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.

Токи Фуко. Вихревые токи и их применение

Вихревые или цикличные токи имеют как позитивное, так и негативное значение для человека. С одной стороны, они являются причиной утрат энергии в массивном проводнике или катушке. В то же время явление вихревого тока можно применять и с пользой – например ,создание индукционных печей. Но обо всем по порядку.

Открытие вихревых токов

Вихревые электрические токи были открыты французским ученым Араго Д.Ф. Ученый экспериментировал с медным диском и стрелкой, которая была намагничена.

Она крутилась вокруг диска, в какой-то момент времени он начал повторять движения стрелки. Тогдашние ученые объяснение явлению не нашли – это странное движение назвали «явление Араго». Загадка ждала своего времени.

 

Через несколько лет вопросом заинтересовался Максвелл Фарадей, на тот момент, открывший свой знаменитый закон электромагнитной индукции.

Согласно закону, М. Фарадей выдвинул предположение, что движимое магнитное поле имеет влияние на атомную металлическую решетку медного проводника.

Электрический ток, возникший в результате направленного движения электронов, всегда создает магнитное поле по всему периметру проводника. Детально описал вихревые токи, опираясь на работы Араго и Фарадея – физик-экспериментатор Фуко, откуда они и получили свое второе название.

Какова природа вихревых токов?

Замкнутые циклические токи способны возникать в проводниках, в тех случаях, когда магнитное поле вокруг этих проводников не стабильно, то есть постоянно меняющееся во времени или динамично вращающееся.

Таким образом, сила вихревого тока прямо зависит от скорости изменения магнитного потока, пронзающего проводник. Известно, что электроны в проводнике двигаются линейно вследствие разницы потенциалов, таким образом электрический ток прямо направлен.

Токи Фуко проявляют себя иначе и замыкаются пр

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.

Исследование токов Фуко

Исследование токов Фуко (Автор: Сорокин Антон, МОУ СОШ № 11 г. Ейска, Краснодарский край. Руководитель: Семке А.И.)

Вихревые токи, токи Фуко (в честь Фуко, Жан Бернар Леон) – вихревые индукционные токи, возникающие в массивных проводниках при изменении пронизывающего их магнитного потока.

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.

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 демпфирования подвижных частей гальванометров, сейсмографов и др.

Под действием этих ЭДС в массе металлической детали протекают вихревые токи (токи Фуко), которые замыкаются в массе, образуя вихревые контуры токов. Вихревые токи порождают свои собственные магнитные потоки, которые, по правилу Ленца, противодействуют магнитному потоку катушки и ослабляют его. Кроме того, они вызывают нагрев сердечника, что является бесполезной тратой энергии.

Объект исследования: электрические токи в сплошных средах

Предмет исследования: эффекты, возникающие при порождении токов Фуко

Цель работы: Исследовать эффекты, возникающие при порождении токов Фуко в сплошных средах

Задачи исследования:

1. Изучить имеющиеся информационные, научные и электронные источники информации по данной теме исследования.

2. Изготовить физический маятник.

3. Провести измерения силы сопротивления при колебаниях физического маятника в обычных условиях и при возникновении токов Фуко.

Гипотеза исследования: энергия магнитного поля, порождаемого токами Фуко, зависит от толщины медных пластин

Результаты исследования. В ходе проведенного исследования мы обнаружили, что число затухающих колебаний зависит от значения тока Фуко и магнитного поля, его порождающего. При увеличении толщины медных пластин число колебаний уменьшается. При толщине медных пластин равной 6 мм число колебаний стало равным 1. Результаты данного исследования, возможно, использовать для проектирования тормозных устройств подъемных кранов, эскалаторов, вагонеток в промышленности и транспорте.

Энергия магнитного поля, порождаемого токами Фуко, зависит от толщины медных пластин. С увеличением числа медных пластин, а, следовательно, толщины меди, энергия магнитного поля, порождаемого токами Фуко, увеличилась.

Cиловое действие токов Фуко можно использовать в успокоителях колебаний подвижных частей приборов и аппаратов, в индукционных тормозах (в которых массивный металлический диск вращается в поле электромагнитов).

 

 

См. также

 

Учебное оборудование, производимое и поставляемое ЗАО «Крисмас+» для исследования физических и физико-химических параметров состояния окружающей среды

 

 

 

Путеводитель по выбору оборудования для учебно-исследовательских работ

 

§ 125. Вихревые токи (токи Фуко)

Индукционный ток возникает не только в линейных проводниках, но и в массивных сплошных проводниках, помещенных в переменное магнитное поле. Эти токи оказываются замкнутыми в толще проводника и поэтому называются вихревыми. Их также называют токами Фуко — по имени первого исследователя.

Токи Фуко, как и индукционные токи в линейных проводниках, подчиняются правилу Ленца: их магнитное поле направлено так, чтобы противодействовать изменению магнитного потока, индуцирующему вихревые токи. Например, если между полюсами невключенного электромагнита массивный медный маятник совершает практически незатухающие колебания (рис. 181), то при включении тока он испытывает сильное торможение и очень быстро останавливается. Это объясняется тем, что возникшие токи Фуко имеют такое направление, что действующие на них со стороны магнитного поля силы тормозят движение маятника. Этот факт используется для успокоения (демпфирования) подвижных частей различных приборов. Если в описан ном маятнике сделать радиальные вырезы, то вихревые токи ослабляются и торможение почти отсутствует.

Рис. 181

Вихревые токи помимо торможения (как правило, нежелательного эффекта) вызывают нагревание проводников. Поэтому для уменьшения потерь на нагревание якоря генераторов и сердечники трансформаторов делают не сплошными, а изготовляют из тонких пластин, отделенных одна от другой слоями изолятора, и устанавливают их так, чтобы вихревые токи были направлены поперек пластин. Джоулева теплота, выделяемая токами Фуко, используется в индукционных металлургических печах. Индукционная печь представляет собой тигель, помещаемый внутрь катушки, в которой пропускается ток высокой частоты. В металле возникают интенсивные вихревые токи, способные разогреть его до плавления. Такой способ позволяет плавить металлы в вакууме, в результате чего получаются сверхчистые материалы.

Вихревые токи возникают и в проводах, по которым течет переменный ток. Направление этих токов можно определить по правилу Ленца. На рис. 182, а показано направление вихревых токов при возрастании первичного тока в проводнике, а на рис. 182, б — при его убывании. В обоих случаях направление вихревых токов таково, что они противодействуют изменению первичного тока внутри проводника и способствуют его изменению вблизи поверхности. Таким образом, вследствие возникновения вихревых токов быстропеременный ток оказывается распределенным по сечению провода неравномерно — он как бы вытесняется на поверхность проводника. Это явление получило название скин-эффекта (от англ, skin — кожа) или поверхностного эффекта. Так как токи высокой частоты практически текут в тонком поверхностном слое, то провода для них делаются полыми.

Рис. 182

Если сплошные проводники нагревать токами высокой частоты, то в результате скин-эффекта происходит нагревание только их поверхностного слоя. На этом основан метод поверхностной закалки металлов. Меняя частоту поля, он позволяет производить закалку на любой требуемой глубине.