Что такое вихревые токи Фуко: природа возникновения и применение

Значение

Чем быстрее движется проводящее тело в поле, тем сильнее будут токи Фуко. Частота переменного тока и его амплитуда при возрастании тоже способствуют их увеличению.

При воздействии на проводящее тело электромагнитом с переменным током, вихревые токи возрастают с увеличением частоты тока и его амплитуды. Направление вращения «вихря» определяется аналогичным параметром магнитного потока. Если последний возрастает, то есть скорость его изменения положительна (dФ / dt > 0), вихревые токи вращаются по часовой стрелке.

При убывании магнитного потока (dФ / dt < 0) направление вращения меняется на противоположное. «Вихрь» зарядов в теле выбирает такую плоскость вращения, чтобы оказывать максимальное сопротивление вызывающей их силе (правило Ленца). Эта плоскость составляет прямой угол с силовыми линиями индуцирующего поля.

При этом вихревые токи сами генерируют магнитное поле, направленное против вызывающего их внешнего (индуцирующего) магнитного поля. В этом и состоит механизм взаимодействия токов Фуко с индуктором, заставившее вращаться диск в опыте Араго.

Применение

Исследуя вихревые токи, Ж. Б. Л. Фуко обнаружил, что они вызывают нагрев проводника. Это явление широко используют в технике и различных отраслях промышленности.

Вот несколько примеров:

plity-miele-km-6347-1450182690_360x269.jpg

  1. индукционная кухонная плита. Достоинство устройства состоит в экономичности: энергия тратится сугубо на нагрев посуды с пищей, сама плита остается холодной. Требуется посуда из ферромагнитных материалов, то есть таких, к которым пристает магнит. Существуют такие разновидности чугуна и нержавейки, алюминиевую же посуду делают с ферромагнитным дном;
  2. индукционный отопительный котел. Достоинства – в простоте устройства. Теплообменник представляет собой трубу (в некоторых моделях — с сердечником), обмотанную проводом. Целостность его не нарушается, как в ТЭНовых котлах, потому протечки исключены. Поверхность нагрева имеет большую площадь: в этом качестве выступает весь теплообменник (находится в поле электромагнита);
  3. индукционные печи на металлургических и прочих заводах. Сталь и другие металлы загружаются в тигель и помещаются в поле переменного магнита. Выгода в том, что энергия тратится сугубо на нагрев материала, а не тигля;
  4. дегазация металлических частей вакуумных установок. Без данной процедуры достижение полного вакуума невозможно, поскольку в арматуре и других металлических элементах содержится небольшое количество газов, в условиях вакуума понемногу выделяющихся. Для принудительной дегазации требуется нагрев, а нагреть находящийся внутри установки металлический элемент можно только бесконтактным способом. На помощь приходят ЭИ и токи Фуко;
  5. поверхностная закалка металлических изделий. Требуется для упрочнения внешнего слоя при сохранении пластичности основной части детали. Пример — шестерни. Если закалить изделие полностью, оно станет хрупким и при нагрузках сломается.

Laminated_core_eddy_currents_2.svg_.png

Вихревые токи в магнитопроводе

Чтобы нагреть только поверхностный слой, токи Фуко используют в сочетании со скин-эффектом. Последний состоит в снижении плотности тока вблизи оси проводящего тела и возрастании ее у поверхности, что проявляется тем сильнее, чем выше частота тока.

Объясняется скин-эффект тем, что вектор напряженности создаваемого вихревыми токами поля направлен:

  • внутри детали — против наведенной (индуцированной) ЭДС;
  • на поверхности — в одну сторону с ней.

Скин-эффект имеет место и при протекании сгенерированного электростанцией высокочастотного тока по проводам. При этом сопротивление последних значительно увеличивается, поскольку работает только поверхностный слой.

Для борьбы используют такие меры:

  • применяют плоские и полые проводники;
  • наносят на поверхность токопроводящих жил металлы с меньшим сопротивлением (серебро, золото);
  • уменьшают шероховатость проводника (сокращается путь тока в поверхностном слое).

Другой способ применения основан на взаимодействии вихревых токов с вызывающим их магнитным полем.

Как уже говорилось, индукционный ток выбирает такой путь, чтобы производимое им магнитное поле максимально противодействовало индуцирующему (правило Ленца). В результате на движущееся в магнитном поле тело с низким электрическим сопротивлением (сила вихревых токов, как и всех остальных, обратно пропорциональна сопротивлению), действует тормозящая сила.

Тормозящая силу используют для:

  • торможения диска электросчетчика (повышается точность показаний);
  • демпфирования подвижных частей сейсмографов, гальванометров и прочих приборов;
  • торможения железнодорожных составов (в некоторых конструкциях).

Вихретоковый метод (

На взаимодействии индуцирующего электромагнитного поля и создаваемого токами Фуко основан вихретоковый метод контроля деталей из проводящих материалов — металлов и их сплавов, полупроводников, графита. Метод является не только неразрушающим, но и бесконтактным. Это позволяет значительно увеличить скорость продвижения исследуемых изделий.

Суть метода:

  1. деталь помещается в переменное магнитное поле, генерируемое одной или несколькими индукционными обмотками (вихретоковым преобразователем);
  2. создаваемое токами Фуко поле анализируется измерительной катушкой.

Сопротивление материала увеличится, если в изделии имеются:

  • трещины;
  • раковины;
  • утоньшение стенки;
  • коррозия и прочие дефекты, нарушающие однородность.

Вихревые токи и создаваемое ими электромагнитное поле будут отличаться от нормы, эта информация, как и данные о положении исследуемого объекта относительно вихретокового преобразователя, определяется путем замеров на выводах катушек:

  • напряжения;
  • сопротивления.

Методом проверяют состояние широкого спектра изделий:

  • крепежных элементов;
  • роликов подшипников;
  • труб;
  • проволоки;
  • рельс;
  • корпусов атомных реакторов и многих других.

Дефектоскопия газопровода

Помимо дефектоскопии и дефектометрии метод вихретокового контроля используется в:

  • виброметрии;
  • толщинометрии (контроль вибраций);
  • структуроскопии (определение структурного состояния материала).

При протекании постоянного тока скин-эффект не наблюдается, потому его иногда используют для транспортирования большой мощности на значительные расстояния.

Свойства токов Фуко

По своей природе вихревые токи не отличаются от токов индукции, которые возникают в проводах.

Направление и сила токов Фуко зависят от формы металлического проводника, от направления переменного магнитного потока, свойств металла, скорости изменения магнитного потока. Распределение токов Фуко в металле может быть очень сложным.

В проводниках, которые имеют большие размеры в направлении перпендикулярном к направлению тока индукции, вихревые токи могут быть весьма велики, что приводит к значительному повышению температуры тела.

Свойства вихревых токов нагревать проводник применяют в индукционных печах для плавления металлов.

Токи Фуко, как и другие токи индукции, подчиняются правилу Ленца, то есть они имеют такое направление, что взаимодействие их с первичным магнитным полем тормозит то движение, которым вызвана индукция.

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:

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.

kartinka-1-toki-fuko.jpg 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.

kartinka-2-opredelenie-iz-uchebnogo-posobiya-4.jpg Определение из учебного пособия

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
А как считаете Вы?
Напишите в комментариях, что вы думаете – согласны
ли со статьей или есть что добавить?
Добавить комментарий