюминиевая пластина

На плоской алюминиевой пластине размером примерно 5 см x 8 см есть прорези посередине ее длинной стороны. Он имеет как маятник между полюсами сильного подковообразного магнита. Пластина может быть установлена ​​так, чтобы сторона с прорезями находилась на твердой стороне магнитного поля. Когда сплошная сторона висит на магнитном поле, она не раскачивается — если отпустить с любой высоты, пластина быстро останавливается в области магнитного поля. Однако, если пластина перевернута и эта сторона с прорезями находится в области магнитного поля, пластина свободно раскачивается через это поле.

Он демонстрирует принцип вихретокового тормоза и, наоборот, эффективность многослойных сердечников трансформатора для уменьшения вихревых токов.

Верх

EM.5 (2) — Вихретоковый двигатель

Пустая банка для безалкогольных напитков помещается на подставку вверх дном, чтобы она могла свободно вращаться. Затем он устанавливается рядом с электромагнитом, но не сбоку от него.Электромагнит — это большая индукционная катушка, подключенная к источнику переменного тока. Когда электромагнит находится под напряжением, банка вращается. Если банку переместить на другую сторону, она вращается в противоположном направлении.

Нажмите здесь, чтобы посмотреть видео этой демонстрации.

Верх

EM.5 (3) — Вихретоковый левитатор

Левитатор состоит из электромагнита, батареи конденсаторов и алюминиевой пластины.Он работает от источника переменного тока.

Электромагнит состоит из четырех концентрических катушек и многослойного железного сердечника. Четыре катушки намотаны одинаково и подключены к конденсаторной батарее, так что результирующая цепь представляет собой параллельный резонансный контур. Конденсатор достаточно большой, чтобы привести цепь в резонанс. Две катушки подключаются параллельно, а затем последовательно с конденсатором. Затем эта часть подключается параллельно с двумя другими катушками.Вертикальный анализ этой схемы показывает, что напряжение на катушках, соединенных последовательно с конденсатором, опережает приложенное напряжение примерно на 180 °.

Катушки и батареи конденсаторов соединены таким образом, что индуцированные магнитные поля имеют пространственное распределение, обеспечивающее необходимую стабильность алюминиевой пластины.

Полюсные наконечники многослойного железного сердечника периодически меняют свою полярность с переменным током в катушках. Это изменяющееся магнитное поле индуцирует сильные вихревые токи в алюминиевом поддоне, расположенном наверху электромагнита.Согласно закону Ленца, вихревые токи порождают противодействующие магнитные поля, и поддон постоянно подвергается действию направленной вверх силы в центральной области магнита.

Верх

EM.5 (4) — Закон Ленца

Алюминиевая трубка и прозрачная пластиковая трубка используются для демонстрации закона Ленца. Падающий пулевидный магнит индуцирует электрический ток в алюминиевой трубке, создавая противодействие магниту, заставляя его падать медленнее, чем другая пуля в пластиковой трубке при одновременном падении.

Размеры:

• Высота: 91,5 см
• Диаметр: 2,5 см

Верх

EM. 5 (5) Маятник Вальтенхофена

Этот эксперимент демонстрирует вихретоковое торможение. Маятник, заканчивающийся диском, заставляют колебаться между полюсами электромагнита. Вихревые токи индуцируются в диске, когда он движется в неоднородном магнитном поле.Это поле оказывает на токи силу, препятствуя их движению и приводя к затуханию колебаний. Эффект уменьшается, когда сторона диска с прорезями проходит через поле, поскольку прорези затрудняют образование вихревых токов.

Примечание: эффект демпфирования может быть не очевиден при визуализации только одного случая. Затем необходимо отслеживать количество колебаний и сравнивать два случая (со щелями и без них).

Нажмите здесь, чтобы посмотреть видео этой демонстрации.

Верх

EM.5 (6) Вихретоковый слайд

На этой демонстрации показано влияние вихревых токов при скатывании магнита по различным пластинам. Это 5 пластин (медь, алюминий, латунь, сталь и пластик), смонтированных на плексигласовой конструкции с регулируемой подставкой.

Нажмите здесь, чтобы посмотреть видео этой демонстрации.

Верх

EM.5 (7) — Вихретоковый велосипедный тормоз

Вихретоковый тормоз, как и обычный фрикционный тормоз, представляет собой устройство, используемое для замедления или остановки движущегося объекта путем рассеивания его кинетической энергии в виде тепла.Однако, в отличие от электромеханических тормозов, в которых сила сопротивления, используемая для остановки движущегося объекта, обеспечивается трением между двумя прижатыми друг к другу поверхностями, сила сопротивления в вихретоковом тормозе представляет собой электромагнитную силу между магнитом и ближайшим проводящим объектом в относительное движение из-за вихревых токов, индуцированных в проводнике за счет электромагнитной индукции.