Какие токи называют токами фуко: Токи Фуко, теория и онлайн калькуляторы

Содержание

Явление самоиндукции

Электроника Явление самоиндукции

просмотров — 308

Вихревые токи (токи Фуко)

Индукционный ток возникает не только в линейных проводниках, но и в массивных сплошных проводниках, помещенных в переменное магнитное поле. Эти токиоказываются замкнутыми в толще проводника и в связи с этим 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, индуцирующего вихревые токи. Возникающие токи Фуко имеют такое направление, что действующие на них со стороны магнитного поля силы тормозят движение маятника. Этот факт используется для успокоения подвижных частей различных приборов..

Вихревые токи помимо торможения 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. 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. В обоих случаях направление вихревых токов таково, что они противодействуют изменению первичного тока внутри проводника и способствуют его изменению вблизи поверхности. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, вследствие возникновения вихревых токов быстропеременный ток оказывается распределенным по сечению провода неравномерно — он как бы вытесняется на поверхность проводника. Это явление получило название

скин-эффектаили поверхностного эффекта. Так как токи высокой частоты практически текут в тонком поверхностном слое, то провода для них делаются полыми. В случае 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.

В случае если по контуру течет ток, то он создает поток магнитной индукции через площадь, ограниченной контуром: Ф=LI, ψ=LI. Коэффициент пропорциональности L принято называть коэффициентом самоиндукции, индуктивностью [Гн]. 1 Гн это индуктивность контура, магнитный поток самоиндукции которого равен 1 Вб при силе тока 1A. Найдем индуктивность очень длинного соленоида: B=μμ₀nI, Ф=BSN, ψ=μμ₀n²lSI (потокосцепление). L= μμ₀n²

V (индуктивность), где n – плотность намотки (число витков на единицу длины), l – длина соленоида, V – объем.

Существование потока индуктивности через контур, обусловленное током по контуру связи – явление самоиндукции. Величина ЭДС самоиндукции: ε=-dψ/dt=-d(Lt)/dt, E_c=-IdL/dt=-LdI/dt. В случае если геометрические размеры не меняются, то равно 0. Величина ЭДС самоиндукции может достигать больших величин, особенно в цепях с незначительной самоиндукцией.

Токи Фуко, их отрицательные и полезные стороны | ASUTPP

Так называемые «вихревые» или контурные токи известны не только своими отрицательными сторонами, связанными с потерями в проводящих средах. Они по достоинству оценены специалистами благодаря множеству полезных применений, одно из которых – современные индукционные печи. Для правильной оценки вихревого эффекта сначала следует разобраться с тем, как в электротехнике трактуется это физическое явление.

Краткое определение

Вихревыми называются циклические (контурные) токовые образования, формирующиеся под действием переменных э/м полей определенной мощности. По имени ученого, впервые открывшего это явление, они названы «токами Фуко» (фото ниже).

Причиной их образование может служить не только изменяющееся э/м поле, но и перемещение проводника в нем, что с учетом относительности всех явлений совсем не удивительно. Точных траекторий, по которым протекают токи Фуко определить невозможно. Из многочисленных экспериментов удалось убедиться в том, что они формируются в зонах проводящей среды, где сопротивление перемещению зарядов минимально.

Особенности вихревых токов

Особенность токов Фуко состоит в их локальности и замкнутости самих на себя, что и является причиной необычных свойств (в сравнении с «классическим» линейным перемещением зарядов). Подобно обычным токам они взаимодействуют с породившим их магнитным полем, но это взаимное действие выражается здесь особым образом. На основании закона Ленца создаваемые ими «местные» электромагнитные поля проявляются так, чтобы противодействовать изменению вызвавшего их магнитного потока. То есть они будут поддерживать убывающее поле и оказывать сопротивление его резкому нарастанию.

Указанное явление вызывает нарастание вихревых образований в проводящей среде с резким снижение ее сопротивления. Естественным результатом этих процессов является сильный нагрев проводящего основания, температура которого достигает 800 градусов. При этом наблюдаются большие потери энергии, передаваемой по проводящей среде, что считается отрицательной стороной явления. Степень нагрева и величина потерь напрямую зависят от частоты наводимого индукционного тока (максимум достигается примерно при 10 кГц).

Полезные применения вихревых токов

Токи Фуко характеризуются не только отрицательными проявлениями (в виде потерь энергии).

Разработчики современной аппаратуры нашли им полезные применения, а именно:

эффект Фуко используется в индукционных счетчиках, где они применяются в качестве демпфера;
при изготовлении индукционных сталеплавильных печей, работающих по принципу нагрева металлов протекающими по ним токами;
при необходимости демпфирования исполнительных механизмов (стрелок) в лабораторных измерительных приборах.

В многоквартирных домах сегодня устанавливаются индукционные плитки, работающие за счет того же эффекта вихревых токов (фото ниже).

«Поэтому движущиеся в сильном магнитном поле проводники испытывают сильное торможение из-за взаимодействия токов Фуко с магнитным полем. Какой из способов эффективнее защищает от токов Фуко

Двигатели с постоянными магнитами используются в различных высокотехнологичных устройствах, но они имеют некоторые конструктивные ограничения.

Одним из таких примеров является чувствительность к высоким температурам, которые могут быть вызваны выделением тепла от протекающих токов, и в частности, вихревых токов. Версия 5.3 программного обеспечения COMSOL® включает в себя функцию учета потерь на вихревые токи в постоянных магнитах таких двигателей. Инженеры могут использовать эти результаты, чтобы в полной мере изучить характеристики двигателей с постоянными магнитами и определить способы оптимизации их производительности.

Использование электродвигателей с постоянными магнитами в высокотехнологичных устройствах.

Экономия энергии — общая цель, к которой стремятся все производители по всему миру. Например, рассмотрим транспортный сектор. Только в прошлом году в Китае представили новую высокоскоростную систему метрополитена , которая обеспечивает значительную экономию энергии. Между тем, у самого старого действующего парома в Финляндии заменили оригинальные дизельные двигатели на новые электрические. А на улицах Лондона известный автомобильный бренд класса «Люкс» впервые представил полностью электрический автомобиль .

Эти примеры демонстрируют развитие транспорта в сторону более экологичного будущего. Также указанные примеры объединяет тот факт, что для данной цели, они используют двигатели с постоянными магнитами (ПМ). Такие типы двигателей с магнитами вместо обмоток в роторе, как правило, находят применение в высокотехнологичных устройствах. Наиболее важным является их использование в электрических и гибридных транспортных средствах.

Электротранспорт — одно из применений двигателей с постоянными магнитами. Изображение, предоставленное Mariodo. Доступно по лицензии Creative Commons 2.0 из Wikimedia Commons .

Двигатели с ПМ высоко ценятся за счет их экономичности, но наряду с тем существуют некоторые ограничения при их проектировании. К примеру, постоянные магниты очень чувствительны к высоким температурам. Такие температуры могут достигаться, когда токи, в частности, вихревые токи, при протекании вызывают выделение тепла. Хотя ламинирование стальных/железных секций ротора помогает уменьшить потери на вихревые токи в этих областях, производственные ограничения делают этот процесс сложным.

Таким образом, нагрев постоянных магнитов может быть довольно существенным.

Давайте рассмотрим новую учебную модель, доступную в версии 5.3 COMSOL Multiphysics®, которая учитывает потери на вихревые токи в двигателях с ПМ

Моделирование потерь на вихревые токи в двигателе с постоянными магнитами с помощью COMSOL Multiphysics®.

Начнем с геометрии нашей модели. В этом примере мы используем трехмерную модель 18-ти полюсного двигателя с ПМ. Для одновременного сокращения вычислительных затрат и учёта всей трехмерной геометрии модели, мы будем моделировать один полюс, используя продольную и зеркальную симметрии.

Вы можете видеть анимацию работы всего двигателя ниже. На ней изображены ротор и железный статор (серым цветом), обмотка статора (из меди) и постоянные магниты (синие и красные в зависимости от радиальной намагниченности).

Конструкция двигателя с постоянными магнитами.

Для моделирования проводящей части ротора мы используем узел Ampère’s law (закон Ампера). Для непроводящих частей ротора и статора мы используем узел Magnetic flux conservation (Закон сохранения магнитной индукции) относительно скалярного магнитного потенциала.

Используя встроенный физический интерфейс Rotating Machinery (Магнитные вращающиеся механизмы), легко смоделировать вращение двигателя. В модели мы рассматриваем центральный верхний полюс, в котором располагаются ротор вместе с участком воздушного зазора, вращающиеся относительно системы координат статора. Обратите внимание, что в данном случае требуется формирование сборки (Assembly) при завершении построения геометрии, поскольку ротор и статор являются двумя отдельными частями конструкции.

Чтобы вычислить и дальше использовать значение потерь на вихревые токи в магнитах с течением времени, мы введем дополнительную переменную. Хотя в рамках данной модели она не потребуется, переменная может использоваться в последующем анализе теплопередачи в качестве усредненного по времени и распределенного источника тепла. Так как тепловые процессы устанавливаются гораздо дольше, чем происходит изменение направления вихревых токов и вызванных ими потерь, необходимо разделять электромеханический и тепловой расчеты для большей эффективности расчёта.

Анализ результатов моделирования.

По результатам моделирования на первом рисунке мы можем видеть распределение магнитной индукции в двигателе в неподвижном стационарном состоянии, другими словами, на графике показаны начальные условия для нестационарного исследования. Ток катушки в начальном состоянии равен нулю. На рисунке справа показано распределение магнитной индукции после того, как двигатель повернулся на один сектор. Для лучшей наглядности можно исключить на рисунке области воздуха и катушек.

Слева: Распределение магнитной индукции в стационарном начальном состоянии. Справа: Распределение магнитной индукции в двигателе после поворота на один сектор.

На приведенном ниже графике мы можем видеть, как с течением времени происходит изменение потерь на вихревые токи в магнитах. Анимация справа показывает изменение потерь на вихревые токи при повороте статора на один сектор. Вихревые токи изображены стрелками.

Слева: График потерь на вихревые токи в зависимости от времени. Справа: Изменение плотности потерь на вихревые токи при повороте на один сектор.

Вышеприведенные примеры дают более полное представление о характеристиках двигателей с ПМ c учетом потерь на вихревые токи в постоянных магнитах. Эта информация будет полезной для улучшения конструкции двигателей с ПМ и, следовательно, технологии, в которой они используются.

Поместим виток провода в переменное магнитное поле. Виток замкнут, при этом в цепи отсутствует гальванометр, который мог бы показать наличие тока индукции в нашем контуре. Но ток можно обнаружить, так как проводник будет нагреваться при прохождении по нему тока. Если, не изменяя остальные размеры витка, увеличить только толщину провода, из которого сделан контур, то ЭДС индукции ($\varepsilon_i\sim \frac{\Delta Ф}{\Delta t}$) не изменится, так как останется прежней скорость изменения магнитного потока. Однако уменьшится сопротивление витка ($R\sim \frac{1}{S}$). Как результат, сила тока индукции увеличится ($I_i$). Мощность, которая выделяется в контуре в виде тепла, прямо пропорциональна $I_i \varepsilon_i$, следовательно, температура проводника увеличится. И так, опыт показывает, что кусок металла при помещении его в магнитное поле нагревается, что указывает на возникновение индукционных токов в массивных проводниках при изменении магнитного потока. Такие токи называют вихревыми токами или токами Фуко.

Определение токов Фуко

Определение

Токами Фуко называют вихревые индукционные объемные электрические токи, которые появляются в проводниках при помещении проводников в переменное магнитное поле.

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.

Примеры задач с решением

Пример 1

Задание. Что такое «магнитное успокоение», которое применяют в электроизмерительных приборах?

Решение. Рассмотрим следующий эксперимент. Легкую магнитную стрелку подвесим к нити (рис.1).

Если эта стрелка предоставлена самой себе, она в положении равновесия устанавливается в направлении с севера на юг. При отклонении ее из положения равновесия, она будет долго совершать колебания, если трение в подвесе небольшое. Разместим под стрелкой на малом расстоянии от нее большую медную пластину значительной массы. Затухание колебаний стрелки в этом случае произойдет очень быстро, сделав одно — два качания стрелка займет положение равновесия. Причина заключается в том, что при движении магнитной стрелки в медном проводнике индуцируются токи Фуко, взаимодействие которых с магнитным полем в соответствии с правилом Ленца затормаживает движение магнита. Кинетическая энергия, которая была сообщена магнитной стрелке в момент толчка, благодаря вихревым токам, превращается во внутреннюю энергию меди, повышая ее температуру. Это явление называют «магнитным успокоением».

Пример 2

Задание. Металлическая монета падает между полюсами электромагнита. Первый раз магнит выключен, второй раз магнит включен. В каком случае скорость падения монеты будет меньше?

Решение. Если между полюсами электромагнита есть магнитное поле, то монета будет медленно опускаться вниз, как — будто она движется в вязкой жидкости, а не в атмосферном воздухе. Монета тормозится силами, которые действуют со стороны магнитного поля на вихревые токи, индуцированные в монете при его падении в магнитном поле. Скорость ее движения будет существенно меньше, чем при выключенном магнитном поле.

Ответ. Скорость падения меньше при включенном магните.

Обмотка лабораторного регулировочного автотрансформатора (ЛАТР) намотана на железном сердечнике, имеющем форму прямоугольного тороида (рис.). Для защиты от вихревых токов Фуко сердечник делают из тонких железных пластин, покрытых изолирующим слоем лака. Такой сердечник можно сделать разными способами:
а) набирая его из тонких колец, положенных стопкой одно на другое;
б) свертывая в рулон тонкую длинную ленту шириной h ;
в) собирая из прямоугольных пластин размером l × h , расположив их вдоль радиусов цилиндра.

Эксперимент.
Наблюдать возникновение токов Фуко можно с помощью следующей установки. Маятник, состоящий из куска металла, подвешенного на нити между полюсами электромагнита, выведенный из положения равновесия при отсутствии тока в электромагните, совершает слабо затухающие колебания. При включении тока колебания почти мгновенно затухают, и движение маятника до его остановки напоминает движение в вязкой среде. Это объясняется тем, что возникшие при движении маятника в магнитном поле токи Фуко имеют такое направление, что действующие на них со стороны магнитного поля силы тормозят движение маятника.

Если сплошной сектор маятника заменить гребенкой с длинными зубцами, то возбуждение токов Фуко будет сильно затруднено. Маятник будет колебаться в магнитном поле почти без затухания. Этот опыт объясняет, почему сердечники электромагнитов и рамы трансформаторов делают не из сплошного куска железа, а из многих листов, наложенных друг на друга. В результате токи Фуко возбуждаются слабо и сильно уменьшается вредное влияние джоулева тепла, выделяемого ими.
Теория.
Токи Фуко − индукционные токи, возникающие в массивных проводниках
в переменном магнитном поле, называются токами Фуко. Иногда они играют полезную роль, а иногда вредную.
Токи Фуко играют полезную роль в роторе асинхронного двигателя, приводимого в движение вращающимся магнитным полем, поскольку само осуществление принципа работы асинхронного двигателя требует возникновения токов Фуко. Являясь токами проводимости, токи Фуко рассеивают часть энергии на выделение джоулевой теплоты. Эта потеря энергии в роторе асинхронного двигателя является бесполезной , но с ней приходится мириться, избегая лишь чрезмерного перегревания ротора. Но одновременно с этим в сердечниках электромагнитов асинхронного двигателя, выполненных обычно из ферромагнетиков, являющихся проводниками, также возникают токи Фуко, которые не имеют никакого значения для принципа работы электромагнитов, но нагревают эти сердечники, ухудшая тем самым их характеристики . С ними необходимо бороться, как с вредным фактором. Борьба заключается в том, что сердечники изготовляют из тонких пластин, отделенных одна от другой слоями изолятора, причем их устанавливают так, чтобы токи Фуко были направлены поперек пластин. Благодаря этому при достаточно малой толщине пластин токи Фуко не могут развиваться и имеют незначительную объемную плотность.
Джоулева теплота, выделяемая токами Фуко, полезно используется в процессах разогрева или даже плавки металлов , когда это оказывается более выгодным или целесообразным по сравнению с другими методами разогрева. Если производить разогрев металла токами очень высокой частоты, то в результате скин-эффекта раскаляется только поверхностный слой проводника.

(б, в) Сплошной кусок металла , находящийся в переменном магнитном поле, представляет собой проводник сопротивления, вследствие чего сила индукционных токов достигает в нем больших значений.
Так как ЭДС индукции пропорциональна быстроте изменения потока магнитной индукции, то величина токов Фуко тем больше, чем быстрее меняется то магнитное поле, в которое внесен данный проводник. Поэтому возникновение токов Фуко легче наблюдать, если внести проводник в полость соленоида, по обмотке которого пропускается быстро переменный ток, вызывающий также быстро меняющееся по величине магнитное поле. В этом случае токи Фуко в массивных хорошо проводящих телах достигают такой силы, что выделяющегося тепла оказывается достаточно, чтобы раскалить тело. Этот метод широко используется в вакуумной технике для прогрева внутри откачиваемого прибора металлических частей для их обезгаживания. Этот же способ употребляется для плавки металлов под вакуумом.
В кусках достаточно толстых , т. е. имеющих большие размеры в направлении , перпендикулярном к направлению индукционного тока , вихревые токи вследствие малости сопротивления могут быть очень большими и вызывать очень значительное нагревание . Если, например, поместить внутрь катушки массивный металлический сердечник и пропустить по катушке переменный ток, который 100 раз в секунду изменяет свое направление и силу, доходя до нуля и вновь усиливаясь, то этот сердечник нагреется очень сильно. Нагревание это вызывается индукционными (вихревыми) токами, возникающими вследствие непрерывного изменения магнитного потока, пронизывающего сердечник. Если же этот сердечник сделать из отдельных тонких проволок, изолированных друг от друга слоем лака или окислов, то сопротивление сердечника в направлении, перпендикулярном к его оси, т. е. сопротивление для вихревых токов, возрастет, и нагревание значительно уменьшится. Этим приемом − разделением сплошных кусков железа на тонкие изолированные друг от друга слои − постоянно пользуются во всех электрических машинах для уменьшения нагревания их индукционными токами, возникающими в переменном магнитном поле. С другой стороны, токи Фуко иногда используются в так называемых индукционных печах для сильного нагревания или даже плавления металлов.

Трансформаторы.
Однако во многих случаях нагревание, вызываемое токами Фуко, является вредным. К таким случаям относится нагревание сердечников трансформаторов и вообще металлических сердечников всякого рода обмоток, по которым идет переменный ток. Чтобы избежать такого нагревания, сердечники делают слоистыми, отделяя слои друг от друга тонкой прослойкой изоляции, расположенной перпендикулярно к направлению токов Фуко.
Появление ферритов (магнитных материалов с большим электрическим сопротивлением) сделало возможным изготовление сердечников сплошными.
(в) В трансформаторах малой мощности магнитопровод собирают из пластин П- , Ш- и О- образной формы (рис. а, б, в).

Широкое применение получили магнитопроводы, навитые из узкой ленты электротехнической стали или из специальных железоникелевых сплавов типа пермаллой. Их можно использовать для стержневых, броневых, тороидальных и трёхфазных трансформаторов (г, д, е, ж).

Скин-эффект.
Токи Фуко могут возникать и в самом проводнике, по которому течет переменный ток. Появление таких токов ведет к особому поверхностному эффекту (называемому также скин-эффектом от английского слова skin , что значит кожа). Если переменный ток идет по цилиндрическому проводнику , то в моменты увеличения тока индукционные токи Фуко будут направлены как показано на рисунке.

Эти токи направлены у поверхности проводника в направлении первичного электрического тока, а у оси проводника − навстречу току. В результате внутри проводника ток ослабнет, у поверхности увеличится. Таким образом, вследствие возникновения индукционных токов Фуко, ток будет распределен неравномерно по сечению проводника.
При быстропеременных токах плотность тока вблизи оси проводника практически оказывается равной нулю, и весь ток идет по поверхности проводника. Вследствие этого и магнитное поле внутри проводника делается равным нулю. Это явление вызывает увеличение сопротивления проводника, так как по внутренним частям проводника ток не идет. Так как эти внутренние части оказываются бесполезными, то в целях экономии металла провода для быстропеременных токов делаются полыми. Токи Фуко приводят также к уменьшению коэффициента самоиндукции проводника. Это можно пояснить на примере цилиндрического проводника.
В силу скин-эффекта проводники в высокочастотных схемах не имеет смысла делать сплошными. Для уменьшения сопротивления нужно увеличивать их поверхность, а не сечение, т. е. изготовлять проводники в виде трубок . В электропечах этим обстоятельством пользуются, охлаждая трубки катушки, по которым идет ток высокой частоты, с помощью воды, циркулирующей внутри трубок.

Генераторы.
Генераторы обычно приводятся в движение сравнительно тихоходными водяными турбинами или двигателями внутреннего сгорания. При работе же с паровыми турбинами, вращающимися с частотой 1500 − 3000 оборотов в минуту, применяется несколько иная конструкция ротора (индуктора). Ротор не имеет выступов, а представляет собой гладкий цилиндр, на наружной поверхности которого в пазах уложена обмотка. При большой частоте вращения это выгоднее, потому что выступы на роторе создают воздушные вихри и увеличивают механические потери.
Форма полюсных наконечников на выступах ротора специально рассчитывается так, чтобы индуцированная в обмотке ЭДС изменялась со временем по закону синуса, т. е. чтобы форма напряжения и тока, даваемого генератором, была синусоидальной.
Статор генератора − его неподвижная часть − представляет собой железное кольцо, в пазах которого уложены обмотки якоря. Для уменьшения потерь на токи Фуко это кольцо делается не сплошным, а состоящим из отдельных тонких листов железа, изолированных друг от
друга.

Смотрите еще :

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«КУРГАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Выполнил: Студент группы Т-10915 Логунова М.В.

Преподаватель Воронцов Б.С.

Курган 2016

Введение 3

1. Токи Фуко 4

2.Вихри и скин-эффект 7

3.Практическое применение токов Фуко 8

4.Вывод формул 10

4.1. Сила вихревого тока по закону Ома 10

4.2. Формулы для посчёта потерь на токи Фуко 10

Заключение 11

Список использованной литературы 12

Введение

Индукционный ток может возникать не только в линейных контурах, то есть в проводниках, поперечные размеры которых пренебрежимо малы по сравнению с их длиной. Индукционный ток возникает и в массивных проводниках. В этом случае проводник не обязательно включать в замкнутую цепь. Замкнутая цепь индукционного тока образуется в толще самого проводника. Такие индукционные токи называются вихревыми илитоками Фуко .

Вихревые токи, или токи Фуко (в честь Ж. Б. Л. Фуко) — вихревые индукционные токи, возникающие впроводникахлибо 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.

Токи Фуко

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 спустяM. Фарадеемс позиций открытого им закона электромагнитной индукции: вращаемое магнитное поле наводит в медном диске вихревые токи, которые взаимодействуют с магнитной стрелкой. Вихревые токи были подробно исследованы французским физикомФуко(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.

Но, 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. Электрическое сопротивление массивного проводника мало, поэтому токи Фуко достигают очень большой силы. Согласно правилу Ленца, магнитное поле вихревых токов направлено так, чтобы противодействовать изменению магнитного потока, индуцирующего эти вихревые токи.

Поэтому движущиеся в сильном магнитном поле хорошие проводники испытывают сильное торможение, обусловленное взаимодействием токов Фуко с магнитным полем.

Например, если медную пластину отклонить от положения равновесия и отпустить так, чтобы она вошла со скоростью υ в пространство между полосами магнита, то пластина практически остановится в момент её вхождения в магнитное поле (рис. 1).

Замедление движения связано с возбуждением в пластине вихревых токов, препятствующих изменению потока вектора магнитной индукции. Поскольку пластина обладает конечным сопротивлением, токи индукции постепенно затухают и пластина медленно двигается в магнитном поле. Если электромагнит отключить, то медная пластина будет совершать обычные колебания, характерные для маятника.

Вихревые токитакже приводят к неравномерному распределению магнитного потока по сечению магнитопровода. Это объясняется тем, что в центре сечения магнитопровода намагничивающая сила вихревых токов, направленная навстречу основному потоку, является наибольшей, так как эта часть сечения охватывается наибольшим числом контуров вихревых токов. Такое «вытеснение» потока из середины сечения магнитопровода выражено тем резче, чем выше частота переменного тока и чем больше магнитная проницаемость ферромагнетика. При высоких частотах поток проходит лишь в тонком поверхностном слое сердечника. Это вызывает уменьшение кажущейся (средней по сечению) магнитной проницаемости. Явление вытеснения из ферромагнетика магнитного потока, изменяющегося с большой частотой, аналогично электрическому скин-эффекту и называемому магнитным скин-эффектом.

В соответствии с законом Джоуля — Ленца вихревые токи нагревают проводники, в которых они возникли. Поэтому вихревые токи приводят к потерям энергии (потери на вихревые токи) в магнитопроводах (в сердечниках трансформаторов и катушек переменного тока, в магнитных цепях машин).

Для уменьшения потерь энергии на вихревые токи (и вредного нагрева магнитопроводов) и уменьшения эффекта «вытеснения» магнитного потока из ферромагнетиков магнитопроводы машин и аппаратов переменного тока делают не из сплошного куска ферромагнетика (электротехнической стали), а из отдельных пластин, изолированных друг от друга. Такое деление на пластины, расположенные перпендикулярно направлению вихревых токов, ограничивает возможные контуры путей вихревого тока, что сильно уменьшает величину этих токов. При очень высоких частотах применение ферромагнетиков для магнитопроводов нецелесообразно; в этих случаях их делают из магнитодиэлектриков, в которых вихревые токи практически не возникают из-за очень большого сопротивления этих материалов.

При движении проводящего тела в магнитном поле индуцированные вихревые токи обусловливают заметное механическое взаимодействие тела с полем. На этом принципе основано, например, торможение подвижной системы в счётчиках электрической энергии, в которых алюминиевый диск вращается в поле постоянного магнита. В машинах переменного тока с вращающимся полем сплошной металлический ротор увлекается полем из-за возникающих в нём вихревых токов. Взаимодействие вихревого тока с переменным магнитным полем лежит в основе различных типов насосов для перекачки расплавленного металла.

Вихревые токи возникают и в самом проводнике, по которому течёт переменный ток, что приводит к неравномерному распределению тока по сечению проводника. В моменты увеличения тока в проводнике индукционные вихревые токи направлены у поверхности проводника по первичному электрическому току, а у оси проводника — навстречу току. В результате внутри проводника ток уменьшится, а у поверхности увеличится. Токи высокой частоты практически текут в тонком слое у поверхности проводника, внутри же проводника тока нет. Это явление называется электрическим скин-эффектом. Чтобы уменьшить потери энергии на вихревые токи, провода большого сечения для переменного тока делают из отдельных жил, изолированных друг от друга.

В электрических аппаратах, приборах и машинах металлические детали иногда движутся в магнитном поле или неподвижные металлические детали пересекаются силовыми линиями меняющегося по величине магнитного поля. В этих металлических деталях индуктируется .

Под действием этих э. д. с. в массе металлической детали протекают вихревые токи (токи Фуко) , которые замыкаются в массе, образуя вихревые контуры токов.

Вихревыми токами (также токами Фуко) называются электрические токи, возникающие вследствие электромагнитной индукции в проводящей среде (обычно в металле) при изменении пронизывающего ее магнитного потока.

Вихревые токи порождают свои собственные магнитные потоки, которые, по , противодействуют магнитному потоку катушки и ослабляют его. Кроме того, они вызывают нагрев сердечника, что является бесполезной тратой энергии.

Пусть имеется сердечник из металлического материала. Поместим на этот сердечник катушку, по которой пропустим . Вокруг катушки окажется переменный магнитный ток, пересекающий сердечник. При этом в сердечнике станет наводиться индуцированная ЭДС, которая, в свою очередь, вызывает в сердечнике токи, называемые вихревыми. Эти вихревые токи нагревают сердечник. Так как электрическое сопротивление сердечника невелико, то наводимые в сердечниках индуцированные токи могут оказываться достаточно большими, а нагрев сердечника — значительным.

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 .

Вихревые токи были подробно исследованы французским физиком Фуко (1819-1868) и названы его именем. Он назвал явление нагревания металлических тел, вращаемых в магнитном поле, вихревыми токами.

В качестве примера на рисунке показаны вихревые токи, индуктируемые в массивном сердечнике, помещенном в катушку, обтекаемую переменным током. Переменное магнитное поле индуктирует токи, которые замыкаются по путям, лежащим в плоскостях, перпендикулярных направлению поля.

Вихревые токи: а — в массивном сердечнике, б — в пластинчатом сердечнике

Способы уменьшения токов Фуко

Мощность, затрачиваемая на нагрев сердечника вихревыми токами, бесполезно снижает КПД технических устройств электромагнитного типа.

Чтобы уменьшить мощность вихревых токов, увеличивают электрическое сопротивление магнитопровода, для этого сердечники набирают из отдельных тонких (0,1- 0,5 мм) пластин, изолированных друг от друга с помощью специального лака или окалины.

Магнитопроводы всех машин и аппаратов переменного тока и сердечники якорей машин постоянного тока собирают из изолированных друг от друга лаком или поверхностной непроводящей пленкой (фосфатированных) пластин, выштампованных из листовой электротехнической стали. Плоскость пластин должна быть параллельна направлению магнитного потока.

При таком делении сечения сердечника магнитопровода вихревые токи существенно ослабляются, так как уменьшаются магнитные потоки, которыми сцепляются контуры вихревых токов, а следовательно, понижаются и индуктируемые этими потоками э. д. с, создающие вихревые токи.

В материал сердечника также вводят специальные добавки, также увеличивающие его . Для увеличения электрического сопротивления ферромагнетика электротехническую сталь приготовляют с присадкой кремния.

Сердечники некоторых катушек (бобин) набирают из кусков отожженной железной проволоки. Полоски железа располагают параллельно линиям магнитного потока. Вихревые же токи, протекающие в плоскостях, перпендикулярных направлению магнитного потока, ограничиваются изолирующими прокладками. Для магнитопроводов приборов и устройств, работающих на высокой частоте, применяют магнетодиэлектрики. Чтобы снизить вихревые токи в проводах, последние изготавливают в виде жгута из отдельных жил, изолированных друг от друга.

Применение токов Фуко

Полезное применение вихревые токи нашли в устройстве магнитного тормоза диска электрического счетчика. Вращаясь, диск пересекает . 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 также при и поверхностной закалке токами высокой частоты.

Использование вихревых токов при индукционной закалке металлов

Сборник идеальных эссе по обществознанию

Задание № 10242

Токи Фуко нашли применение в индукционных печах для сильного нагревания и даже плавления металлов. При какой частоте переменного магнитного поля в печи металл будет нагреваться быстрее?

1) 20 Гц

2) 60 Гц

3) 500 Гц

4) 2000 Гц

Индукционный ток
Рассмотрим простейший опыт, демонстрирующий возникновение индукционного тока: замкнутый виток из проволоки поместим в изменяющееся магнитное поле. Судить о наличии в витке индукционного тока можно по нагреванию проводника. Если, сохраняя прежние внешние размеры витка, сделать его из более толстой проволоки, то сопротивление витка уменьшится, а индукционный ток возрастет. Мощность, выделяемая в витке в виде тепла, увеличится.
При изменении магнитного поля индукционные токи возникают не только в проволочных контурах, но и в массивных образцах металла. Эти токи обычно называют вихревыми токами, или токами Фуко, по имени открывшего их французского физика. Направление и сила вихревого тока зависят от формы образца, от свойств материала, из которого сделан образец, и сила тока увеличивается с увеличением скорости изменения магнитного поля. В массивных проводниках вследствие малости электрического сопротивления токи могут быть очень большими и вызывать значительное нагревание.
Токи Фуко нашли практическое применение: например, работа индукционной плиты (см. рис.). Под стеклокерамической поверхностью плиты находится катушка индуктивности, по которой протекает переменный электрический ток, создающий переменное магнитное поле. Частота тока составляет 20-60 кГц. В дне посуды наводятся токи индукции, которые нагревают его, а заодно и помещённые в посуду продукты.
Устройство индукционной плиты:
1 — посуда с дном из ферромагнитного материала;
2 — стеклокерамическая поверхность;
3 — слой изоляции;
4 — катушка индуктивности
Индукционные плиты требуют применения металлической посуды, обладающей ферромагнитными свойствами (к посуде должен притягиваться магнит). Причём, чем толще дно, тем быстрее происходит нагрев.

Показать ответ
Комментарий: Чем быстрее меняется магнитное поле тем сильнее индукционный ток.
Ответ: 4

Улучши свой результат с курсами ЕГЭ/ОГЭ/ВПР на egevpare.ru
Предложи свой вариант решения в комментариях 👇🏻
Трансформаторы* — это… Что такое Трансформаторы*?
— Т. называются приборы, служащие 1) либо для преобразования электрических токов одного напряжения в токи другого напряжения, 2) либо для преобразования токов переменных в токи постоянные и обратно. Т. первого рода, т. е. Т. напряжении, устраиваются различно, в зависимости от того, предназначаются ли они для токов переменных или постоянных. Т., предназначаемые для переменных токов, состоят из железного сердечника, большею частью замкнутого, приготовленного из сложенных листов железа толщиной в 0,1 — 2 мм, между которыми проложены для изоляции листы бумаги. Эти прокладки ослабляют в сердечнике токи Фуко и тем уменьшают в нем потерю энергии, идущей на нагревание. На сердечнике помещаются две обмотки (фиг. 1) из медной проволоки.
Фиг. 1.
По одной из них, называемой первичной (I), пропускается ток, напряжение которого желают преобразовать. Этот ток называют током первичным. Проходя по обмотке, он намагничивает сердечник и, будучи переменным, вызывает образование в сердечнике переменного же магнитного потока. Этот поток пронизывает обороты проволоки вторичной (II) обмотки, в которой и индуктируется при этом переменный ток, называемый вторичным. Соотношение между напряжениями вторичного и первичного токов (т. е. между разностями потенциалов у концов вторичной и первичной обмоток) зависит от чисел витков проволоки в этих обмотках. Именно, если назвать первичное напряжение через Е 1, а вторичное через E2, то с большим приближением всегда будет
E2/E1 = n2/n1,

где n1 и п 2 числа витков проволоки в первичной и вторичной обмотках. Энергия, получаемая от динамо-машин и затрачиваемая в первичной обмотке, частью идет на образование вторичного тока, частью на нагревание обмоток и магнитного сердечника, происходящих вследствие существования токов Фуко и гистерезиса в сердечнике, и токов первичного и вторичного в обмотках. Эта часть энергии теряется, следовательно, даром и называется потерей энергии в Т. В хороших Т. потеря не превосходит 5 %, следовательно, почти вся энергия, затрачиваемая в первичной цепи, восстановляется во вторичной, т. е. приблизительно
E1J1 = E2J2

где Е 1 и E2 — напряжения в этих цепях, a J1 и J2 — силы тока в них. Отсюда следует, что J2/J1 = E1/E2
т. е. силы токов будут в обмотках изменяться в обратном отношении, чем напряжения. Так, если по первичней обмотке проходит ток в 10 ампер при 2000 вольт, то во вторичной, например при 100 вольтах, ток будет в 200 ампер. На фиг. 1 показано, как включается Т. в цепь источника тока (динамомашины) и в цепь приемников (ламп, двигателей и т. п.). В цепь динамомашины включается первичная обмотка, приемники же включаются в цепь вторичную. Если эта последняя разомкнута, т. е. во вторичной цепи нет тока, то ток первичный будет очень слаб, вследствие значительной самоиндукции первичной обмотки. Энергия, затрачиваемая в первичной цепи, при этом идет исключительно на нагревание первичной обмотки и на потери от токов Фуко и гистерезиса. По мере включения приемников во вторичную цепь, т. е. по мере того, как во вторичной обмотке усиливается ток, увеличивается сила тока и в первичной обмотке, следовательно, увеличивается и потеря энергии на ее нагревание, потеря же энергии на токи Фуко и гистерезиса почти не изменяется. Вследствие этого отношение между количеством энергии (числом ватт E2J2 получаемым во вторичной цепи, и количеством энергии (E1J1), затрачиваемым в цепи первичной, увеличивается с увеличением нагрузки Т. Это отношение, называемое отдачей Т., в хороших Т. изменяется от 95—97 % при полной нагрузке, до 80—85 % при нагрузках, не достигающих половины нормальной, для которой предназначен Т. При увеличениях нагрузки происходит всегда некоторое постепенное уменьшение разности потенциалов у зажимов вторичной обмотки. Это понижение, происходящее главным образом от падения потенциала во вторичной обмотке и от магнитной утечки, не превышает, однако, 2—3 % нормального напряжения. Поэтому Т. не требуют никакой регулировки напряжения. Последнее обстоятельство, в связи с тем, что в Т. переменного тока нет никаких подвижных частей, требующих ухода и надзора, позволяет устанавливать их в любых помещениях, напр. на чердаках, в подвалах и т. п., причем, однако, во избежание порчи обмоток от толчков и т. п. , обыкновенно Т. заключаются в железные кожухи. Внешний вид Т. бывает очень разнообразный. На фиг. 2 представлен один из распространенных типов со снятым кожухом. При распределении электрического тока при помощи Т. обыкновенно первичные обмотки Т, включаются параллельно в провода, идущие от источника тока.
Фиг. 2.
Во вторичные же их цепи включаются, опять-таки параллельно, все приемники (фиг. 3).
Фиг. 3.
Т., предназначаемые не для простого переменного тока, а для трехфазного, устраиваются совершенно так же, как и для простого, с тою только разницею, что сердечники их снабжаются тремя парами обмоток, т. е. тремя обмотками первичными и тремя вторичными. На фиг. 4 представлен такой Т.
Фиг. 4.
Особый тип Т. переменного тока представляют так наз. однокатушечные Т. или автотрансформаторы. В них на сердечнике помещается только одна катушка, которая и включается в первичную цепь. В ответвлении от нескольких ее оборотов включаются приемники, так что эти обороты играют роль и вторичной катушки. Часть обмотки, играющая роль вторичной катушки, делается. понятно, из более толстой проволоки, чем остальная ее часть. Такие Т. применяются только для понижения напряжения токов и изготовляются только для весьма малых количеств энергии. Обычные же Т. с двумя катушками изготовляются для всяких количеств энергии от частей киловатта до тысяч киловатт. Очень мощные Т., во избежание нагревания, снабжаются вентилирующими приспособлениями. Т., предназначаемые для токов очень высокого напряжения (в 10 тыс. вольт и больше), для лучшей изоляции погружаются, в чаны с маслом.
Т. постоянного тока представляют из себя комбинацию электродвигателя с динамомашиной. Двигатель питается первичным током и вращает соединенную с ним динамомашину, которая уже и дает вторичный ток. Электродвигатель и динамомашина расчитываются соответственно напряжениям, которые должны иметь первичный и вторичный токи. Иногда, с целью экономии материала, обе машины соединяются в одну: общая арматура снабжается двумя отдельными обмотками, снабженными каждая своим коллектором, которые помещаются по обе стороны арматуры (фиг. 5).
Фиг. 5.
Арматура эта вставляется в полюсное отверстие индукторов. К одному коллектору подводится трансформируемый (первичный) ток, от другого берется ток вторичный. Подобные Т. занимают меньше места, но они сложнее обыкновенных, поэтому на практике чаще применяются Т. из двух машин, оси арматур которых соединяются муфтой. На фиг. 6 представлен такой трансформатор.
Фиг. 6.
Т. постоянного тока машины гораздо менее совершенные, чем Т. тока переменного. Именно в них есть подвижные части, что вызывает необходимость смазки и вообще постоянного надзора, почему эти Т. должны быть устанавливаемы в специальных помещениях. Далее, отдача таких Т. сравнительно мала. Она не превосходит 80 %. Наконец, в Т. постоянного тока изменение нагрузки вторичной цепи влияет на напряжение вторичного тока гораздо сильнее, чем в Т. переменного тока, что вызывает необходимость регулировки этого напряжения от руки или при помощи специальных, автоматических регуляторов. Все эти причины делают то, что Т. постоянного тока применяются гораздо реже, чем Т. переменного тока, применяемые на практике в весьма широких размерах. Т. применяются как для повышения, так и для понижения напряжения тока. При распределении тока в больших районах и при передаче энергии на большие расстояния, можно достичь громадной экономии в меди, идущей на устройство проводников, если применять токи высокого напряжения. Между тем эти токи опасны для жизни и часто не пригодны для разного рода приемников, напр., ламп. Поэтому, если их желают применять, то в местах потребления надо понижать напряжение этих токов, что и делается посредством Т. Обычно канализируются токи в 2000—5000 вольт (иногда 20000 в.) и трансформируются в токи в 100—250 вольт. Однако, часто понижают и до более низких напряжений, напр. для паяния, для некоторых электрометаллургических операций и т. п. В качестве повышателей напряжения Т. применяются тогда, когда, в видах безопасности и лучшей изоляции, не желают устраивать машин, дающих токи высоких напряжений, Так, напр. , при применении токов в 15000 вольт и больше, обыкновенно получают их не непосредственно от машин, но преобразовывая машинные токи посредством Т. Т. же повысители применяются и для получения токов очень высоких напряжений, необходимых, напр., для некоторых способов очистки питьевых вод, для воспроизведения явлений Тесла и т. д. Особый тип Т. представляют из себя Т. переменных токов в постоянные или обратно, называемые превратителями (umformer, commutatrice). В простейшем виде такой Т. представляет из себя комбинацию из электродвигателя и динамомашины, соединенных между собой. Электродвигатель питается превращаемым током и вертит динамомашину, дающую уже превращенный ток. На практике, в настоящее время чаще приходится превращать токи трехфазные переменные в постоянные, и для этой цели выработаны особые превратители, представляющие из себя одну машину. Такой превратитель состоит из индукторов, в которых помещается арматура с обыкновенной обмоткой машин постоянного тока и обычным Граммовским коллектором, помещенным с одной ее стороны. С другой ее стороны помещены три контактных кольца (как в обычных трехфазных двигателях), присоединенных к соответствующим точкам обмотки арматуры. При посредстве этих трех колец через арматуру пропускается превращаемый трехфазный ток, приводящий машину во вращение. От вращающейся же арматуры, совершенно так же как и в динамомашинах постоянного тока, через посредство Граммовского коллектора, получается постоянный ток. Подобные превратители работают очень экономично и занимают менее места, чем две спаренные машины между собою. Применяются они во всех тех случаях, когда имеется в распоряжении переменный ток, а для некоторых целей нужен постоянный. Так, подобные превратители применены на установке электрической передачи энергии с Ниагарских водопадов, где они питают электрические трамваи и электрохимические заводы. Точно так же превратители переменного тока в постоянный установлены во Франции для питания электрической дор. между Парижем и Версалем, в Берлине — для освещения города током, получаемым от станции, расположенной далеко за городом и дающей трехфазный ток, менее пригодный для дуговых ламп, чем постоянный, и во многих других местах. На фиг. 7 изображен превратитель, применяемый на Ниагарской установке.
Фиг. 7.
Трансформаторы постоянного тока в переменный имеют совершенно такое же устройство, как и превратители переменного в постоянный. На практике они применяются редко. В качестве трансформаторов напряжения могут быть применяемы при известных условиях конденсаторы. Однако, подобного рода их применение представляет пока только теоретический интерес, ввиду трудности приготовления конденсаторов достаточной емкости, которые выдерживали бы значительные напряжения.
М. Шателен
.
Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона. — С.-Пб.: Брокгауз-Ефрон. 1890—1907.
История вихретокового контроля
Явление вихревых токов было открыто французским физиком Леоном Фуко в 1851 году, и по этой причине вихревые токи иногда называют токами Фуко. Фуко построил устройство, в котором использовался медный диск, движущийся в сильном магнитном поле, чтобы показать, что вихревые токи (магнитные поля) генерируются, когда материал движется в приложенном магнитном поле.
Вихретоковые испытания начались в основном в результате открытия электромагнитной индукции английским ученым Майклом Фарадеем в 1831 году.Фарадей обнаружил, что когда магнитное поле проходит через проводник (материал, в котором легко движутся электроны) или когда проводник проходит через магнитное поле, электрический ток будет течь через проводник, если есть замкнутый путь, по которому ток может распространять. В 1879 году был сделан еще один прорыв, когда еще один английский Ученый Дэвид Хьюз продемонстрировал, как свойства катушки меняются при контакте с металлами различной проводимости и проницаемости.Однако только во время Второй мировой войны эти разработки в области передачи и приема электромагнитных волн нашли практическое применение для испытаний материалов.
Начиная с 1933 года в Германии, работая в Институте кайзера Вильгельма, профессор Фридрих Фёрстер адаптировал вихретоковую технологию для промышленного использования, разработав инструменты для измерения проводимости и сортировки смешанных черных металлов. В 1948 году Ферстер основал свою собственную компанию в Ройтлингене, бизнес, основанный на вихретоковых испытаниях, который продолжается и по сей день.Вскоре последовали и другие компании. В 1950-х и 1960-х годах были достигнуты большие успехи, особенно в авиационная и атомная промышленность. В последнее время в вихретоковом тестировании появилось много разработок, которые привели к повышению производительности и разработке новых приложений. Вихретоковый контроль в настоящее время является широко используемым и хорошо изученным методом контроля для обнаружения дефектов, а также для измерения толщины и проводимости.
Что такое вихревой ток? — Определение и применение
Что вызывает вихревые токи?
Вихревые токи были впервые обнаружены французским ученым Жаном Фуко более ста лет назад.Фуко заметил, что когда он пытался вращать медный диск между двумя магнитными полюсами, вращать его становилось все труднее, чем быстрее он двигался. Кроме того, диск начинал нагреваться, даже если к нему ничего не прикасалось. Что происходило?
Чтобы понять, что происходило внутри медного диска, вы должны сначала кое-что узнать об электромагнитной индукции . Когда магнитное поле изменяется, электромагнитная индукция вызывает возникновение электрического поля, которое может вызвать протекание тока.Затем этот ток генерирует свое СОБСТВЕННОЕ магнитное поле, которое всегда противоположно направлению приложенного извне магнитного поля. Это принцип, лежащий в основе работы электрогенераторов и двигателей.
Фуко понял, что, вращая медный диск между магнитными полюсами, он вызывает изменение магнитного поля, проходящего через диск. Возникающее в результате индуцированное электрическое поле вызывало образование петель тока внутри диска, в результате чего диск становился горячим.Эти наведенные токовые петли называются вихревыми токами, потому что они всегда движутся по кругу, как водовороты в воде.
Чем быстрее он вращал диск, тем быстрее менялось магнитное поле, и в результате тем сильнее становились эти вихревые токи. Поскольку вихревые токи создавали магнитные поля в направлении, противоположном полю, создаваемому магнитными полюсами, чем быстрее двигался диск, тем труднее его было повернуть.
Вихретоковые тормоза
Итак, как открытие Фуко привело к разработке магнитных тормозных систем, подобных той, которая останавливала поезд? Возле колес поезда установлены электромагниты.Когда поезду нужно остановиться, эти электромагниты включаются. Проходя мимо дорожек, они создают вихревые токи на дорожках. Эти вихревые токи вызывают нагрев дорожек, как и медный диск Фуко, но они также оказывают магнитное воздействие на электромагниты, установленные на поезде. Это заставляет поезд замедляться и в конечном итоге останавливаться!
Поскольку сила индуцированного магнитного поля зависит от того, насколько быстро движется поезд, вихретоковые тормоза проявляют большую силу, когда поезд движется быстро, и меньшую силу, когда он замедляется.Это позволяет поезду тормозить очень плавно, а поскольку в нем нет движущихся частей, а тормоза даже не касаются рельсов, магнитные тормоза служат очень долго и требуют очень небольшого обслуживания.
Вихретоковые тормоза обычно используются для остановки американских горок и поездов. Кроме того, их можно найти во многих типах машин и даже в некоторых типах спортивного оборудования, например, в гребных тренажерах, где они используются для увеличения сопротивления тренажеру, чем быстрее вы заставляете его двигаться.
Индукционные нагреватели
Помимо тормозов, вихревые токи могут использоваться только для нагрева. В индукционных нагревателях переменный ток создает изменяющееся магнитное поле, которое вызывает вихревые токи и заставляет объект нагреваться, точно так же, как рельсы поезда нагреваются при торможении поезда. Эта технология использовалась для создания индукционных плит, которые есть у многих людей в своих домах. Они могут нагреть сковороду до очень высокой температуры, при этом поверхность плиты останется прохладной на ощупь!
Электромагнитная индукция вызывает в этом металлическом стержне вихревые токи, заставляя его нагреваться и светиться.
Краткое содержание урока
Изменяющееся магнитное поле заставляет ток течь в проводе. Это принцип электромагнитной индукции , и он отвечает за работу электрических генераторов и двигателей. Когда твердый металлический объект помещается в изменяющееся магнитное поле, внутри металла могут возникать петли тока, называемые , вихревые токи , вызывая его нагрев. Эти индуцированные вихревые токи становятся сильнее, когда магнитное поле изменяется быстрее, и они всегда индуцируются в направлении, которое создает магнитное поле, противодействующее приложенному извне полю.
Вихревые токи были впервые обнаружены Фуко в 1800-х годах, и сегодня они используются в магнитных тормозных системах в поездах, американских горках и заводском оборудовании, а также в устройствах индукционного нагрева.
13.6: Вихревые токи — Физика LibreTexts
Цели обучения
К концу этого раздела вы сможете:
Объясните, как в металлах возникают вихревые токи
Опишите ситуации, когда вихревые токи полезны, а где нет.
Как обсуждалось в двух разделах ранее, ЭДС движения индуцируется, когда проводник движется в магнитном поле или когда магнитное поле движется относительно проводника.Если ЭДС движения может вызвать ток в проводнике, мы называем этот ток вихревым током .
Магнитное демпфирование
Вихревые токи могут вызывать значительное сопротивление, называемое магнитным демпфированием , при движении. Рассмотрим устройство, показанное на рисунке \ (\ PageIndex {1} \), которое раскачивает маятник между полюсами сильного магнита. (Это еще одна любимая демонстрация физики.) Если боб металлический, на боб действует значительное сопротивление, когда он входит в поле и покидает его, быстро демпфируя движение.Однако, если боб представляет собой металлическую пластину с прорезями, как показано в части (b) рисунка, магнит производит гораздо меньший эффект. Заметного воздействия на боб из изолятора не наблюдается. Почему сопротивление возникает в обоих направлениях и есть ли применение магнитному сопротивлению?
Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Обычное физическое демонстрационное устройство для изучения вихревых токов и магнитного затухания. (а) Движение металлического маятника, раскачивающегося между полюсами магнита, быстро затухает под действием вихревых токов.(b) Есть небольшое влияние на движение металлического боба с прорезями, что означает, что вихревые токи становятся менее эффективными. (c) На непроводящем бобе также отсутствует магнитное затухание, поскольку вихревые токи чрезвычайно малы.
На рисунке \ (\ PageIndex {2} \) показано, что происходит с металлической пластиной, когда она входит в магнитное поле и выходит из него. В обоих случаях он испытывает силу, противодействующую его движению. Когда он входит слева, поток увеличивается, создавая вихревой ток (закон Фарадея) в направлении против часовой стрелки (закон Ленца), как показано.Только правая сторона токовой петли находится в поле, поэтому на нее слева действует беспрепятственная сила (RHR-1). Когда металлическая пластина полностью находится внутри поля, вихревой ток отсутствует, если поле однородно, поскольку поток остается постоянным в этой области. Но когда пластина покидает поле справа, поток уменьшается, вызывая вихревой ток в направлении по часовой стрелке, который, опять же, испытывает силу слева, еще больше замедляя движение. Аналогичный анализ того, что происходит, когда пластина поворачивается справа налево, показывает, что ее движение также затухает при входе в поле и выходе из него.
Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): более подробный взгляд на проводящую пластину, проходящую между полюсами магнита. Когда он входит в поле и выходит из него, изменение потока создает вихревой ток. Магнитная сила на токовой петле препятствует движению. Когда пластина полностью находится внутри однородного поля, нет ни тока, ни магнитного сопротивления.
Когда металлическая пластина с прорезями входит в поле (рисунок \ (\ PageIndex {3} \)), ЭДС индуцируется изменением магнитного потока, но это менее эффективно, поскольку прорези ограничивают размер токовых петель.Более того, в соседних контурах есть токи в противоположных направлениях, и их эффекты нейтрализуются. Когда используется изоляционный материал, вихревой ток очень мал, поэтому магнитное затухание на изоляторах незначительно. Если необходимо избежать вихревых токов в проводниках, они должны быть выполнены с прорезями или состоять из тонких слоев проводящего материала, разделенных изоляционными листами.
Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): Вихревые токи, индуцированные в металлической пластине с прорезями, входящие в магнитное поле, образуют небольшие петли, и силы на них имеют тенденцию нейтрализоваться, тем самым делая магнитное сопротивление почти нулевым.
Применение магнитного демпфирования
Одно из применений магнитного демпфирования можно найти в чувствительных лабораторных весах. Для максимальной чувствительности и точности весы должны быть максимально свободными от трения. Но если он без трения, то будет очень долго колебаться. Магнитное демпфирование — простое и идеальное решение. При магнитном демпфировании сопротивление пропорционально скорости и обращается в ноль при нулевой скорости. Таким образом, колебания быстро затухают, после чего демпфирующая сила исчезает, благодаря чему баланс становится очень чувствительным (рисунок \ (\ PageIndex {4} \)).В большинстве весов магнитное демпфирование достигается с помощью проводящего диска, который вращается в фиксированном поле.
Рисунок \ (\ PageIndex {4} \): Магнитное демпфирование этих чувствительных весов замедляет их колебания. Поскольку закон индукции Фарадея дает наибольший эффект при самых быстрых изменениях, демпфирование наибольшее для больших колебаний и стремится к нулю при остановке движения.
Поскольку вихревые токи и магнитное затухание возникают только в проводниках, центры переработки могут использовать магниты для отделения металлов от других материалов.Мусор партиями сбрасывается по пандусу, под которым находится мощный магнит. Проводники в мусоре замедляются из-за магнитного демпфирования, в то время как неметаллы в мусоре движутся дальше, отделяясь от металлов (Рисунок \ (\ PageIndex {5} \)). Это работает для всех металлов, а не только для ферромагнитных. Магнит может отделять ферромагнитные материалы самостоятельно, воздействуя на неподвижный мусор.
Рисунок \ (\ PageIndex {5} \): Металлы можно отделить от другого мусора с помощью магнитного перетаскивания. В металлах создаются вихревые токи и магнитное сопротивление, которые направляются вниз по этой рампе мощным магнитом под ней.Неметаллы идут дальше.
Другие основные применения вихревых токов появляются в металлодетекторах и тормозных системах в поездах и американских горках. Переносные металлоискатели (рисунок \ (\ PageIndex {6} \)) состоят из первичной катушки, по которой проходит переменный ток, и вторичной катушки, в которой индуцируется ток. В куске металла рядом с детектором индуцируется вихревой ток, вызывая изменение наведенного тока во вторичной катушке. Это может вызвать какой-то сигнал, например пронзительный шум.
Рисунок \ (\ PageIndex {6} \): солдат в Ираке использует металлоискатель для поиска взрывчатых веществ и оружия. (предоставлено армией США)
Торможение с использованием вихревых токов более безопасно, поскольку такие факторы, как дождь, не влияют на торможение и торможение более плавное. Однако вихревые токи не могут полностью остановить движение, поскольку создаваемая тормозная сила уменьшается с уменьшением скорости. Таким образом, скорость может быть уменьшена, скажем, с 20 м / с до 5 м / с, но для полной остановки транспортного средства требуется другая форма торможения.Как правило, в американских горках используются мощные редкоземельные магниты, такие как неодимовые магниты. На рисунке \ (\ PageIndex {7} \) показаны ряды магнитов в таком приложении. У транспортного средства есть металлические ребра (обычно содержащие медь), которые проходят через магнитное поле, замедляя транспортное средство почти так же, как с маятником, показанным на рисунке \ (\ PageIndex {1} \).
Рисунок \ (\ PageIndex {7} \): ряды редкоземельных магнитов (выступающие горизонтально) используются для магнитного торможения в американских горках.(кредит: Стефан Шеер)
Индукционные варочные панели имеют электромагниты под своей поверхностью. Магнитное поле быстро меняется, создавая вихревые токи в основании горшка, вызывая повышение температуры горшка и его содержимого. Индукционные варочные панели обладают высокой эффективностью и хорошим временем отклика, но для работы индукционной плиты в основании кастрюли должны быть проводники, такие как железо или сталь.
Сэмюэл Дж. Линг (Государственный университет Трумэна), Джефф Санни (Университет Лойола Мэримаунт) и Билл Мобс со многими авторами.Эта работа лицензирована OpenStax University Physics в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution License (4.0).
United Scientific Eddy Current Demonstrator, EDYCR1: Научная лаборатория Расходные материалы для кабинетов физики: Amazon.com: Industrial & Scientific
Цена: 21 $.10 21,10 $ + $ 19,24 перевозки
19 долларов.24 Депозит на доставку и импорт в Российскую Федерацию Реквизиты Убедитесь, что он подходит, введя номер своей модели.
Простое, но эффективное устройство для демонстрации закона Ленца с использованием вихревых токов, индуцируемых падающим магнитом в стенке медной трубки
Оно состоит из медной трубки длиной 12 дюймов и двух идентичных металлических стержней с резиновыми заглушками
Один Заглушка изготовлена из простой стали и быстро падает через медную трубку
Другая пробка представляет собой сильный неодимовый магнит, который очень медленно падает через трубку из-за тормозящего эффекта вихревых токов.
В комплект входят торцевые заглушки для хранения пробок в трубке. и руководство по деятельности
]]>
Технические характеристики этого элемента
Фирменное наименование United Scientific
Ean 0885634230760
Номер модели EDYCR1
Количество позиций 1 Номер детали EDYCR1
Код UNSPSC 60100000
UPC 885634230760
Динамическая коррекция артефактов из-за эффектов восприимчивости и изменяющихся во времени вихревых токов в диффузионно-тензорной визуализации
Нейроизображение.Авторская рукопись; доступно в PMC 2012 15 августа.
Опубликован в окончательно отредактированной форме как:
PMCID: PMC3138839
NIHMSID: NIHMS305424
Центр визуализации и анализа мозга, Университет Дьюка, Дарем, Северная Каролина, США
Авторы для корреспонденции: Кха Чыонг, доктор философии Центр визуализации и анализа мозга Медицинский центр Университета Дьюка 2424 Erwin Road, Suite 501 Durham, NC 27705, США Телефон: (919) 684-1216 Факс: (919) 681-7033 [email protected] Chen, Ph.D. Центр визуализации и анализа мозга Медицинский центр Университета Дьюка 2424 Erwin Road, Suite 501 Durham, NC 27705, США Телефон: (919) 613-6207 Факс: (919) 681-7033 [email protected] Окончательная отредактированная версия издателя Эта статья доступна на Neuroimage См. другие статьи в PMC, в которых цитируется опубликованная статья.
Abstract
В диффузионно-тензорной визуализации (DTI) пространственные и временные вариации статического магнитного поля ( B ₀), вызванные эффектами восприимчивости и изменяющимися во времени вихревыми токами, приводят к серьезным искажениям, размытости и артефактам несовместимости, что, в свою очередь, приводит к ошибкам в показателях DTI и волоконной трактографии.Были предложены различные методы коррекции, но обычно предполагается, что индуцированное вихревыми токами магнитное поле может быть смоделировано как постоянное или единичное экспоненциальное затухание в окне считывания DTI. Здесь мы показываем, что его временная зависимость более сложна из-за взаимодействия нескольких вихревых токов с разными постоянными времени, но что она остается очень постоянной во времени. Таким образом, мы предлагаем новый метод динамического картирования и коррекции вне резонанса B ₀, который измеряет точную пространственную, временную и диффузионно-взвешенную зависимость магнитных полей от восприимчивости и индуцированных вихревыми токами магнитных полей для эффективного и действенного измерения. корректировать артефакты, вызванные как эффектами восприимчивости, так и изменяющимися во времени вихревыми токами, что приводит к высокой пространственной точности и точности.
Ключевые слова: динамический, коррекция артефактов, восприимчивость, вихревые токи, диффузионная тензорная визуализация, отображение магнитного поля
1. Введение
Диффузионная тензорная визуализация (DTI) (Basser et al., 1994) стала ценным методом нейровизуализации. для неинвазивной оценки связности и целостности белого вещества как в фундаментальных нейробиологических исследованиях (Mori and Zhang, 2006), так и в клинических приложениях, таких как исследование инсульта, рассеянного склероза, эпилепсии и нейродегенеративных заболеваний (Ciccarelli et al., 2008). Однако обычно это выполняется с помощью быстрых последовательностей визуализации, таких как эхо-планарная визуализация (EPI), которые уязвимы к пространственным и временным изменениям статического магнитного поля ( B ₀) из-за различий в восприимчивости в воздухе / границы раздела тканей, B ₀ ^susc ( x ), и вихревые токи, вызванные сильными диффузионно-взвешивающими (DW) градиентами, B ₀ ^вихрь ( x , t , д ).Эти нерезонансные эффекты меняются в зависимости от пространства ( x ), времени ( t ) и / или направления DW ( d ), что приводит к серьезным геометрическим искажениям, размытию изображения и несовпадению между различными изображениями, взвешенными по диффузии, соответственно. Все эти артефакты, в свою очередь, приводят к ошибкам при выводе тензора диффузии и, следовательно, в показателях DTI, таких как карты средней диффузии или фракционной анизотропии (FA), а также в трактографии волокна.
Для решения этих проблем был разработан ряд методов коррекции, включая получение карт B ₀ с теми же градиентами DW, что и сканирование DTI (Chen et al., 2006; Truong et al., 2008), получение двух наборов данных DTI с обратными направлениями DW (Bodammer et al., 2004) или обращенными направлениями фазового кодирования (Embleton et al., 2010; Gallichan et al., 2010) и совместная регистрация изображений DTI с помощью различных алгоритмов постобработки (Rohde et al., 2004; Ardekani and Sinha, 2005; Zhuang et al., 2006). Однако методы обратного градиента обычно требуют вдвое большего времени сканирования, что особенно непрактично в педиатрической практике или популяциях пациентов, тогда как методы постобработки требуют совместной регистрации изображений с сильно изменяющейся контрастностью.Кроме того, все эти методы предполагают, что B ₀ ^eddy остается постоянным в пределах окна считывания DTI и, следовательно, не может корректировать артефакты (например, размытие), вызванные изменяющимися во времени вихревыми токами. К таким методам относятся алгоритмы аффинной регистрации, доступные в основных пакетах постобработки, таких как FSL (http://www.fmrib.ox.ac.uk/fsl) или AIR (http://bishopw.loni.ucla.edu/AIR5 ), которые используются большинством конечных пользователей DTI для коррекции вихревых токов.
На самом деле, B ₀ ^eddy изменяется во времени и обычно моделируется как сумма экспоненциальных затуханий с разными постоянными времени, в диапазоне от нескольких микросекунд до сотен секунд (Bernstein et al., 2004). Метод дважды перефокусированного спин-эха (Reese et al., 2003) также предполагает, что он может характеризоваться одним экспоненциальным затуханием, что, как известно, не так (Frank et al., 2010). По существу, этот метод может компенсировать только преобладающие вихревые токи, причем за счет более длительного времени эхо-сигнала (TE) и, следовательно, более низкого отношения сигнал / шум (SNR), что особенно нежелательно в DTI. Была предложена модифицированная версия, которая может компенсировать вихревые токи с двумя разными постоянными времени (Finsterbusch, 2010), но требует еще более длинного TE.Наконец, один метод обратного градиента (Shen et al., 2004) может быть в состоянии исправить искажения более высокого порядка, вызванные изменяющейся во времени составляющей B ₀ ^вихря, но только при условии, что они небольшие. по сравнению с линейными искажениями, вызванными статической составляющей B ₀ ^eddy, что не обязательно верно, как будет показано в разделе результатов.
В этом исследовании мы показываем, что B ₀ ^eddy существенно изменяется в пределах окна считывания DTI и не может быть точно смоделировано как постоянное или одно экспоненциальное затухание.Таким образом, мы предлагаем новый метод динамического отображения B ₀ и коррекции вне резонанса, который измеряет точную пространственную, временную и DW зависимость от направления B ₀ ^susc и B ₀ ^{вихревых} для эффективной и действенной коррекции артефактов, вызванных как эффектами восприимчивости, так и изменяющимися во времени вихревыми токами.
2. Методы
2.1 Динамический
B ₀ ^{Отображение вихря}
Первый шаг состоит в получении серии динамических карт B ₀ ^eddy для диапазона временных точек, охватывающих DTI окно считывания и для каждого направления DW.Для этого получают серию диффузионно-взвешенных асимметричных спин-эхо-изображений с помощью последовательности импульсов спин-эхо из множества эхо в разные моменты времени τ _m = τ ₁,…, τ _M, охватывающий продолжительность считывания T _acq сканирования DTI (). Полученные в результате фазовые изображения затем разворачиваются по временному измерению и для каждой временной точки τ _m и направления DW d , оснащаются:
ϕ ( x , t , d ) = ϕ ₀ ( x , τ _м, d ) + γ B ₀ ^eddy ( x , τ _м, d ) т
[1]
где ϕ ₀ — постоянная, γ — гиромагнитное отношение, а t — 5-точечное движущееся окно {τ _{м −4}, τ _{м −2}, τ _м, τ _{m +2}, τ _{m +4}}, чтобы получить временной ряд B ₀ ^{карт eddy}.Развертка по фазе и подгонка выполняются отдельно для нечетных и четных эхо-сигналов, которые получены с градиентами считывания противоположной полярности, чтобы избежать ошибок из-за нерезонансных эффектов (как показано на рисунке разными цветами). Хотя динамические карты B ₀ ^вихрей также могут быть сгенерированы из последовательных пар фазовых изображений, мы обнаружили, что 5-точечное движущееся окно обеспечивает более высокий SNR без значительных потерь во временном разрешении, потому что B ₀ ^eddy относительно медленно изменяется в зависимости от разноса эхо-сигналов.
DTI (A) и динамический B ₀ ^{Отображение вихревых} (B) диаграммы последовательности импульсов (RF: радиочастотное возбуждение; G _z, G _y, G _x: выбор среза, фаза -кодирование и считывание градиентов; acq: сбор данных). Для ясности, как на (A), так и на (B) показано только ограниченное количество эхосигналов. В действительности ширина движущегося окна намного меньше по сравнению с продолжительностью считывания DTI T _acq. Нечетные и четные эхо-сигналы показаны разными цветами в (B).
Поскольку вихревые токи зависят от градиентов DW, но не от объекта, на котором изображено изображение, это динамическое отображение B ₀ ^eddy выполняется с теми же градиентами DW, что и сканирование DTI, но только один раз на фантоме. Полученные в результате карты B ₀ ^eddy затем можно многократно использовать для коррекции артефактов, вызванных изменяющимися во времени вихревыми токами во всех предыдущих и последующих сканированиях DTI, полученных с помощью того же протокола, без необходимости дополнительного времени сканирования.Кроме того, поскольку B ₀ ^eddy медленно изменяется в пространстве, отображение B ₀ ^eddy может выполняться с более низким пространственным разрешением, чем у DTI-сканирования, которое можно обменять на более высокое SNR и более высокое временное разрешение (из-за уменьшенного разноса эхо-сигналов) для точного измерения временной зависимости B ₀ ^eddy в пределах T _acq ().
Чтобы удалить любые общие B ₀ неоднородности, не вызванные вихревыми токами, например, из-за несовершенного шиммирования, недиффузионно-взвешенные B ₀ карты фантома также снимаются и вычитаются из взвешенные по диффузии карты B ₀ для всех временных точек и направлений DW.Для улучшения отношения сигнал / шум полученные карты B ₀ ^eddy затем подгоняются полиномиальной функцией третьего порядка в пространстве внутри фантома, что ранее было показано как адекватная модель (Truong et al., 2008) , и экстраполированы за пределы фантома. Однако, в отличие от существующих методов коррекции вихревых токов, предлагаемый метод не делает никаких предположений относительно временной зависимости B ₀ ^eddy, так что он может эффективно корректировать артефакты, вызванные любыми изменяющимися во времени вихревыми токами. .
2.2 Статический
B ₀ ^{Отображение susc}
Второй шаг состоит в получении статической карты B ₀ ^susc с использованием той же последовательности импульсов и метода постобработки, что и для динамического B ₀ ^{отображение вихрей}, но путем одновременной подгонки всех нечетных или четных эхо-сигналов с помощью:
ϕ ( x , t ) = ϕ ₀ ( x ) + γ B ₀ ^susc ( x ) t
[2]
(вместо использования движущегося окна) и путем усреднения двух результирующих карт B ₀ ^susc.В отличие от вихревых токов, поскольку эффекты восприимчивости зависят от объекта съемки, но не от градиентов DW, это отображение B ₀ ^susc выполняется in vivo , но без диффузионного взвешивания. Кроме того, поскольку B ₀ ^susc может быстро меняться в пространстве, но не меняется во времени, отображение B ₀ ^susc выполняется с тем же пространственным разрешением, что и DTI-сканирование. , но с меньшим количеством эхо-сигналов, чем при динамическом отображении B ₀ ^eddy.
2.3 Динамическая коррекция вне резонанса
Третий шаг состоит в использовании статической карты B ₀ ^susc и динамической карты B ₀ ^eddy для коррекции искажений и размытия артефактов в DTI. изображения, вызванные как эффектами восприимчивости, так и изменяющимися во времени вихревыми токами (). В частности, для каждой временной точки t _n = t ₁,…, t _N , соответствующий получению строки k _y в k-пространстве (где y обозначает направление фазового кодирования), и для каждого направления DW d нескорректированное изображение DTI умножается на exp [-iϕ ( x , t _n , d )], где
ϕ (x, tn, d) = γ∫TEtn [B0susc (x) + B0eddy (x, t, d)] dt.
[3]
Каждое из этих изображений N преобразовано Фурье в k-пространство, и строка n ^th k _y (полученная в момент времени t _n ) извлекается из n ^th k-пространство для формирования нового k-пространства, которое подвергается обратному преобразованию Фурье для получения исправленного изображения. Если используется частичное отображение Фурье, частичное восстановление Фурье выполняется на последнем этапе.
Принципиальная схема метода динамической коррекции вне резонанса (FT: преобразование Фурье, PF: частичное восстановление Фурье (необязательно), FT ^-1: обратное преобразование Фурье).
Обратите внимание, что полученные карты B ₀ ^susc и B ₀ ^eddy карты требуют дальнейшей обработки, прежде чем их можно будет использовать в уравнении. [3]. Сначала карты B ₀ ^вихрей интерполируются в пространстве и субдискретизируются во времени (от {τ _m = τ ₁,…, τ _M} до { t _n = t ₁,…, t _N }) для согласования пространственного разрешения и разноса эхо-сигналов сканирования DTI.Во-вторых, карты B ₀ ^susc и B ₀ ^eddy, которые изначально находятся в неискаженных координатах, необходимо преобразовать в искаженные координаты, чтобы они были сопоставлены с неисправленными изображениями DTI. На практике мы сочли достаточным выполнить это преобразование только на карте B ₀ ^susc, потому что карты B ₀ ^eddy медленно меняются в пространстве, так что разница незначительна.С этой целью каждое неискаженное асимметричное спин-эхо-изображение, полученное для отображения B ₀ ^susc, искажается с использованием той же процедуры, что и выше, за исключением того, что уравнение. [3] заменяется на
ϕ ( x , t _n) = −γ B ₀ ^susc ( x ) ( t _n000 — TE2)
9 ]
где B ₀ ^susc ( x ) — неискаженная карта B ₀ ^susc.Полученные искаженные асимметричные спин-эхо-изображения затем используются для создания искаженной карты B ₀ ^susc, как описано в разделе 2.2.
2.4 Эксперименты
Мы изучили трех здоровых добровольцев, предоставивших письменное информированное согласие, одобренное нашим институциональным наблюдательным советом, на МРТ-сканере 3 T Excite (GE Healthcare, Милуоки, Висконсин), оборудованном восьмиканальной головкой с фазированной решеткой. катушка и градиентная система с максимальной амплитудой 40 мТл / м и скоростью нарастания 150 Т / м / с.Шиммирование высокого порядка применялось для минимизации глобальной неоднородности B ₀. Осевые DTI-изображения головного мозга получали с помощью однократной импульсной последовательности спин-эхо EPI и следующих параметров: время повторения (TR) = 5 с, TE = 73 мс (минимум), поле зрения = 24 × 24. см, размер матрицы = 96 × 96 (интерполированный до 128 × 128 путем заполнения нулями), толщина среза = 2,5 мм, количество срезов = 20, направление частотного кодирования = право / лево, частичное кодирование Фурье = 5/8, интервал эхо = 944 мкс и T _acq = 56 мс.
Статический B ₀ ^{Отображение susc} было выполнено с TR = 2 с, TE = 32 мс и количеством эхо-сигналов = 24, тогда как динамическое отображение B ₀ ^eddy было выполнено с TR = 2,5 с, TE = 55 мс, размер матрицы = 48 × 48, толщина среза = 5 мм, количество срезов = 10, количество эхо-сигналов = 96 и интервал эхо-сигналов = 624 мкс на сферическом гелевом фантоме диаметром 20 см. Для сканирования DTI и отображения B ₀ ^вихрей были применены градиенты DW со следующими параметрами: амплитуда = 39.4 мТл / м, длительность (δ) = 22 мс, разделение (Δ) = 26,7 мс, b -фактор = 1000 с / мм ² и 15 направлений DW. Чтобы оценить временную стабильность вихревых токов, отображение B ₀ ^eddy было повторено четыре раза в течение шести месяцев. Для анатомической справки были также получены изображения головного мозга с высоким разрешением T ₂ с быстрой импульсной последовательностью спин-эхо и TR = 3 с, TE = 86 мс, размер матрицы = 256 × 256 и срез толщина = 2.5 мм.
Для сравнения с предложенной динамической коррекцией вне резонанса была также выполнена статическая коррекция вне резонанса с использованием той же карты B ₀ ^susc ( x ), но с усреднением по времени B ₀ ^eddy ( x , d ) вместо динамических B ₀ ^eddy ( x , t, d ) карт. Для каждого из трех наборов данных DTI, полученных без коррекции, статической коррекции и динамической коррекции, карты FA были вычислены и закодированы цветом в соответствии с направлением первого собственного вектора.Кроме того, карты общей ошибки FA были рассчитаны как (FA _{нескорректированный} — FA _{динамический}) / FA _{динамический}, а карты остаточной ошибки FA после статической коррекции были рассчитаны как (FA _{статический} — FA _{динамический}) / FA _{динамический}, где FA _{нескорректированный}, FA _{статический} и FA _{динамический} — это значения FA без коррекции, статической коррекции и динамической коррекции, соответственно. Вся реконструкция и анализ изображений выполнялись в Matlab (The MathWorks, Натик, Массачусетс).
3. Результаты и обсуждение
Представитель B ₀ ^eddy отображает карты в разные моменты времени в пределах окна считывания DTI (), а также динамические B ₀ ^eddy временные курсы в заданном вокселе () для разных направлений DW показывают, что B ₀ ^eddy существенно меняется в зависимости от пространства, времени и направления DW. В частности, эти результаты демонстрируют, что B ₀ ^eddy нельзя просто смоделировать как константу в пределах окна считывания DTI, как предполагается в подавляющем большинстве существующих методов коррекции вихревых токов.Кроме того, переход через нуль ясно показывает, что его нельзя точно охарактеризовать одним экспоненциальным затуханием, как предполагается в методе дважды перефокусированного спинового эха, из-за взаимодействия нескольких вихревых токов с разными амплитудами и постоянными времени. Диапазон изменения вихря B ₀ в окне считывания DTI на 2–3 порядка превышает его временное среднее значение для всех направлений DW.
(A) Представитель B ₀ ^eddy отображает карты в разные моменты времени в пределах окна считывания DTI для 4 из 15 направлений DW.(B) Динамический B ₀ ^{вихревой} временные курсы в вокселе, отмеченном как + в (A) для всех направлений DW (среднее ± стандартная ошибка среднего для четырех повторных измерений, выполненных в течение шести месяцев).
Типичное нескорректированное диффузионно-взвешенное изображение показывает серьезные искажения и размытые артефакты, вызванные эффектами восприимчивости и изменяющимися во времени вихревыми токами, особенно возле передних рогов боковых желудочков и в лобных долях (, стрелки).Эти артефакты только частично уменьшаются с помощью статической коррекции вне резонанса (), тогда как они полностью устраняются с помощью предлагаемой динамической коррекции вне резонанса ().
Репрезентативные взвешенные по диффузии изображения без коррекции (A), статической коррекции (B) и динамической коррекции (C). Контурные линии, полученные из неискаженного изображения быстрого спин-эха, накладываются на одно полушарие. Стрелки показывают серьезные искажения и артефакты размытия, вызванные эффектами восприимчивости и изменяющимися во времени вихревыми токами.
Аналогичным образом, нескорректированные карты FA в трех репрезентативных срезах показывают серьезные искажения, вызванные восприимчивостью, особенно вблизи колена мозолистого тела (пунктирные линии), а также ошибки FA, вызванные вихревыми токами, наиболее заметно на переднем и заднем краях. мозга (стрелки). Статическая коррекция вне резонанса может корректировать только искажения, вызванные восприимчивостью, а также ошибки FA, вызванные вихревыми токами, на заднем крае мозга, но не на переднем крае (, стрелки).Напротив, предлагаемая динамическая коррекция вне резонанса может эффективно корректировать все артефакты ().
Цветные карты FA в трех репрезентативных срезах без коррекции (A), статической коррекции (B) и динамической коррекции (C) (красный: справа – слева, зеленый: передний – задний, синий: верхний – нижний). Пунктирными линиями и стрелками выделены области с серьезными искажениями, вызванными восприимчивостью, и ошибками FA, вызванными вихревыми токами, соответственно. Средний срез такой же, как показан на.
Хотя артефакты, вызванные восприимчивостью и вихревыми токами, первоначально могут казаться достаточно локализованными, репрезентативная карта общей ошибки FA показывает, что они действительно распространены по всему мозгу (), с (75,9 ± 1,4)% вокселов в мозг, имеющий абсолютную ошибку FA более 10% (, сплошная линия). Точно так же карта остаточной ошибки FA показывает, что даже после статической коррекции вне резонанса, артефакты, вызванные остаточными вихревыми токами, все еще широко распространены (), с (26.2 ± 1.9)% вокселов головного мозга с абсолютной ошибкой FA более 10% (пунктирная линия).
Карты общей ошибки FA (A) и остаточной ошибки FA после статической коррекции вне резонанса (B) в том же срезе, что и средний срез. (C) Процент вокселов в головном мозге с абсолютной ошибкой FA, превышающей заданное значение (среднее значение ± стандартная ошибка среднего для разных субъектов).
Динамическое B ₀ ^{Отображение вихря}, повторенное четыре раза в течение шести месяцев, дало практически идентичные карты B ₀ ^eddy (, столбцы ошибок), тогда как динамическая коррекция нерезонанса того же Данные DTI с этими четырьмя наборами карт B ₀ ^eddy привели к практически идентичным картам FA (например.г., FA = 0,744 ± 0,004 в колене мозолистого тела). Эти результаты демонстрируют, что вихревые токи, индуцированные градиентами DW, остаются очень стабильными даже в течение длительного периода времени, так что отображение B ₀ ^eddy может выполняться очень редко (т. Е. Не более одного или двух раз). год).
Кроме того, хотя в этом исследовании карты B ₀ ^вихрей были получены с теми же градиентами DW, что и сканирование DTI, в принципе возможно использовать линейные комбинации этих B ₀ ^{вихрей. Карты} для коррекции данных DTI, полученных с другими амплитудами и направлениями градиента DW, при условии, что вихревые токи, вызванные градиентами, приложенными вдоль осей x, y и z , могут быть смоделированы как линейная система (Zhuang и другие., 2006), что может быть проверено в будущих исследованиях.
Поскольку в центре внимания данного исследования была коррекция артефактов, вызванных изменяющимися во времени вихревыми токами, статическое отображение B ₀ ^susc было выполнено с той же последовательностью спин-эхо мультиэха, что и динамическое B ₀ ^{отображение eddy} (но без диффузионного взвешивания) для удобства. Однако более эффективные методы отображения B ₀ ^susc, такие как получение двух асимметричных спин-эхо-изображений EPI в разных TE, также могут использоваться для дальнейшего сокращения времени сканирования.
В отличие от существующих методов коррекции вихревых токов, предлагаемый метод может эффективно корректировать артефакты, вызванные любыми изменяющимися во времени вихревыми токами. Кроме того, он не требует какого-либо дополнительного времени сканирования по сравнению со статическими методами отображения B ₀, намного более эффективен, чем методы обратного градиента, и не страдает от потери SNR в методах дважды перефокусированного спинового эха. В этом исследовании мы использовали однократную импульсную последовательность EPI, поскольку она наиболее часто используется для DTI.Однако предлагаемый метод также совместим с получением нескольких снимков, другими последовательностями визуализации (например, спиральной или радиальной визуализацией), а также с методами параллельной визуализации.
Этот метод будет полезен при продольных исследованиях одних и тех же субъектов, поскольку разные положения головы относительно поля B ₀ или осей градиента приведут к разным артефактам, вызванным восприимчивостью и вихревыми токами, что приведет к разным Метрики DTI, если их не исправить.Это также будет особенно полезно в многоцентровых исследованиях, в которых могут использоваться разные модели сканеров и / или производители с потенциально очень разными вихревыми токами, даже если параметры сканирования одинаковы. Наконец, это принесет пользу как фундаментальным исследованиям в области нейробиологии, так и клиническим приложениям, таким как предоперационное планирование, для которого особенно важна высокая пространственная точность.
4. Выводы
Результаты этого исследования демонстрируют, что B ₀ ^eddy остается очень стабильным во времени, но существенно изменяется в пределах окна считывания DTI и не может быть точно смоделировано как постоянное или одно экспоненциальное затухание. , как предполагается почти во всех существующих методах коррекции вихревых токов.Предлагаемый метод динамического отображения B ₀ и коррекции вне резонанса может измерять точную пространственную, временную и зависимость DW от направления B ₀ ^susc и B ₀ ^eddy для эффективного и эффективно корректировать серьезные искажения, размытость и артефакты рассовмещения, вызванные эффектами восприимчивости и изменяющимися во времени вихревыми токами, тем самым приводя к высокой пространственной точности и точности результирующих показателей DTI.
4. Основные моменты
Эффекты восприимчивости и изменяющиеся во времени вихревые токи вызывают серьезные артефакты в DTI
Магнитные поля, индуцированные вихревыми токами, существенно различаются в пределах окна считывания
Они не могут быть смоделированы как постоянные или постоянные. моноэкспоненциальный спад, как обычно предполагается
Для решения этих проблем предлагается новый метод динамической коррекции вне резонанса
Этот метод может эффективно и действенно исправлять оба типа артефактов
Благодарности
Мы благодарим Сьюзан Музыка для ее помощи в МРТ.Эта работа была частично поддержана грантами NS41328, NS65344, EB09483 и EB12586 от Национальных институтов здравоохранения.
Сноски
Заявление издателя: Это PDF-файл неотредактированной рукописи, принятой к публикации. В качестве услуги для наших клиентов мы предоставляем эту раннюю версию рукописи. Рукопись будет подвергнута копированию, верстке и рассмотрению полученного доказательства, прежде чем она будет опубликована в окончательной форме для цитирования.Обратите внимание, что во время производственного процесса могут быть обнаружены ошибки, которые могут повлиять на содержание, и все юридические оговорки, относящиеся к журналу, имеют отношение.
Ссылки
Ардекани С., Синха У. Коррекция геометрических искажений изображений головного мозга с высоким разрешением 3 T диффузионного тензора. Magn. Резон. Med. 2005; 54: 1163–1171. [PubMed] [Google Scholar]
Basser PJ, Mattiello J, LeBihan D. MR диффузионная тензорная спектроскопия и визуализация. Биофиз. J. 1994; 66: 259–267.[Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
Бернштейн MA, King KF, Zhou XJ. Справочник по импульсным последовательностям МРТ. Elsevier Academic Press; Burlington, MA: 2004. [Google Scholar]
Bodammer N, Kaufmann J, Kanowski M, Tempelmann C. Коррекция вихревых токов в диффузионно-взвешенной визуализации с использованием пар изображений, полученных с противоположной полярностью диффузионного градиента. Magn. Резон. Med. 2004. 51: 188–193. [PubMed] [Google Scholar]
Чен Б., Го Х, Сонг А. В.. Корректировка зависимых от направления искажений при построении изображений тензора диффузии с использованием согласованных карт магнитного поля.NeuroImage. 2006. 30: 121–129. [PubMed] [Google Scholar]
Ciccarelli O, Catani M, Johansen-Berg H, Clark C, Thompson A. Трактография на основе диффузии при неврологических расстройствах: концепции, приложения и будущие разработки. Lancet Neurol. 2008; 7: 715–727. [PubMed] [Google Scholar]
Эмблтон К.В., Харун Х.А., Моррис Д.М., Лэмбон Ральф М.А., Паркер GJM. Коррекция искажений для диффузионно-взвешенной МРТ-трактографии и фМРТ в височных долях. Карта человеческого мозга. 2010. 31: 1570–1587. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
Finsterbusch J.Взвешивание двойного спинового эха с модифицированной регулировкой вихревых токов. Magn. Резон. Визуализация. 2010. 28: 434–440. [PubMed] [Google Scholar]
Франк Л.Р., Юнг Й., Инати С., Тышка Дж. М., Вонг Э. Высокоэффективная трехмерная диффузионно-тензорная визуализация с низким уровнем искажений с помощью спиральных быстрых спиновых эхо переменной плотности (3D DW VDS RARE) NeuroImage. 2010; 49: 1510–1523. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
Gallichan D, Andersson JLR, Jenkinson M, Robson MD, Miller KL. Уменьшение искажений при визуализации плоскостного эхосигнала, взвешенного по диффузии, с помощью обратной последовательности двойного эхо-сигнала.Magn. Резон. Med. 2010. 64: 382–390. [PubMed] [Google Scholar]
Мори С., Чжан Дж. Принципы построения тензорных изображений диффузии и их применения в фундаментальных исследованиях нейробиологии. Нейрон. 2006; 51: 527–539. [PubMed] [Google Scholar]
Риз Т.Г., Хейд О., Вайскофф Р.М., Ведин В.Дж. Уменьшение искажений, вызванных вихревыми токами, в диффузионной МРТ с использованием дважды перефокусированного спинового эха. Magn. Резон. Med. 2003. 49: 177–182. [PubMed] [Google Scholar]
Роде Г.К., Барнетт А.С., Бассер П.Дж., Маренко С., Пьерпаоли К.Комплексный подход к коррекции движения и искажения в диффузионно-взвешенной МРТ. Magn. Резон. Med. 2004. 51: 103–114. [PubMed] [Google Scholar]
Шен Й, Ларкман Д. Д., Консул С., Пу И. М., Эдвардс Д., Хайнал СП. Коррекция геометрических искажений, вызванных вихревыми токами высокого порядка, на диффузионно-взвешенных эхопланарных изображениях. Magn. Резон. Med. 2004. 52: 1184–1189. [PubMed] [Google Scholar]
Truong T-K, Chen B, Song AW. Встроенный SENSE DTI с коррекцией геометрических искажений, вызванных восприимчивостью и вихревыми токами.NeuroImage. 2008. 40: 53–58. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
Zhuang J, Hrabe J, Kangarlu A, Xu D, Bansal R, Branch CA, Peterson BS. Коррекция вихретоковых искажений на изображениях диффузионного тензора с использованием известных направлений и силы градиентов диффузии. J. Magn. Резон. Визуализация. 2006; 24: 1188–1193. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
Что такое вихретоковый ток?

Спросил: Ниламбари Джоши
Ответ
Вихревой ток — это ток, который индуцируется небольшими завихрениями («водоворотами») на большом проводнике (изобразите лист меди).Если большая проводящая металлическая пластина перемещается через магнитное поле, которое пересекает перпендикулярно листу, магнитное поле будет индуцировать небольшие «кольца» тока, которые фактически создадут внутренние магнитные поля, противодействующие изменению. Вот почему большой лист металла, прошедший через сильное магнитное поле, остановится, когда начнет двигаться через это поле. Вся его кинетическая энергия вызовет значительное изменение магнитного поля при входе в него, что вызовет кольца тока, которые будут противодействовать окружающему магнитному полю и замедлить объект.По сути, кинетическая энергия будет направлять небольшие токи внутри металла, которые будут отдавать эту энергию в виде тепла, когда они проталкиваются через металл. Если это не удовлетворительный ответ, рассмотрите простую проволочную петлю, перемещаемую через магнитное поле. Если вы узнали что-нибудь о двигателях и / или генераторах, вы, вероятно, узнали, что в этом контуре аналогичным образом будет индуцироваться ток. Точно так же проволочная петля, помещенная в магнитное поле, будет индуцировать ток, который затруднит дальнейшее толкание.Точно так же он будет сопротивляться вытаскиванию. Вихревой ток делает то же самое, но вместо того, чтобы быть вынужденным на пути петли, ему разрешается перемещаться по «вихревой» схеме, которую обеспечивает природа. Чтобы избавиться от вихревых токов, в металле можно прорезать прорези, чтобы не было больших завихрений. Вот почему металлические сердечники трансформаторов часто собираются в виде небольших пластин с изолятором между ними. Это предотвращает потерю энергии переменного тока в вихрях, генерируемых внутри магнитного сердечника (который обычно также является проводящим, потому что это металл, подобный железу).Иногда вихревые токи — это хорошо. Упомянутое выше, вихревые токи помогают быстро преобразовывать кинетическую энергию в другие формы энергии. Из-за этого были созданы тормозные системы, использующие это преимущество. Добавление магнитного поля вокруг вращающегося куска металла вызовет вихревые токи в этом металле, чтобы создать магнитные поля, которые будут замедлять быстрое вращение объекта, пока магнитное поле достаточно сильное. Теперь можно сделать еще один шаг вперед и построить схему, которая перетасовывает кинетическую энергию, превращенную в электрическую, обратно в батарею.Это то, что делают многие гибридные автомобили (и «сегвей» Дина Камена не только когда он останавливается, но и когда он едет под гору).
Ответил: Тед Павлич, студент-электротехник
Вихретоковый контроль: руководство
Вихретоковый контроль — это процесс пропускания электронных датчиков по длине различных типов трубок или по поверхностям материалов с целью обнаружения в них дефектов.
Вихревой ток — это ток, который протекает противоположно току, подаваемому зондом в проводящий материал.
Альтернативные условия:
Вихретоковый контроль (ETC)
Электромагнитные испытания (ET)
В этом руководстве мы будем использовать эти термины как синонимы.
Используя вихретоковый контроль, инспекторы могут найти очень мелкие дефекты, которые могут быть не видны невооруженным глазом.
Необработанные данные, собранные с помощью датчиков вихретокового контроля, должны обрабатываться с помощью программного обеспечения, разработанного для этой цели, а затем анализироваться обученными инспекторами, которые знают, как выявлять дефекты в результатах ETC.
Вихретоковый контроль — это один из нескольких методов электромагнитных испытаний, используемых для неразрушающего контроля (NDT), который относится к испытаниям, проводимым с целью проверки, не повреждающей испытываемый материал.
[Вихретоковый контроль — это лишь один из методов неразрушающего контроля (NDT), который используют инспекторы. Дополнительные сведения о неразрушающем контроле см. В в этом подробном руководстве .]
Вот меню, которое поможет вам сориентироваться в этом руководстве:
Что такое вихретоковый контроль?
При вихретоковом испытании инспектор проводит зондом по длине трубки, чтобы выявить крошечные дефекты.
Вот как это работает:
Зонд. Инспектор начинает с датчика — например, одноэлементного датчика ETC, который использует переменный ток. Зонд ETC состоит из куска проводящего провода, свернутого в спираль.
Создание магнитного поля . Когда зонд находится под напряжением, он создает переменное магнитное поле.
Добавьте поле к объекту . Как только поле создано, инспектор представит его объекту, который они хотят проверить, перемещая его через объект.
Создание вихревых токов . Когда магнитное поле воздействует на объект или материал, оно создает токи, противоположные токам в зонде. Эти токи называются вихревыми токами.
Собрать данные . Любые дефекты, присутствующие в материале, вызовут изменение этих вихревых токов, и инспекторы собирают эти данные после введения зонда ETC в трубку.
Оценить данные . После того, как данные собраны, их необходимо проанализировать, чтобы можно было выявить дефекты в объекте.Обратите внимание, что инспектор, который собирает данные, не всегда может быть тем же инспектором, который их анализирует, поскольку эти два вида деятельности требуют разных уровней обучения и сертификации.
История вихретокового контроля
Явление вихревых токов было впервые обнаружено исследователем Франсуа Араго в 1824 году, но именно изобретателю Леону Фуко приписывают его открытие.
Открытие Фуко произошло в 1855 году и было частично основано на исследованиях, проведенных Майклом Фарадеем, открывшим принцип электромагнитной индукции в 1831 году.
Этот принцип описывает взаимосвязь между электрическими токами и магнитными полями. Он явился результатом наблюдения Фарадея, что магнитное поле проходит через проводящий материал таким образом, который со временем изменяется по мере прохождения через него электрического тока.
Клетка Фарадея, изобретенная Майклом Фарадеем для изучения электромагнетизма
Несмотря на эти ранние наблюдения, только в 1879 году ученый Дэвид Хьюз нашел потенциальное применение вихревым токам.Хьюз смог продемонстрировать, что свойства свернутого в спираль проводящего провода меняются, когда он вступает в контакт с различными типами проводящих материалов.
Вихретоковый контроль не получил широкого распространения до Второй мировой войны, когда профессор Фридрих Фёрстер из Германии начал исследовать его промышленные применения.
После войны Фёрстер основал компанию под названием Foerster Group, которая производила приборы для вихретокового контроля, развивая технологию и расширяя возможности ее использования.
Сегодня ETC — один из наиболее распространенных методов неразрушающего контроля, используемых инспекторами, с хорошо зарекомендовавшим себя предоставлением надежных данных.
Сценарии использования, типы недостатков и отрасли
Вихретоковый контроль обычно используется для проверки поверхностей и труб. Это невероятно чувствительный метод тестирования, позволяющий выявить даже очень небольшие дефекты или трещины на поверхности или непосредственно под ней.
На поверхностях ETC может выполняться как с ферромагнитными, так и с неферромагнитными материалами.
В трубках ETC можно в первую очередь выполнять только с неферромагнитными трубками.
Вот типы дефектов, для обнаружения которых обычно используется вихретоковый контроль:
Трещины
Коррозия
Износ (в трубках, часто из-за эрозии)
Повреждения, связанные с замораживанием (в тубах)
Отсутствие плавления
Питтинг
Потеря стенки / потеря толщины
Типы материалов, обычно используемых для контроля вихретоковым методом, включают:
Диаметр отверстий .Отверстия под болты, отверстия для используемых труб.
Сварные швы . Сварные соединения, сопловые швы, швы трением с перемешиванием
Трубки . Трубы парогенератора, металлические трубы.
Вот отрасли, в которых инспекторы чаще всего используют ETC:
Аэрокосмическая промышленность
Атомная промышленность / производство электроэнергии
Производство
Нефть и газ
Нефтехимия
Транспорт
Плюсы и минусы вихретокового тестирования
ETC позволяет инспекторам легко и с высокой степенью точности находить дефекты на поверхности и подповерхностном уровне объекта — но это лишь одна из причин, по которой инспекторы обычно используют его для поиска дефектов в материале.
Вот список плюсов и минусов ETC:
Плюсы
Он невероятно универсален с точки зрения точности и портативности / простоты использования).
Это высоконадежные результаты, обеспечивающие высокое качество данных.
Он очень чувствителен, что позволяет инспекторам выявлять дефекты размером до 0,5 мм.
Эффективен на поверхностях, покрытых краской или каким-либо другим покрытием.
Может использоваться на высокотемпературных и подводных поверхностях.
Предоставляет немедленные данные.
Подготовка требует относительно короткого времени (т. Е. Не требуется много предварительной очистки или связующего вещества).
Его можно автоматизировать для проверки однородных деталей, таких как трубы котла или колеса.
Минусы
Работает только с током.
Ток
ECT всегда проходит параллельно поверхности материала, поэтому дефект, не имеющий прямого контакта с током, невозможно обнаружить, а это означает, что некоторые дефекты могут остаться незамеченными.
Не идеален для осмотра больших площадей.
Эффективность на разной глубине может отличаться.
Он может быть подвержен изменениям магнитной проницаемости, что может затруднить его использование для проверки частей из ферромагнитных материалов. Он также не проводит ток по отношению к ферромагнитным материалам, так как оборудование ECT подвержено изменениям проницаемости сварных швов.
Правильная интерпретация сигналов может быть затруднена, поскольку может потребоваться отсеивание нерелевантных точек данных.
Процедура испытания на вихревые токи
Существует несколько различных методов проведения вихретокового теста.
Вот некоторые из наиболее распространенных:
Вихретоковый массив
Вихретоковый тест с использованием массива электрически заряженных катушек для создания профиля чувствительности, предназначенного для выявления дефектов в материале.
В этом виде испытаний инспекторы должны быть осторожны, чтобы избежать взаимной индуктивности между отдельными катушками.
Тестирование теплообменника
Испытание теплообменников — одно из самых популярных применений вихревых токов.
В этом типе испытаний инспекторы используют вихревые токи для обнаружения дефектов в металлических трубках, обеспечивая немедленные данные после одного прохода с зондом.
Трубки теплообменника
Lorentz Force ETC
Вихретоковый контроль с использованием силы Лоренца — это новый метод неразрушающего контроля, в котором используются несколько магнитов постоянного тока, чтобы попытаться преодолеть скин-эффект (то есть отмена тока потока в центре проводника с соответствующим усилением в коже).
В дополнение к использованию нескольких магнитов, вихретоковый тест с силой Лоренца использует относительное движение, чтобы помочь инспекторам проводить быстрые и точные вихретоковые тесты.
Тестирование поверхностного массива
Тестирование поверхностных массивов обычно используется в аэрокосмической промышленности, где оно может помочь измерить проводимость, а также коррозию / толщину стенок с высокой степенью точности.
Этот тип тестирования очень универсален и позволяет обнаруживать дефекты в труднодоступных местах, где другие методы проверки могут не работать.
Оборудование для вихретокового контроля
В вихретоковом контроле есть две категории оборудования — датчики, инструменты и датчики.
Как правило, зонды собирают данные, а инструменты преобразуют эти данные в интерпретируемые результаты.
Вот наш список датчиков ETC:
Ручные зонды

Фотография предоставлена: Zetec
Переносные датчики
используются в различных отраслях промышленности и обычно поставляются со сменными частями наконечника и рукоятки датчика.
Датчики поверхностной решетки
Фото: Zetec
Датчики с поверхностной решеткой используются для тестирования поверхностных решеток и обычно используются для выявления дефектов на неровных поверхностях.
Зонды для трубчатой решетки
Фото: Zetec
Датчики этого типа обычно могут собирать все данные, необходимые инспектору, за один проход через трубку.
Вот наш список инструментов ETC:
Портативный прибор для вихретокового контроля
Фото: Zetec
Переносные приборы для вихретокового контроля дают инспекторам большую универсальность в полевых условиях, предоставляя им портативное устройство для записи данных ETC.
Прибор для вихретокового контроля
Фото: Zetec
Более крупные приборы для вихретокового контроля также помогают инспекторам записывать данные ETC. Эти инструменты могут иметь как поверхностную решетку, так и конфигурацию трубок.
Модульные вихретоковые испытательные установки
Фото: Zetec
Модульный блок ETC, как правило, представляет собой более портативные системы, предназначенные только для приборов. Эти агрегаты предназначены только для использования на электростанциях, где используются для проверки конденсаторов и парогенераторов.