Open Library - открытая библиотека учебной информации. Токи фуко применение

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

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

История открытия явления

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

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

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

Силы вихревых потоков

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

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

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

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

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

Использование в дефектоскопии

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

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

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

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

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

Применение токов Фуко

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

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

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

 

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

 

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

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

220v.guru

Токи Фуко или практическое применение электромагнитной индукции

На практике широкое применение явления электромагнитной индукции проявляется в электрических машинах, где происходит процесс преобразования механической энергии (движение проводника в магнитном поле) в электрическую (индуцирование электрического тока). Такие машины называют генераторами.

Генератор состоит из вращающегося электромагнита ротора и неподвижного  статора. На статоре расположена обмотка (провода), в которой при вращении ротора в магнитном поле будет наводиться ЭДС. Индуцируемый таким образом ток называется переменным, так как наводимые ЭДС непостоянны по направлению и величине. Если используется генератор постоянного тока, то при помощи коллекторного узла можно получить постоянное напряжение.

Если в магнитном поле находится проводник с током, то согласно закону Ампера на него будет действовать сила:

Данная сила и перемещает его в пространстве. В результате и происходит преобразование механической энергии в электрическую и наоборот.

Б.С. Якоби в 1834 году изобрел первый электродвигатель. Явление электромагнитной индукции используется в трансформаторах, электромагнитах и других электрических устройствах.

Переменное магнитное поле способно индуцировать электрический ток не только в линейных проводниках и контурах, но и в сплошных проводящих средах. В сплошных проводящих средах под воздействием переменного магнитного поля возникают замкнутые токи, которые называют вихревые токи или токи Фуко. Вихревые токи, протекая в проводнике, нагревают его согласно закону Джоуля – Ленца и снижают КПД электрических машин, трансформаторов, а также прочих электромагнитных механизмов и аппаратов. Более того, вихревые токи оказывают размагничивающее действие в электромагнитах.

Чтобы уменьшить потери, связанные с токами Фуко, вместо сплошных сердечников применяют сердечники, набранные из изолированных тонких листов, или изготавливают их из магнитодиэлектриков, то есть диэлектриков, обладающих магнитными свойствами.

Методы индукционного нагрева металла основаны на вихревых токах, с помощью которого осуществляется плавление или нагрев проводящих материалов (особенно в вакууме).  

elenergi.ru

Токи Фуко

Индукционные токи, возникающие в массивных сплошных проводниках, называются вихревыми токами, или токами Фуко.

Сила вихревого тока удовлетворяет соотношению (15.5), где - потокосцепление замкнутого контура вихревого

тока,

R - электрическое сопротивление цепи этого тока.

В массивных проводниках R мало, и токи Фуко могут достигать большой силы даже в не очень быстро меняющихся магнитных полях.

В соответствии с правилом Ленца токи Фуко выбирают внутри проводника такой путь и направление, чтобы противодействовать изменению магнитного потока, индуцировавшего их. Поэтому движущиеся в сильном магнитном поле хорошие проводники испытывают сильное торможение, обусловленное взаимодействием токов Фуко с магнитным полем. Это используют для демпфирования (успокоения) подвижных частей гальванометров, сейсмографов и других приборов.

Вихревые токи приводят к неравномерному распределению магнитного потока по сечению проводящего сердечника (рис. 15.6): при высокой частоте тока магнитный поток проходит лишь в тонком поверхностном слое сердечника.

Рис. 15.6

Вихревые токи вызывают сильное нагревание проводников. Чтобы предотвратить потери энергии на нагревание сердечников трансформаторов и якорей генераторов, их делают не сплошными, а набирают из тонких пластин, разделенных изолирующими прослойками, располагая их перпендикулярно возможным направлением токов Фуко. (Появление ферритов (см. п. 13.10.1)- полупроводниковых магнитных материалов с большим удельным сопротивлением – сделало возможным изготовление сплошных сердечников).

Тепловое действие токов Фуко используется в индукционных печах. Индукционная печь представляет собой катушку, по обмотке которой пропускается ток высокой частоты. Внутрь катушки помещают тигель с веществом (металлом), в котором возникают интенсивные вихревые токи. Джоулево тепло, выделяемое в единицу времени вихревым током, пропорционально квадрату частоты изменения магнитного потока. Этим способом осуществляется плавление металлов в вакууме. В результате получаются сверхчистые материалы.

Вихревые токи возникают и в самих проводниках, по которым текут переменные токи: их направление определяется по правилу Ленца, как показано на рис. 15.7.

Рис. 15.7

В обоих случаях направление вихревых токов таково, что они противодействуют изменению первичного тока внутри проводника и способствуют его изменению вблизи поверхности. В результате быстропеременный ток как бы вытесняется на поверхность провода. Это явление называется скин-эффектом (от англ. skin – кожа) или поверхностным эффектом. Из-за скин-эффекта провода для токов высокой частоты делают полыми.

15.4. Явление самоиндукции. Индуктивность

Самоиндукцией называется явление возникновения э.д.с индукции в электрической цепи вследствие изменения в ней электрического тока.

Самоиндукция – частный случай электромагнитной индукции. При изменении электрического тока в каком-либо замкнутом контуре изменяется полный магнитный поток , обусловленный собственным магнитным полем этого тока. По основному закону электромагнитной индукции (15.4), в контуре возникает электродвижущая сила самоиндукции

. (15.6)

Из закона Био-Савара-Лапласа (12.10) следует, что магнитная индукция В поля замкнутого контура с током пропорциональна силе тока I, следовательно, полный магнитный поток тоже пропорционален силе тока, т.е.

. (15.7)

Коэффициент пропорциональности L между ними называется индуктивностью контура.

Выразим э.д.с. самоиндукции через индуктивность контура, подставив (15.7) в (15.6):

(15.8)

Если при изменении силы тока индуктивность остается постоянной (это возможно при отсутствии ферромагнетиков), т.е. L=const, то dL/dt=0, и соотношение (15.8) примет вид

. (15.9)

По правилу Ленца э.д.с. самоиндукции противодействует изменению тока в контуре, то есть замедляет его возрастание или убывание. Это означает, что индуктивность контура является мерой его инертности в отношении изменения силы тока.

Индуктивность L контура зависит от его формы и размеров, а также от магнитных свойств (от) окружающей контур среды. Если контур жесткий и находится в однородной, изотропной, неферромагнитной среде, то его индуктивность является постоянной величиной.

За единицу индуктивности в системе СИ принимают индуктивность такого контура, у которого при силе тока в 1А возникает сцепленный с ним поток в 1Вб. Эту единицу называют генри (Гн):

Рассмотрим некоторые примеры.

Пример 1. Индуктивность тонкого соленоида.

studfiles.net

Фуко токи Википедия

Иллюстрация возникновения токов Фуко в движущейся в постоянном магнитном поле проводящей (металлической) пластине C. Вектор магнитной индукции B показан зелеными стрелками, вектор V скорости движения пластин — черными стрелками, силовые линии вектора плотности электрического тока I — красным цветом (эти линии замкнутые, "вихревые"). Источником магнитного поля является постоянный магнит, его фрагмент показан вверху рисунка серым цветом. Вектор магнитной индукции B направлен от северного (N) полюса магнита, магнитное поле пронизывает пластину. В материале пластины, входящем под магнит, т.е. слева, магнитная индукция изменяется во времени, возрастает (dBn/dt > 0), и в соответствии с законами Фарадея и Ома в материале пластины возникает (наводится, "индуцируется") замкнутый (вихревой) электрический ток. Этот ток течет против часовой стрелки и, по закону Ампера, создает свое собственное магнитное поле, вектор магнитной индукции которого показан синей стрелкой, направленной перпендикулярно плоскости протекания тока, вверх. Справа, в материале пластины, удаляющемся от магнита, магнитное поле тоже меняется во времени, однако оно ослабевает, и силовые линии возникающего справа еще одного электрического тока направлены по часовой стрелке. Точно под магнитом "левый" и "правый" вихри токов направлены в одну и ту же сторону, плотность суммарного электрического тока максимальна. На движущиеся в этой области электрические заряды, поток которых образует электрический ток, в сильном магнитном поле действует сила Лоренца, направленная (по правилу левой руки) против вектора скорости V. Эта сила Лоренца тормозит пластину C. Взаимодействие магнитного поля магнита и магнитного поля индуцированных токов приводит к тому, что результирующее распределение потока магнитного поля в окрестности полюса N магнита отличается от случая неподвижной пластины C (и зависит от скорости V), хотя суммарный поток вектора магнитной индукции остается неизменным (при условии, что материал магнита и пластины C не входит в насыщение).

wikiredia.ru

Токи Фуко (вихревые) и их применение

Электроника Токи Фуко (вихревые) и их применение

просмотров - 259

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.

Рис.262	Рис.263

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.

Рис.264

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.

oplib.ru

Токи Фуко

Токи Фуко или вихревые токи представляют собой индукционные объемные электрические токи, возникающие в проводниках при действии на них изменяющегося во времени потока магнитного поля.

Эти токи порождают свои собственные магнитные потоки, которые противодействуют потокам, вызвавшим появление токов. Такое противодействие приводит к нагреву проводника. Данное свойство является паразитным, но иногда его используют как в промышлености так и в быту.

История открытия токов Фуко

Впервые явление возникновения вихревых токов в 1824 году обнаружил французский ученый Франсуа Жан Доминик Араго. Он исследовал влияние магнитного поля на проводник. В своих опытах француз использовал медный диск, который находился на одной оси с вращающейся магнитной стрелкой. Поскольку стрелка была источником изменяющегося во времени магнитного потока, медный диск начинал вращаться.

И хотя Араго не смог объяснить данное явление (позже его раскрыл Майкл Фарадей), оно все же было названо в честь французского ученого (явление Араго). Однако сами вихревые токи были тщательно исследованы еще позже французским физиком Жаном Бернаром Фуко в честь которого впоследствии и были названы.

Где используются

Токи Фуко достаточно широко используются в различных областях производства и даже в быту. Так, к примеру, тепловая энергия, возникающая вследствие воздействия вихревых токов на проводник используется в промышленных индукционных печах и бытовых индукционных плитах.

Также токи Фуко используются для прогрева металлических деталей в вакуумных установках при их дегазации (закаливании), а также для снижения паразитных колебаний в различных механизмах.

Паразитное воздействие

Не смотря на широкое применение токов Фуко, в большинстве случаев их возникновение нежелательно. Это касается как слаботочных так и мощных электрических установок, где вихревые токи из-за процесса нагревания металлических частей приводят к энергетическим потерям.

scsiexplorer.com.ua

Токи Фуко (вихревые) и их применение

Электроника Токи Фуко (вихревые) и их применение

просмотров - 258

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.

Рис.262	Рис.263

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.

Рис.264

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.

oplib.ru

---

• 
  Отключение электроэнергии картинка
• 
  Счетчик 380в
• 
  Косвенное измерение примеры
• 
  Схема генератор
• 
  Подпороговый ток оказывает на клетку
• 
  Соединение проводов пуэ
• 
  Однолинейная схема электроснабжения многоквартирного дома
• 
  Частота тока на что влияет
• 
  Чертежи николы тесла
• 
  Установка люминесцентных светильников
• 
  При параллельном соединении элементов