Струми фуко принцип дії. Вихрові струми фуко

Дослідження вихрових струмів було продовжено французьким фізиком Жаном Фуко. Він докладно описав їхню природу та принцип дії, а також спостерігав явище нагріву феромагнетика, що обертається у статичному магнітному полі. Струми нової природи були названі на честь дослідника.

Природа вихрових струмів

Токи Фуко у господарській діяльності людини

Ефект від дії вихрових струмів використовується повсюдно у промисловості та машинобудуванні. Поїзди на магнітній підвісці використовують струми Фуко для гальмування, високоточні прилади мають систему демпфування стрілки, що вказує на основі дії вихрових струмів. У металургії поширені індукційні печі, мають цілий комплекс переваг перед аналогічними установками. В індукційній печі метал, що нагрівається, можна помістити в безповітряний простірдомагаючись його повної дегазації. Індукційна плавка чорних металів також отримала широке розповсюдженняу металургії через високу економічність установок.

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ

РОСІЙСЬКОЇ ФЕДЕРАЦІЇ

ФЕДЕРАЛЬНА ДЕРЖАВНА БЮДЖЕТНА ОСВІТАЛЬНА УСТАНОВА ВИЩОЇ ПРОФЕСІЙНОЇ ОСВІТИ

«КУРГАНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ»

Реферат По предмету «Фізика» Тема: «Токі Фуко та їх застосування»

Виконав: Студент гурту Т-10915 Логунова М.В.

Викладач Воронцов Б.С.

Курган 2016

Вступ 3

1. Струми Фуко 4

2.Вихори та скін-ефект 7

3.Практичне застосування струмів Фуко 8

4. Висновок формул 10

4.1. Сила вихрового струму згідно із законом Ома 10

4.2. Формули для втрат на струми Фуко 10

Висновок 11

Список використаної литературы 12

Вступ

Індукційний струм може виникати у лінійних контурах, тобто у провідниках, поперечні розміри яких зневажливо малі проти їх довжиною. Індукційний струм виникає й у потужних провідниках. У цьому випадку провідник не обов'язково вмикати в замкнутий ланцюг. Замкнутий ланцюг індукційного струму утворюється у товщі самого провідника. Такі індукційні струми називаються вихровимиабо струмамиФуко.

Вихрові струми, або струми Фуко (на честь Ж. Б. Л. Фуко) - вихрові індукційні струми, що виникають у провідниках або внаслідок зміни в часі магнітного поля, в якому знаходиться тіло, або внаслідок руху тіла в магнітному полі, що призводить до зміни магнітного потоку через тіло або якусь його частину.

Величина струмів Фуко тим більше, чим швидше змінюється магнітний потік.

1. Токи Фуко

Вперше вихрові струми були виявлені французьким вченим Д. Ф. Араго (1786-1853) в 1824 р. в мідному диску, розташованому на осі під магнітною стрілкою, що обертається. За рахунок вихрових струмів диск приходив у обертання. Це явище, назване явищем Араго, було пояснено через кілька років. Фарадеєм з позицій відкритого ним закону електромагнітної індукції: магнітне поле, що обертається, наводить в мідному диску вихрові струми, які взаємодіють з магнітною стрілкою. Вихрові струми були детально досліджені французьким фізиком Фуко (1819-1868) та названі його ім'ям. Він відкрив явище нагрівання металевих тіл, що обертаються в магнітному полі, вихровими струмами.

Токи Фуко виникають під впливом змінного електромагнітного поляі по фізичної природинічим не відрізняються від індукційних струмів, що виникають у лінійних дротах.

Але, на відміну електричного струму в проводах, поточного по точно визначених шляхах, вихрові струми замикаються у провідній масі, утворюючи вихроподібні контури. Ці контури струму взаємодіють з магнітним потоком, що їх породив. Електричний опір потужного провідника мало, тому струми Фуко досягають дуже великої сили. Згідно з правилом Ленца, магнітне поле вихрових струмів спрямоване так, щоб протидіяти зміні магнітного потоку, що індукує ці вихрові струми.

Наприклад, якщо мідну пластину відхилити від положення рівноваги і відпустити так, щоб вона увійшла зі швидкістю в простір між смугами магніту, то пластина практично зупиниться в момент її входження в магнітне поле (рис. 1).

Уповільнення руху пов'язане із збудженням у пластині вихрових струмів, що перешкоджають зміні потоку вектора магнітної індукції. Оскільки пластина має кінцевий опір, струми індукції поступово згасають і пластина повільно рухається в магнітному полі. Якщо електромагніт відключити, то мідна пластина здійснюватиме звичайні коливання, характерні для маятника.

Вихрові струми також призводять до нерівномірного розподілу магнітного потоку за перерізом магнітопроводу. Це пояснюється тим, що в центрі перерізу магнітопроводу сила вихрових струмів, що намагнічує, спрямована назустріч основному потоку, є найбільшою, так як ця частина перерізу охоплюється найбільшим числом контурів вихрових струмів. Таке «витіснення» потоку з середини перерізу магнітопроводу виражено тим різкіше, що вища частота змінного струму і що більше магнітна проникність феромагнетика. При високих частотах потік проходить лише тонкому поверхневому шарі сердечника. Це викликає зменшення уявної (середньої по перерізу) магнітної проникності. Явлення витіснення з феромагнетика магнітного потоку, що змінюється з великою частотою, аналогічно електричного скін-ефекту і магнітного скін-ефекту.

Відповідно до закону Джоуля - Ленца, вихрові струми нагрівають провідники, в яких вони виникли. Тому вихрові струми призводять до втрат енергії (втрати на вихрові струми) у магнітопроводах (у сердечниках трансформаторів та котушок змінного струму, у магнітних ланцюгах машин).

Для зменшення втрат енергії на вихрові струми (і шкідливого нагріву магнітопроводів) і зменшення ефекту «витіснення» магнітного потоку з феромагнетиків магнітопроводи машин і апаратів змінного струму роблять не з суцільного шматка феромагнетика (електротехнічної сталі), а з окремих пластин, ізольованих Такий поділ на пластини, розташовані перпендикулярно до напрямку вихрових струмів, обмежує можливі контури шляхів вихрового струму, що сильно зменшує величину цих струмів. При дуже високих частотах застосування феромагнетиків для магнітопроводів недоцільно; у цих випадках їх роблять з магнітодіелектриків, в яких вихрові струми практично не виникають через дуже великий опір цих матеріалів.

При русі провідного тіла в магнітному полі індуковані вихрові струми зумовлюють помітну механічну взаємодію тіла з полем. На цьому принципі засновано, наприклад, гальмування рухомої системи у лічильниках електричної енергії, в яких алюмінієвий диск обертається у полі постійного магніту. У машинах змінного струму з обертовим полем суцільний металевий ротор захоплюється полем через вихрові струми, що виникають в ньому. Взаємодія вихрового струму зі змінним магнітним полем є основою різних типів насосів для перекачування розплавленого металу.

Вихрові струми виникають і в самому провіднику, яким тече змінний струмщо призводить до нерівномірного розподілу струму по перерізу провідника. У моменти збільшення струму в провіднику індукційні вихрові струми спрямовані у поверхні провідника первинним електричним струмом, а в осі провідника - назустріч струму. В результаті всередині провідника струм зменшиться, а у поверхні збільшиться. Струми високої частоти практично течуть у тонкому шарі біля поверхні провідника, а всередині провідника струму немає. Це називається електричним скін-ефектом. Щоб зменшити втрати енергії на вихрові струми, дроти великого перерізу змінного струму роблять із окремих жил, ізольованих друг від друга.

Досі ми розглядали індукційні струми в лінійних провідниках. Але індукційні струми виникатимуть і в товщі суцільних провідників при зміні потоку вектора магнітної індукції в них. . Вони циркулюватимуть у речовині провідника (нагадаємо, що лінії - Замкнуті). Так як електричне поле вихрове, то і струми називаються вихровими струмами, або струмами Фуко.

Якщо мідну пластину відхилити від положення рівноваги і відпустити так, щоб вона увійшла зі швидкістю в простір між смугами магніту, то пластина практично зупиниться в момент її входження в магнітне поле (рис. 3.8).

Мал. 3.8 Мал. 3.9

Уповільнення руху пов'язане із збудженням у пластині вихрових струмів, що перешкоджають зміні потоку вектора магнітної індукції. Оскільки пластина має кінцевий опір, струми індукції поступово згасають і пластина повільно рухається в магнітному полі. Якщо електромагніт відключити, то мідна пластина здійснюватиме звичайні коливання, характерні для маятника.

Сила та розташування вихрових струмів дуже чутливі до форми пластини. Якщо замінити суцільну мідну пластину гребінкою - мідною пластиною з пропилами, то вихрові струми в кожній частині пластини збуджуються меншими потоками. Індукційні струмизменшуються, зменшується та гальмування (рис. 3.9). Маятник у вигляді гребінки коливається у магнітному полі майже без опору. Цим досвідом пояснюється, чому сердечники електромагнітів, трансформаторів роблять не з суцільного шматка заліза, а набраними із тонких пластин ізольованих один від одного. В результаті зменшуються струми Фуко і тепло, що виділяється ними.

Якщо взяти мідний диск діаметром 5 см і товщиною 5 мм і впустити його між полюсами електромагніта, то при вимкненому магніті диск падає зі звичайним прискоренням. При включенні магнітного поля » 1 Тл падіння диска різко сповільнюється і його рух нагадує падіння тіла у дуже в'язкому середовищі.

Тормозяча дія струму Фуко використовується для створення магнітних заспокійників – демпферів. Якщо під хитається в горизонтальній площинімагнітною стрілкою розташувати масивну мідну пластину, то струми Фуко, що збуджуються в мідній пластині, будуть гальмувати коливання стрілки. Магнітні заспокійники такого роду використовуються у сейсмографах, гальванометрах та інших приладах.

Струми Фуко застосовуються в електрометалургії для плавки металів. Метал поміщають у змінне магнітне поле, створюване струмомчастотою 500 - 2000 Гц. В результаті індуктивного розігріву метал плавиться, а тигль, в якому він знаходиться, залишається холодним. Наприклад, за підведеної потужності 600 кВт тонна металу плавиться за 40–50 хвилин.

Вихрові або циклічні струми мають як позитивне, так і негативне значеннядля людини. З одного боку, вони є причиною втрат енергії в потужному провіднику або котушці. У той самий час явище вихрового струму можна використовувати і з користю – наприклад, створення індукційних печей. Але про все по порядку.

Відкриття вихрових струмів

Вихрові електричні струми відкрили французьким ученим Араго Д.Ф. Вчений експериментував із мідним диском та стрілкою, яка була намагнічена.

Вона крутилася навколо диска, колись він почав повторювати рухи стрілки. Тодішні вчені поясненняявища не знайшли – цей дивний рух назвали «явище Араго». Загадка чекала свого часу.

Через кілька років питанням зацікавився Максвелл Фарадей, який на той момент відкрив свій знаменитий законелектромагнітної індукції

Відповідно до закону, М. Фарадей висунув припущення, що рухоме магнітне поле має вплив на атомну металеві гратимідного провідника.

Електричний струм, що виник у результаті спрямованого руху електронів, завжди створює магнітне поле по всьому периметру провідника. Детально описав вихрові струми, спираючись на роботи Араго та Фарадея – фізик-експериментатор Фуко, звідки вони отримали свою другу назву.

Яка природа вихрових струмів?

Замкнуті циклічні струми здатні виникати в провідниках, у тих випадках, коли магнітне поле навколо цих провідників не стабільне, тобто змінюється в часі або динамічно обертається.

Таким чином, сила вихрового струму прямо залежить від швидкості зміни магнітного потоку, що пронизує провідник. Відомо, що електрони у провіднику рухаються лінійно внаслідок різниці потенціалів, таким чином електричний струм прямо спрямований.

Струми Фуко проявляють себе інакше і замикаються прямо в тілі провідника, утворюючи вихроподібні циклічні контури. Вони здатні взаємодіяти з магнітним полем, внаслідок дії якого вони виникли. (рис 1)

На малюнку можна добре розглянути, як струми, що нас цікавлять, збільшуються при підвищенні рівня індукції (показані пунктирними напрямними) в середині котушки, яка підключена до змінного струму.

Досліджуючи вихрові струми Фуко російський учений Ленц зробив висновок, що власне магнітне поле цих струмів не дає магнітного потоку, причиною яких вони є, зміниться. Характер спрямування силових ліній вихрового електричного струму збігається з вектором напряму індукційного струму.

Значення та застосування

У момент руху тіла у створюваних магнітних полях струми Фуко є причиною фізичного уповільнення тіла цих полях. Ця здатність давно реалізована у конструкції побутового електролічильника. Суть у тому, що уповільнюється алюмінієвий диск, що обертається під впливом магніту. (рис2)

Малюнок зображує диск лічильника електричної енергії, де суцільною стрілкою вказано напрямок обертання самого диска, а пунктирними – вихрові потоки

Ці взаємодії допомогли реалізувати ідею створення насоса для перекачування розплавлених металів. Струми Фуко провокують виникнення скін - ефекту. В результаті їх дії ККДпровідника зменшується, оскільки посередині перерізу провідника струм фактична відсутня, а переважає з його периферії.

Для зменшення втрат електроенергії, особливо при передачі на тривалі дистанції використовують багатоканальний кабель, кожна жила в якому має свою ізоляцію. Вихрові струми, а саме індукційні печі, сконструйовані на їх основі, знайшли широке застосуванняу металургії.

Їх використовую для плавки металів, їх перекачування та загартування поверхні. А також властивості вихрових струмів використовуються для уповільнення та зупинення металевого диска в індукційних гальмах. У сучасних обчислювальних приладах і апаратах струми Фуко сприяють уповільненню частинок, що рухаються.

Ілюстрація виникнення струмів Фуко в пластині, що рухається в постійному магнітному полі провідній (металевій) C. Вектор магнітної індукції Bпоказані зелені стрілки, вектор Vшвидкості руху пластин - чорнимистрілками, силові лініївектор щільності електричного струму I- червоним кольором (ці лінії замкнуті, "вихрові").
Джерелом магнітного поля є постійний магніт, його фрагмент показано вгорі малюнка сірим кольором. Вектор магнітної індукції Bспрямований від північного ( N) полюси магніту, магнітне поле пронизує пластину. У матеріалі пластини, що під магніт, тобто. зліва, магнітна індукція змінюється у часі, зростає (d B n/d t> 0), і відповідно до законів Фарадея та Ома у матеріалі пластини виникає (наводиться, "індукується") замкнутий (вихровий) електричний струм. Цей струм тече проти годинникової стрілки і, за законом Ампера, створює своє власне магнітне поле, вектор магнітної індукції якого показаний синьою стрілкою, спрямованої перпендикулярно площині струму, вгору.
Праворуч, у матеріалі пластини, що віддаляється від магніту, магнітне поле теж змінюється в часі, проте воно слабшає, і силові лінії праворуч, що виникає, ще одного електричного струмуспрямовані за годинниковою стрілкою.
Точно під магнітом "лівий" і "правий" вихори струмів спрямовані в один і той же бік, щільність сумарного електричного струмумаксимальна. На які рухаються в цій галузі електричні заряди, потік яких утворює електричний струм, у сильному магнітному полі діє сила Лоренца, спрямована (за правилом лівої руки) проти вектора швидкості V. Ця сила Лоренца гальмує пластину C. Взаємодія магнітного поля магніту та магнітного поля індукованих струмів призводить до того, що результуючий розподіл потоку магнітного поля в околиці полюса Nмагніту відрізняється від випадку нерухомої пластини C(і залежить від швидкості V), хоча сумарний потік вектора магнітної індукції залишається незмінним (за умови, що матеріал магніту та пластини Cне входить у насичення).

Вихрові струми, або струми Фуко(На честь Ж. Б. Л. Фуко) - вихровий індукційний об'ємний електричний струм, що виникає в електричних провідниках при зміні в часі потоку магнітного поля, що діє на них.

Вперше вихрові струми були виявлені французьким вченим Д. Ф. Араго (1786-1853) в 1824 р. в мідному диску, розташованому на осі під магнітною стрілкою, що обертається. За рахунок вихрових струмів диск приходив у обертання. Це явище, назване явищем Араго, було пояснено через кілька років M. Фарадеєм з позицій відкритого ним закону електромагнітної індукції: магнітне поле, що обертається, наводить в мідному диску вихрові струми, які взаємодіють з магнітною стрілкою. Вихрові струми були детально досліджені французьким фізиком Фуко (1819-1868) та названі його ім'ям. Фуко також відкрив явище нагрівання металевих тіл, що обертаються в магнітному полі, вихровими струмами.

Струми Фуко виникають під дією змінюється у часі(змінного) магнітного поля та за фізичною природою нічим не відрізняються від індукційних струмів, що виникають у проводах та вторинних обмотках електричних трансформаторів.

Оскільки електричний опірмасивного провідника може бути мало, то сила індукційного електричного струму, обумовленого струмами Фуко, може досягати надзвичайно великих значень. Відповідно до правила Ленца струми Фуко в обсязі провідника вибирають такий шлях, щоб максимально протидіяти причині, що викликає їх протікання. Тому, зокрема, хороші провідники, що рухаються в сильному магнітному полі, відчувають сильне гальмування, обумовлене взаємодією струмів Фуко із зовнішнім магнітним полем. Цей ефект використовується для демпфування рухомих частин гальванометрів, сейсмографів та інших приладів без використання сили тертя, а також деяких конструкцій гальмівних систем залізничних поїздів.

Застосування [ | ]

Теплова дія струмів Фуко використовується в індукційних печах , де в котушку, що живиться високочастотним генератором великої потужності, поміщають тіло, що проводить, в якому виникають вихрові струми, що розігрівають його до плавлення. Подібним чином працюють індукційні плити, в яких металевий посуд розігрівається вихровими струмами, створюваними змінним магнітним полем котушки, розташованої всередині плити.

За допомогою струмів Фуко здійснюється прогрівання металевих частин вакуумних установок для їхньої дегазації.

Відповідно до правила Ленца вихрові струми протікають усередині провідника такими шляхами і напрямами, щоб своєю дією можливо сильніше чинити опір причині, що їх викликає. Внаслідок цього при русі в магнітному полі на хороші провідники діє гальмівна сила, що викликається взаємодією вихрових струмів з магнітним полем. Цей ефект використовується в ряді приладів для демпфування їх рухомих частин.

У багатьох випадках струми Фуко можуть бути небажаними. Для боротьби з ними вживаються спеціальні заходи: з метою запобігання втратам енергії на нагрівання сердечників трансформаторів ці сердечники набирають з тонких пластин, розділених ізолюючими прошарками (шихтівка). Поява