На чем основан вихретоковый контроль токи фуко токи тесла вихрях эффекте фарадея

Обновлено: 02.07.2024

Рассмотрение вихревых замкнутых электрических токов в массивном проводнике. Воздействие переменного электромагнитного поля на силу индукции. Применение вихревых токов в электрометаллургии при индукционной плавке металлов и поверхностной закалке.

Рубрика	Физика и энергетика
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	03.03.2015
Размер файла	246,3 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Токи Фуко (в честь Фуко, Жан Бернар Леон) -- это вихревые замкнутые электрические токи в массивном проводнике, которые возникают при изменении пронизывающего его магнитного потока. Вихревые токи являются индукционными токами и образуются в проводящем теле либо вследствие изменения во времени магнитного поля, в котором находится тело, либо вследствие движения тела в магнитном поле, приводящего к изменению магнитного потока через тело или какую-либо его часть. Величина токов Фуко тем больше, чем быстрее меняется магнитный поток.

Впервые вихревые токи были обнаружены французским учёным Д.Ф Араго (1786--1853) в 1824 г. в медном диске, расположенном на оси под вращающейся магнитной стрелкой. За счёт вихревых токов диск приходил во вращение. Это явление, названное явлением Араго, было объяснено несколько лет спустя M. Фарадеем с позиций открытого им закона электромагнитной индукции: вращаемое магнитное поле наводит в медном диске токи (вихревые), которые взаимодействуют с магнитной стрелкой. Вихревые токи были подробно исследованы французским физиком Фуко (1819--1868) и названы его именем. Он открыл явление нагревания металлических тел, вращаемых в магнитном поле, вихревыми токами.

В отличие от электрического тока в проводах, текущего по точно определённым путям, вихревые токи замыкаются непосредственно в проводящей массе, образуя вихреобразные контуры. Эти контуры тока взаимодействуют с породившим их магнитным потоком. Согласно правилу Ленца, магнитное поле вихревых токов направлено так, чтобы противодействовать изменению магнитного потока, индуцирующего эти вихревые токи. вихревый ток проводник индукция

Токи Фуко возникают под воздействием переменного электромагнитного поля и по физической природе ничем не отличаются от индукционных токов, возникающих в линейных проводах. Они вихревые, то есть, замкнуты в кольца. Электрическое сопротивление массивного проводника мало, поэтому токи Фуко достигают очень большой силы. В соответствии с правилом Ленца они выбирают внутри проводника такое направление и путь, чтобы противиться причине, вызывающей их. Поэтому движущиеся в сильном магнитном поле хорошие проводники испытывают сильное торможение, обусловленное взаимодействием токов Фуко с магнитным полем. Это свойство используется для подвижных частей гальванометров, сейсмографов и др. Тепловое действие токов Фуко используется в индукционных печах -- в катушку, питаемую высокочастотным генератором большой мощности, помещают проводящее тело, в нем возникают вихревые токи, разогревающие его до плавления. С помощью токов Фуко осуществляется прогрев металлических частей вакуумных установок для их дегазации.

Во многих случаях токи Фуко бывают нежелательными, поэтому приходится принимать специальные меры для их уменьшения. В частности, эти токи вызывают нагревание ферромагнитных сердечников трансформаторов и металлических частей электрических машин. Для снижения потерь электрической энергии из-за возникновения вихревых токов сердечники трансформаторов изготавливают не из сплошного куска ферромагнетика, а из отдельных металлических пластин, изолированных друг от друга диэлектрической прослойкой.

Проведем следующий эксперимент:

Берем постоянный магнит (1) в руки и быстро водим (3) его вдоль поверхности листа меди/алюминия (2), ориентируя к последнему один из полюсов магнита, так как показано на Рис.1.

Можно отчетливо ощутить возникающее сопротивление такому быстрому движению. Теперь пустим магнит в свободное скольжение по поверхности наклоненного толстого листа меди/алюминия. Можно заметить, что скольжение магнита сильно тормозится, и даже возникает впечатление, что магнит сильнее прижимается к листу проводника. Аналогичный эксперимент - постоянный магнит бросают в вертикальную трубу из меди или алюминия. Стандартное объяснение - движение магнита тормозят вихревые токи Фуко. Но умалчивается что суммарная масса электронов вовлеченных в вихревое движение во много раз меньше массы постоянного магнита. И потом, что мешает смещаться электронному вихрю вслед за скользящим магнитом? Логично предположить что "свободные" электроны, в электрическом проводнике, фактически не являются свободными. Существует некая сетка электропроводных мостиков меж атомами проводника, по которым движутся электроны. Эта-та сетка и привязывает множество вихрей токов Фуко к кристаллической решетке. Но, эксперимент с заменой сплошного листа проводника на опилки, показывает, что торможение движения постоянного магнита становится незаметным. Т.е. электропроводные "мостики" меж атомами проводника это не локальное явление. "Мостики" проявляют себя в макро-масштабах.

Но продолжим эксперимент с тем, что имеется у нас в руках - быстро водим (3) магнитом (1) вдоль поверхности листа меди/алюминия (2), ориентируя к последнему уже его оба полюса, так как показано на Рис.2.

При этом ощущается тоже сопротивление быстрому движению, что и в первом эксперименте.

Но вот если повернем магнит (1) и будем его быстро двигать (3), перпендикулярно прямой меж полюсами магнита (как показано на Рис.3), то мы уже не обнаружим сопротивление его быстрому движению.

Куда же делись токи Фуко? Никуда они не делись, просто их плоскость стала пересекать плоскость нашего листа меди/алюминия, что вызвало появление на поверхности листа электрического заряда как в банальном униполярном генераторе электрического тока. В нашем же случае электрическая цепь оказалась не замкнута, "вихревой" контур разомкнут… в макро-масштабах. Что опять наводит на мысль существования электропроводных "мостиков" меж атомами проводника в макро-масштабах.

Схематическое изображение возникающих вихревых токов в проводнике при изменении пронизывающего его потока вектора магнитной индукции . I - изменяющийся ток обмотки сердечника, вызывающий переменное во времени магнитное поле.

Таким образом, токи Фуко являются индукционными токами, они образуются либо вследствие изменения во времени магнитного поля, в котором находится проводник, либо в результате движения проводящего тела в магнитном поле, приводящего к изменению магнитного потока через тело или какую-либо его часть. Токи Фуко замыкаются непосредственно в проводящей массе, образуя вихреобразные контуры. Направления вихревых токов определяются правилом Ленца. Согласно правилу Ленца, магнитное поле вихревого тока направленно так, чтобы противодействовать изменению магнитного потока, индуцирующему эти вихревые токи.

Индукционные токи могут возникать также в сплошных массивных проводниках. При этом замкнутая цепь индукционного тока образуется в толще самого проводника при его движении в магнитном поле или под влиянием переменного магнитного поля. Эти токи названы по имени французского физика Ж.Б.Л. Фуко, который в 1855 г. обнаружил нагревание ферромагнитных сердечников электрических машин и других металлических тел в переменном магнитном поле и объяснил этот эффект возбуждением индукционных токов. Эти токи в настоящее время называются вихревыми токами или токами Фуко.

Если железный сердечник находится в переменном магнитном поле, то в нем под действием индукционного электрического поля наводятся внутренние вихревые токи - токи Фуко, ведущие к его нагреванию. Так как электродвижущая сила индукции всегда пропорциональна частоте колебаний магнитного поля, а сопротивление массивных проводников мало, то при высокой частоте в проводниках будет выделяться, согласно закону Джоуля-Ленца, большое количество тепла.

Вихревые токи широко используются для плавки металлов в так называемых индукционных печах, для нагревания и плавления металлических заготовок, получения особо чистых сплавов и соединений металлов. Для этого металлическую заготовку помещают в индукционную печь (соленоид, по которому пропускают переменный ток). Тогда, согласно закону электромагнитной индукции, внутри металла возникают индукционные токи, которые разогревают металл и могут его расплавить. Создавая в печи вакуум и применяя нагрев (в этом случае силы электромагнитного поля не только разогревают металл, но и удерживают его в подвешенном состоянии вне контакта с поверхностью камеры), получают особо чистые металлы и сплавы.

Полезное применение вихревые токи нашли в устройстве магнитного тормоза диска электрического счетчика. Вращаясь, диск пересекает магнитные силовые линии постоянного магнита. В плоскости диска возникают вихревые токи, которые, в свою очередь, создают свои магнитные потоки в виде трубочек вокруг вихревого тока. Взаимодействуя с основным полем магнита, эти потоки тормозят диск. В ряде случаев, применяя вихревые токи, можно использовать технологические операции, которые невозможно применить без токов высокой частоты. Например, при изготовления вакуумных приборов и устройств из баллона необходимо тщательно откачать воздух и иные газы. Однако в металлической арматуре, находящейся внутри баллона, имеются остатки газа, которые можно удалить только после заваривания баллона. Для полного обезгаживания арматуры вакуумный прибор помещают в поле высокочастотного генератора, в результате действия вихревых токов арматура нагревается до сотен градусов, остатки газа при этом нейтрализуются.

Вихревые токи находят полезное применение в электрометаллургии при индукционной плавке металлов и поверхностной закалке токами высокой частоты. Металл помещают в переменное магнитное поле, создаваемое током частотой 500 - 2000 Гц. В результате индуктивного разогрева металл плавится, а тигель, в котором он находится, при этом остается холодным. Например, при подведенной мощности 600 кВт тонна металла плавится за 40-50 минут.

Принцип действия классических (фрикционных) тормозов

Для лучшего понимания рассмотрим для начала принцип работы традиционного (фрикционного) тормозного механизма. Каждый движущийся объект обладает кинетической энергией. Для прекращения движения необходимо избавиться от энергии движения. К примеру, в случае передвижения на велосипеде с малой скоростью, достаточно опустить ноги к земле, чем вызвать эффект трения.

Конструкция фрикционного механизма: 1 – возвратная пружина; 2 – удерживающий штифт; 3 – держатель детали; 4 – настраиваемая пружина; 5 – подстроечный винт; 6 – рабочий цилиндр; 7 – связующее звено; 8 – тормозная колодка; 9 – болт суппорта

Подошвы обуви в таком случае действуют как тормозной механизм. Эффект трения, получаемый между поверхностью земли и подошвы ботинок сопровождается преобразованием кинетической энергии в тепловую энергию. Тормоз автомобилей действуют аналогично. Механизм тормоза прижимает резиновые колодки (тормозные колодки) к поверхности металлических дисков, закрепленных на колёсах.

Тормозные колодки современных авто делают на основе сверхпрочных, износостойких материалов (например, Кевлар). Однако со временем даже прочный Кевлар изнашивается. Вместе с тем фрикционным тормозам присуща ещё одна проблема. Чем быстрее движение, тем больше нагрузки, соответственно, тем быстрее изнашиваются тормозные колодки.

Понятие определения вихревые токи

Прежде чем рассматривать конструкторский вариант вихретоковых тормозов, следует обеспечить общее понятие вихревых токов. По сути, вихревые токи — это часть науки электромагнетизма. Получение электричества неизменно сопровождается получением эффекта магнетизма (или наоборот). Здесь, к примеру, кроется основная идея генераторов электричества и электродвигателей.

Теория вихревых токов: 1 – катушка возбуждения; 2 – приёмная катушка; 3 – первичное (основное) поле; 4 – вторичное поле; 5 – вихревые токи; 6 – материал воздействия

Генераторы используют некоторое механическое движение (вращающийся ротор ветряной турбины) для создания электрического тока. В свою очередь, электрические двигатели делают обратное действие — преобразуют электрический ток в механическую работу (движение вала).

Оба типа машин (по сути, идентичных) работают на идее концепции использования электричества для создания магнетизма или магнетизм для производства электроэнергии. Чтобы получить электричество, всё, что нужно сделать, это провести электрический проводник (медный провод) сквозь область магнитного поля.

Как образуются вихревые токи?

Если проводник, пропущенный сквозь магнитное поле, закольцевать, не позволяя сформированным токам утекать в нагрузку, формируются токи, именуемые вихревыми токами. Другими словами, электрические токи, генерируемые внутри проводника магнитным полем, образуют вихревое движение, рассеивая энергию в виде тепла.

Одна из интересных особенностей вихревых токов – формирование определённой закономерности течения, направленного на блокировку источника. Это пример части теории электромагнетизма, описанной законом Ленца.

Простой пример: если взять небольшой магнит и сбросить в горловину небольшой пластиковой трубы, полёт магнита до днища займёт по времени не более половины секунды. Если же повторить эксперимент с медной трубой того же размера, обнаружится, что время падения магнита составит уже три-четыре секунды.

Эксперимент с медной трубой: 1 – вихревые токи; 2 – тело медной трубы; 3 – вторичное магнитное поле; 4 – первичное магнитное поле; 5 – падающий магнит

Причиной такой разницы движения являются вихревые токи. Когда магнит пролетает через трубу, образуется магнитное поле, движущееся через стационарный проводник. Этим магнитным движением создаются электрические токи в проводнике — фактически, вихревые токи.

По закону электромагнетизма, ток, протекающий в проводнике, создаёт магнитное поле. Таким образом, вихревые токи генерируют свое собственное магнитное поле. Закон Ленца поясняет: магнитное поле пытается противостоять причине появления, то есть — падающему магниту.

Соответственно, вихревые токи и второе магнитное поле создают на магните восходящую силу, которая пытается остановить падение. Вот почему в случае с медной трубой магнит падает медленнее. Другими словами, вихревые токи оказывают тормозящее действие на падающий магнит. Поэтому вихревые токи допустимо использовать в качестве тормозного механизма:

различных транспортных средств, ,
моторов машин и технологического оборудования.

Как работает вихретоковый тормоз на блокировку движения?

Предположим, существует поезд, представленный в образе медного блока, установленного на колеса. Этот поезд мчится на высокой скорости и в какой-то момент движение требуется остановить. Как можно затормозить движение поезда вихревыми токами?

Примерно таким выглядит исполнение тормозного механизма с эффектом электромагнетизма, применяемое на современных железнодорожных поездах

Экспериментальный вариант — размещение гигантского магнита рядом с рельсами, чтобы обеспечить близость расположения магнитного поля по отношению к поезду. По мере приближения медного блока к магниту, внутри меди начинают генерироваться (наводиться) вихревые токи, приводящие к образованию собственного магнитного поля.

Следует отметить: вихревые токи по отношению к разным частям меди действуют по-разному. Когда передняя часть поезда приблизится к магниту, вихревые токи на этом участке меди создают отталкивающее магнитное поле (замедляют приближение меди к магниту).

Когда передняя часть поезда проходит мимо, замедляясь, вихревые токи начинают генерировать притягивающее магнитное поле, которым поезд отталкивается (вновь замедляется). Медь нагреется, когда внутри структуры отмечается кручение вихревых токов, забирает кинетическую энергию, утраченную поездом в момент замедления движения.

Типичное исполнение вихретоковых тормозов

Современное конструкторское исполнение вихретоковых тормозов представляет несколько более сложную конструкцию, чем экспериментальная конструкция, рассмотренная выше, но принцип работы аналогичен. Вихретоковые тормоза представлены двумя основными типами исполнения:

Линейная конструкция.
Конструкция круглой (дисковой) формы.

Линейная конструкция вихревых тормозов

Вариант исполнения конструкции тормозного механизма линейного типа, который можно встретить в различных проектах обрабатывающих станков и прочего оборудования

Простейшие линейные вихретоковые тормоза состоят из двух компонентов:

Один компонент является стационарным.
Другой компонент движется мимо первого прямолинейно.

Подобный типа инженерный подход, между тем, видится бесполезным для конструкции поезда, учитывая необходимость применения тормоза в любой точке пути. Поэтому здесь магниты встроены в конструкцию колёсных тележек и поддерживают функции включения / выключения (электромагниты).

Как правило, электромагниты перемещаются чуть менее чем на 1 см от границы рельса и при активации замедляют движение поезда, создавая вихревые токи (генерируя тепло) внутри рельсовой структуры.

Между тем закон электромагнетизма позволяет генерировать ток, только в момент фактического перемещения проводника через магнитное поле. Отсюда следует вывод: вихретоковый тормоз допустимо применять для остановки поезда, но не для удержания поезда в неподвижном состоянии (например, на склоне). По этой причине технике с вихретоковым тормозом дополнительно требуются классические фрикционные тормоза.

Вихретоковые тормоза круглой (дисковой) формы

Аналогично линейным вихретоковым тормозам, круглые (дисковые) вихретоковые тормоза также имеют одну статическую и одну подвижную часть. Существуют дисковые конструкции двух видов, где электромагнит подвижен или неподвижен.

Вариант конструкции оборудования, где используется дисковый тормозной механизм, действующий по принципам эффекта электромагнетизма

Самые простые механизмы выглядят подобно традиционным тормозам, но оснащённым статическим электромагнитом. Наличием электромагнита обеспечивается эффект магнетизма и создаются вихревые токи в структуре вращающегося металлического диска (вместо простого давления и трения).

Другой конструкцией предусматривается движение электромагнита. На внешнем колесе устанавливается ряд электромагнитных катушек, которые в процессе вращения формируют эффект магнетизма неподвижного центрального вала. Тормозные механизмы многих грузовиков, автобусов, автомобилей, работают таким образом.

Как дисковые вихретоковые тормоза работают на практике? Возьмём для эксперимента высокоскоростной заводской станок. Здесь можно установить металлическое колесо на одном конце приводного вала и поместить это колесо между электромагнитами. Всякий раз, когда нужно остановить машину, достаточно задействовать электромагниты для создания вихревых токов в структуре металлического колеса.

Однако для дисковых вихретоковых тормозных механизмов достаточно актуальной проблемой видится эффект нагрева конструкции. По этой причине вихретоковым дисковым тормозам требуется система охлаждения. Обычно дисковые тормозные механизмы дополняются воздушным охлаждением от лопастей вентилятора. Также применяются механизмы с жидкостным охлаждением.

Где используются вихретоковые тормоза?

Правда, теперь часто можно встретить вихретоковые тормоза в конструкциях современных машин — дисковых пилах и прочем силовом оборудовании. Также подобного рода системы применяются на гребных и других тренажерах для придания дополнительного сопротивления движущимся частям. Так обеспечивается оптимальная нагрузка на мышцы тренирующихся спортсменов.

Преимущества и недостатки вихретоковых тормозов

вихретоковые тормоза работают бесшумно,
отсутствует фактор трения (износа),
практически не требуют обслуживания.

При работе механизма исключается появление запаха или загрязнения (в отличие от фрикционных тормозов, способных выделять токсичные химические вещества в окружающую среду).

Отмеченные преимущества выделяют вихретоковые тормозные механизмы против шумных фрикционных тормозов, требующих регулярного осмотра, способных быстро изнашиваться. Экспериментально отмечено: модернизация электропоезда с переходом от фрикционных тормозов на вихревые тормоза, приводит к сокращению затрат на эксплуатацию и техническое обслуживание.

Недостатки конструкций вихретоковых тормозов больше связаны с малым опытом использования этих механизмов в реальных условиях. Согласно практическим наблюдениям, иногда отмечаются помехи на сигнальных линиях электропоездов от действия вихретоковых тормозных систем.

Недостатком видится и фактор рассеяния тепла в рельсах. Теоретически такая проблема исключается, но на перегруженных участках пути, где требуется быстрое торможение, нагрев и расширение рельсов могут оказаться проблемой. Сообщается о снижении эффективности тормозов, либо о структурных изменениях рельс.

Распространение и перспективы конструкций

Широкое распространение вихретоковых тормозов видится сомнительным, если учитывать растущий интерес к рекуперативным тормозным механизмам. Учёные видят в этом предложении более энергоэффективный подход, чем преобразование энергии в бесполезное тепло с помощью вихревых токов. Некоторыми конструкциями современных поездов (Shinkansen серии E5) используются регенеративные тормозные механизмы, внедрённые взамен вихретоковой технологии.

КРАТКИЙ БРИФИНГ

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

Природа вихревых токов

Трансформатор — виды и применение

Образование ЭДС в проводниках при воздействии изменяющегося магнитного потока называют индукцией. На принципах этого явления функционируют электродвигатели, генераторы, катушки фильтров и колебательных контуров.

Что это такое токи Фуко, показано на рисунке

При определенном расположении источника переменного поля и проводника приходится учитывать отмеченные выше эффекты. При необходимости в контрольных точках можно измерить определенное напряжение. Важные особенности:

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

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

Открытие вихревых токов

По историческим данным, впервые это явление обнаружил в начале 19 века французский исследователь Д. Араго. Специалистам известен его наглядный опыт. Вращение намагниченной стрелкой приводит в движение тонкий диск из меди, расположенный на небольшом расстоянии сверху. Природу явления раскрыл М. Фарадей, объяснивший представленный простой пример перемещения взаимодействием поля и образованных в проводнике токов. Они получили специфическое название по фамилии ученого. Фуко обнаружил нагрев тел при достаточно сильном энергетическом потенциале источника переменного тока.

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.

Вам это будет интересно Особенности работы тока

Определение в трансформаторе

Значение

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

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

Методы уменьшения вихревых токов

Мощность, расходуемая на нагрев электротехнических устройств электромагнитного типа, значительно снижает их КПД. Поэтому с целью уменьшения величины вихревых токов повышают сопротивление магнитопровода.

Для этого сердечники выполняют не сплошными, а набирают из отдельных тонких пластин (толщиной 0,1- 0,5 мм), покрытым слоем изоляционного материала.

Также при изготовлении сердечника в сырье вводят специальные добавки, увеличивающие его сопротивление.

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

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:

При сборке трансформаторов сердечники набирают из тонких изолированных пластин. Это позволяет уменьшить степень нагрева от воздействия тока Фуко.
Металлические пластины располагают так, чтобы направление вихревого тока было перпендикулярным к их границам.
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.

Практическое применение токов Фуко

В некоторых случаях вихревые токи используют в полезных целях. К примеру, создание устройства магнитного тормоза диска электросчетчика. Оборачиваясь, диск пересекает магнитные линии магнита, в толщине диска формируется вихревые токи, которые создают свои магнитные потоки, препятствующие вращению диска, и вызывающие его торможение.

Полезное действие вихревые токи оказывают при индукционной плавке металлов.

Для этого тигель с металлом размещают в магнитное поле, которое своим воздействием индуцирует вихревые токи, расплавляющие металл, при этом тигель остается холодным.

Практическое применение вихревых токов

Прохождение сильного тока повышает энергетический потенциал молекулярной решетки, что сопровождается нагревом. Это явление объясняет возможность использования соответствующей технологии для бесконтактного повышения температуры проводящих материалов. Если приводить пример с индукционной варочной панелью, можно подчеркнуть следующие плюсы:

образование тепла в глубине дна посуды обеспечивает эффективный нагрев рабочей зоны;
температура на поверхности панели не повышается чрезмерно;
тепловое воздействие на продукты выполняется быстрее, по сравнению с аналогами (спиральные ТЭНы, газовые плиты).

Привести пример на основе опыта с вращением диска несложно. Этот же принцип реализован в конструкции электромеханического счетчика потребленной энергии. В данном случае вращение рабочего узла обеспечивается наведенными токами. Ускорение/ замедление соответствует изменению мощности в нагрузке.

При увеличении тока можно нагреть металлы (сплавы) до температуры плавления

При тщательном изучении тематических вопросов можно найти определенные минусы. Электромагнитный поток в цельном сердечнике трансформатора способен увеличить энергетические потери. По этой причине соответствующие детали создают из комплекта пластин, покрытых слоем диэлектрика. Эти элементы соединяют изолированным стержнем.

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.

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:

Вихревые токи трансформаторов

Перекладка проводов с помощью полупетли в середине обмотки уменьшает вихревые токи, так как индуцируемые напряжения противопо-

Рис. 7.9. Перекладка проводов для уменьшения вихревъа: токов

ложны в месте скрутки. Провода для больших токов часто делают из двух или трех проводников, собранных в бифилярную или трифилярную скрутку. Перекладка проводов используется с ранних дней телефонии для уменьшения перекрестнъюс искажений и взаимодействия между линиями питания. В линиях передачи энергии на большие расстояния перекладка проводов применяется для обеспечения фазовой балансировки.

Вихревые токи в сердечнике также вносят свой вклад в потери. Хотя магнитное поле и направлено в плоскости пластин, вихревые токи текут в их поперечном сечении, как показано на Рис. 7.10. Эти токи могут быть уменьшены при уменьшении толщины пластин сердечника, что и используется в высокочастотных трансформаторах. Однако из практических соображений, касающихся цены и удобства обращения, наиболее распространенным является применение пластин из кремнистого железа толщиной 0.014 дюйма (0.356 мм). Однако в некоторых специальных случаях используются пластины толщиной 0.001…0.002 дюйма (0.0254…0.051 мм). На уникальном оборудовании (Sendzimer) их прокатывают, а затем нарезают, как часовые пружинки, для производства тороидальных сердечников. Сплав, используемый в этом случае, может содержать никель и (или) молибден.

Если напряжение в первичной обмотке или ток во вторичной обмотке содержат гармонические составляющие, то потери из-за вихревых токов могут значительно увеличиться. В первом случае это происходит из-за увеличения потерь в сердечнике, а во втором — из-за увеличения омических потерь в проводах. Широкое распространение драйверов электродвигателей с регулировкой скорости вращения, которые обычно создают воз-

Рис. 7.10. Вихревые токи в пластиие сердечника

мущения в цепи их питания, привело к необходимости разработки стандартов на способность трансформаторов работать с большим содержанием гармоник в токе вторичной цепи. Эта способность характеризуется коэффициентом k, определяемым как

где n — номер гармоники, а /„ — среднеквадратичное значение тока на этой гармонике. Основная гармоника при этом — I\. Стандартные конструкции имеют k = A и k = 13. Например, ток вторичной цепи, содержащий 20% пятой и 14% седьмой гармоник, будет иметь & = [1+(0.2х5)2 + (0.14х7)2] = 3. Если содержание гармоник убывает обратно пропорционально к основной, коэффициент k растет линейно с добавлением каждой гармоники. Важно отметить, что нет надежных способов оценить возможность применения стандартного трансформатора в цепях с нелинейными токами.

Как показано на Рис. 7.11, магнитное поле в трансформаторе увеличивается от нуля в зоне внутренних витков первичной обмотки до максимума в зоне ее внешних витков, а затем спадает до нуля в зоне внешних витков вторичной обмотки. Вихревые токи пропорциональны магнитному полю, а потери — квадрату токов и, следовательно, поля. По этой причине потери из-за вихревых токов в основном сконцентрированы вблизи зазора между первичной и вторичной обмотками.

Для устранения проникновения во вторичную цепь трансформаторов синфазных помех из первичной сети часто применяют заземленный экран из медной фольги, размещаемый между первичной и вторичной обмотками. Этот экран называют электростатической защитой, или экраном Фарадея. Этот экран может вызвать проблемы, если первичная и вторичная обмотки имеют разную длину в аксиальном направлении или вторичная обмотка состоит из нескольких секций, используемых не одновременно. В обоих случаях часть магнитного поля проходит радиально через экран, что может привести к его перегреву и, как следствие, к повреждению изоляции. Этот случай был упомянут в самом начале этой главы.

Рис. 7.11. Потери из-за вихревых токов в обмотках

Рис. 7.12. Нагрев вихревыми токами экранов Фарадея из различпыхматериалов

Поскольку приходилось неоднократно встречаться с такой проблемой, это подтолкнуло автора к проведению ряда экспериментов по определению реакции ряда материалов, из которых мог бы быть изготовлен экран Фарадея, на воздействие магнитного поля, перпендикулярного поверхности образцов. На катушку, возбуждавшую магнитное поле, подавался переменный ток частотой 60 Гц. Температура образцов измерялась с помощью термопары. Результаты приведены на Рис. 7.12. Интересно, что сетка из того или иного металла обеспечивала практически такую же электростатическую защиту, как и сплошной лист, а сопротивление экрана имело небольшое значение. В соответствии с результатами, приведенными на Рис. 7.12, в компании, где работал автор, в качестве стандартного материала для экранов Фарадея было принято использовать монель или нержавеющую сталь.

Взаимодействие электромагнитного поля с проводниками образует вихревые токи. Это явление способно выполнять полезные и вредные функции. В определенных ситуациях энергия затрачивается попусту либо ухудшает работоспособность трансформаторов и линий электропередачи. Однако правильное применение базовых принципов данного эффекта позволяет бесконтактным образом исследовать состав материалов, решать другие практические задачи.

В индукционных варочных панелях токи Фуко разогревают посуду с экономичным потреблением электроэнергии

Открытие вихревых токов

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).

Природа вихревых токов

Электрическое поле — что это такое, понятие в физике

Что это такое токи Фуко, показано на рисунке

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

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.

Практическое применение вихревых токов

образование тепла в глубине дна посуды обеспечивает эффективный нагрев рабочей зоны;
температура на поверхности панели не повышается чрезмерно;
тепловое воздействие на продукты выполняется быстрее, по сравнению с аналогами (спиральные ТЭНы, газовые плиты).

При увеличении тока можно нагреть металлы (сплавы) до температуры плавления

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.

Принципы вихревых токов

Для детального изучения процессов можно рассмотреть действие полей при подключении к источнику типовой катушки индукции. Переменный ток в проводнике образует силовые линии поля. Напряженность создает разницу потенциалов в соседних петлях. Движение электронов формирует вихревые токи. Они движутся по траекториям наименьшего сопротивления, которое изменяется при наличии в изделиях примесей, трещин, полостей и других дефектов.

Закон Ома

Вихревые токи – это направленное движение электронов в проводнике. Поэтому рассматриваемые явления вполне могут быть описаны базовыми физическими формулами и определениями.

Сила тока рассчитывается по закону Ома:

I = (-1/R) * (dФ/dt), где:

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

Понятно, что для практических вычислений сложнее всего выяснить значение проводимости. Кроме отмеченных выше неравномерностей пути прохождения тока (различия проводника), траектория меняется под воздействием переменного поля.

Индуктивность

Следует подчеркнуть проницаемость проводника силовыми линиями электромагнитного поля. Такое воздействие при увеличении тока источника питания интенсифицирует вихревые эффекты в контрольном образце, установленном на небольшом расстоянии. Амплитуда наведенных токов и фаза определяются нагрузкой и проводимостью катушки индукции. Как и в предыдущем примере, разрывы и другие дефекты проводящего участка оказывают существенное влияние на рабочие электрические характеристики конструкции.

Магнитные поля

Зависимость от параметров материалов показана на рисунке. Цифрами отмечены:

пара или диамагнетики;
ферриты;
железо.

Как будут возникать токи в разных образцах при равных общих условиях

Интересно. Взаимное воздействие оказывают магнитные поля, созданные катушкой и вихревыми процессами.

Дефектоскопия

Рассмотренные недостатки можно преобразовать в достоинства. По изменению вихревых токов определяют наличие дефектов при сканировании контрольных образцов. При создании измерительных приборов учитывают следующие факторы:

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

Обнаружение контура дефектоскопом

С учетом целевого назначения корректируют конструкцию и размещение датчиков. Как правило, катушку устанавливают ближе к месту измерения. Корректируют форму изделия для лучшего соответствия объекту обследования.

Уменьшение вихревых токов

Чтобы успешно бороться с негативными проявлениями вихревых эффектов в электроэнергетике и других областях, пользуются отмеченными особенностями. В частности, увеличивают сопротивление проводников добавлением кремниевых и других присадок. Наборы из пластин размещают параллельно вектору магнитного потока. Обеспечивают надежную изоляцию элементов конструкции.

Вихри и скин-эффект

В том случае, когда возникают очень сильные вихревые токи (при высокочастотном токе), в телах плотность тока становится значительно меньше, чем на их поверхностях. Это так называемый скин эффект, его методы используются для создания специальных покрытий для проводов и в трубах, которые разрабатываются специально для вихре-токов и тестируются в экстремальных условиях.

Это доказал еще ученый Эккерт, который исследовали ЭДС и трансформаторные установки.

Схема индукционного нагрева

Значение

При убывании магнитного потока (dФ / dt

Защита от блуждающих токов

Принцип работы в исключении анодных зон на защищаемом объекте. Вместо них используются те самые жертвенные аноды, которые меняют по мере их электрохимического разрушения. А вокруг объекта формируются лишь безопасные для него катодные зоны.

Для того, чтобы система функционировала, требуется дополнительная энергия. В критических местах устанавливаются так называемые станции катодной защиты, которые запитаны от линий электропередач.

Это связано с некоторыми затратами, которые несравнимы с потерями на ремонт и восстановление испорченных объектов (трубопровода, кабеля и прочего).

А если защищаемый объект относится к опасной категории (например, нефтехранилище, в котором в результате электрохимической коррозии может произойти утечка продукта), то стоимость защитных устройств вообще не берется во внимание

Причина попадания электрических токов в почву?

— городской транспорт (трамваи, метро);

— заводы и предприятия, которые используют на своем производстве электросварочные аппараты, электролизные ванны.

В общем можно сказать, что блуждающие токи появляются там, где используют установки постоянного тока.

Находящиеся под землей кабельные сети, трубопроводы и разные металлические сооружения, подвергаются сильной коррозии, в районах расположения электротяговых устройств постоянного тока, поскольку в таких случаях в качестве обратного провода используют рельсы, зачастую не имеющие достаточной электрической изоляции относительно земли. Таким образом ток оказывается в почве.

Несмотря на то, что в почве находятся растворы солей, она оказывает хорошее сопротивление блуждающим токам. В случае же наличия металлических проводников, какими будут являться трубы, блуждающий ток устремляется в трубы. Ток не вызывает разрушении при входе в металлическую конструкцию под землей, а при выходе из нее, он разрушает металл.

Причины снижения КПД трансформатора

Эффективность работы трансформатора не может быть равно 100%, так как энергия теряется при любых условиях.

Потери делятся на 2 вида:

В обмотке потери энергии создает сопротивление провода, преобразующее электрическую энергию в тепло. В стержне такой же процесс происходит из-за вихревых токов, возникающих под воздействием магнитного поля. Оно равно нулю на внутренних витках первичной обмотки, увеличивается до максимума на внешних, переходит на вторую обмотку и достигает нуля на ее внешних витках.

Справка! Потери напряжения равны квадрату вихревых токов.

Вихревой ток движется по кругу, поэтому не выходит за пределы проводника, создает собственное магнитное поле, которое (по закону Венца) мешает изменению поля, создавшего их. Если стержень цельный, он сильно нагревается, оборудование выходит из строя из-за перегрева изоляции обмоток.

Способы снижения потерь

Потери можно снизить изменением качества стали. Если сердцевина монолитная, в ней много диполей, которые меняют направление из-за присутствия магнитного поля. В процессе изменения возникает трение, вызывающие повышение температуры, то есть, магнитная энергия превращается в тепловую.

Проблема решается набором стержня из пластин электротехнической магнитомягкой стали, покрытых пленкой оксида, лаком или окалиной (в крупном оборудовании используется изолированная шпилька). Толщина этого материала 0,36-0,5 мм, он содержит 1-5% кремния, поэтому хорошо пропускает магнитные волны и снижает их напряженность.

По составу это все равно легированная сталь, но с повышенной хрупкостью, которая растет одновременно с повышением содержания кремния. Некоторые производители добавляют так же алюминий (до 0,5%). Поставляется эта сталь в листах с различной шириной полосы. Толщина 0,1-1 мм.

Важно! Монолитный проводник заменяется другим, обладающим меньшим сечением. Это влечет за собой увеличение сопротивления и снижение вихревых токов. В результате снижается влияние магнитного поля, образующего вихри.

Чтобы уменьшить в трансформаторе вихревые токи и снизить потери в обмотке, увеличивается сечение проводов с целью снизить сопротивление. Чтобы вес и цена не были слишком увеличены, выбирается сечение, не вызывающее нагрева обмоток. Если одновременно меняется сердечник и провода, КПД трансформатора достигает 85-90%.

Применение на практике

Примечание автора!

Наглядное применение на практике:

Читайте также: