Что такое Токи Фуко простыми словами
Токи Фуко (альтернативное название — вихревые токи) представляют собой замкнутые контуры (петли) электрического тока, возникающие внутри проводников, помещенных в изменяющийся во времени магнитный поток. Токи Фуко (ТФ) появляются вследствие электромагнитной индукции — физического эффекта, обнаруженного британским физиком М. Фарадеем. В некоторых случаях вред от вихревых токов требуется минимизировать. Например, определенные меры борьбы с ними используют, если возникают потери полезной мощности в электрических трансформаторах. В то же время имеется ряд инженерно-технических устройств, где ТФ полезны и выполняют ключевую роль. Их используют в системах торможения, при получении вакуума, в индукционных печах-нагревателях.
Историческая справка
Первооткрывателем необычного явления был французский исследователь Д. Араго (1786–1853). На картинке ниже показана схема его эксперимента, в котором вращение медного диска 1, закрепленного на стеклянной пластине 2, происходит, когда начинает двигаться расположенный снизу магнит N-S (Араго использовал магнитную стрелку).
Тайну возникновения данного явления удалось разгадать М. Фарадею благодаря открытому им закону электромагнитной индукции. Вращение магнита создает изменяемый магнитный поток, способствующий возникновению ЭДС самоиндукции в металлическом диске. Из-за воздействия ЭДС в толще металла появляются вихревые токи.
Изучением свойств этих токов занимался французский естествоиспытатель Ж. Фуко (1819–1868), имя которого сейчас используется в их названии. Ученый также выяснил, почему появляется эффект нагрева металлических объектов вихревыми токами и описал его.
Правило Ленца
Вихревые электрические токи Фуко всегда текут таким образом, чтобы оказывать действие обратное причине, спровоцировавшей их появление. Направление индуцированного тока определяется по правилу, сформулированному российским учёным Л. Ленцом.
Движение проводников в магнитном поле встречает противодействие, вызванное реакцией токов Фуко на внешнее магнитное поле. Этот эффект нашёл своё применение в устройствах торможения (успокоения) подвижных деталей в различных приборах (гальванометрах, сейсмографах и даже в системах тормозов железнодорожного транспорта) без привлечения традиционных тормозных приспособлений, использующих силу трения.
Способы уменьшения токов Фуко
В трансформаторе часть полезной мощности уходит в тепло из-за нагрева сердечника токами Фука, в результате чего снижается КПД устройства. Для подсчета количества утраченной мощности используется следующая формула:
Чтобы уменьшить потери от влияния токов Фуко, необходимо увеличить сопротивление магнитопровода. Эту задачу решают, применяя для изготовления сердечника не цельный кусок металла, а набор тонких пластин, которые изолируют друг от друга, используя слой диэлектрических покрытий.
Аналогично магнитопроводы электродвигателей переменного и постоянного электротока изготавливают из набора пластинок, покрытых изолирующей плёнкой или лаком. Такое «дробление» сердечника существенно снижает вихревые токи, поскольку резко уменьшаются величины магнитных потоков, вызывающие ЭДС самоиндукции. Кроме этого в исходный материал сердечника вносят специальные примеси, увеличивающие электрическое сопротивление.
Полезные применения токов Фуко
Физические свойства этих токов находят своё применение в различных аппаратах и приспособлениях.
Сейчас массово стали пользоваться бытовыми индукционными плитами, в которых также применяется эффект вихретокового нагрева. Они существенно ускоряют процесс приготовления пищи ввиду меньшей инерционности по сравнению с традиционными электроплитами.
Еще одним примером использования вихревых токов, является обработка металлов. Джоулевое тепло, выделению которого способствуют блуждающие токи Фуко, применяют в технологиях, требующих нагрева. Так плавка металла этим способом оказывается более экономичной по сравнению с иными способами нагрева.
Индукционная печь представляет собой катушку, через которую пропускают значительный по величине переменный ток. Внутрь катушки помещается проводящая заготовка. Регулируя амплитуду тока, можно проводить либо плавку, либо закалку исходного материала. С помощью данной технологии производится плавка в условиях высокого вакуума, позволяющая получать сверхчистые материалы.
На свойствах ТФ строятся методы бесконтактного контроля целостности трубопроводов и бесконтактного очищения металлических деталей вакуумных установок.
Еще один пример применения токов Фуко — отделение бытовых отходов из алюминия от изделий из других металлов в специальном сепараторе. Так как черные металлы притягиваются магнитом, а алюминий нет, это позволяет сортировать отходы на металлолом с алюминием и прочими металлами.
Что такое вихревые токи и какие меры принимают для их уменьшения
Что такое вихревые токи и почему их еще называют токами Фуко? Причины возникновения данного явления и способы применения.
- Краткое определение
- История открытия
- Вред от вихревых токов
- Как снизить потери
- Применение на практике
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:
- Как сделать индукционный котел своими руками
- Зависимость сопротивления проводника от температуры
- Правило буравчика простыми словами
Как избавиться от токов Фуко в массивных сердечниках
Это просто:
Как и любые токи, вихревые токи (токи ФУКО) поглощают энергию системы. При этом энергетические потери могут быть настолько значительны, что становится необходимым прибегать ко всяким ухищрениям. Самым простым методом борьбы с токами Фуко является замена в электрических машинах кусков сплошного металла листовым материалом (т. е. слоистым материалом) . В этом случае вихревым токам негде «развернуться», сила их становится существенно меньшей, и соответственно падают тепловые потери.
Источник: Курс физики ну очень средней школы.
Зазор между разборными сердечниками и изоляция наборных пластин между собой:
(обычно, вытравливание в кислоте до появления диэлектрической пленки)
Особенности вихревых токов Фуки
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.
Фуко возникают там, где изменяется переменное магнитное поля и фактически они ничем не отличаются от энергии, идущей по проводам, или вторичных электрических трансформаторных обмотков.
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.
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.
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 Проверка диодного моста мультиметром
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.
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.
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.
Вам это будет интересно Особенности конденсатора
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.
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.
Помогла статья? Оцените