Вихровий електричний струм. Вихрові струми

Вихрові струми (струми Фуко)

Індукційний струм виникає не тільки в лінійних провідниках, а й у масивних суцільних провідниках, поміщених змінне магнітне полі. Ці струми виявляються замкнутими в товщі провідника і тому називаються - вихровими.Їх також називають струмами Фуко- на ім'я першого дослідника.

Струми Фуко, як і індукційні струми в лінійних провідниках, підпорядковуються правилу Ленца: їхнє магнітне поле спрямоване так, щоб протидіяти зміні магнітного потоку, що індукує вихрові струми. Наприклад, якщо між полюсами невключеного електромагніту масивний мідний маятник робить практично не загасаючі коливання, При включенні струму він відчуває сильне гальмування і дуже швидко зупиняється. Це пояснюється тим, що струми Фуко, що виникли, мають такий напрямок, що діючі на них з боку магнітного поля сили гальмують рух маятника. Цей факт використовується для заспокоєння (демпфування) рухомих частин різних приладів. Якщо в описаному маятнику зробити радіальні вирізи, то вихрові струми послаблюються і гальмування майже відсутнє.

Вихрові струми, крім гальмування (як правило, небажаного ефекту), викликають нагрівання провідників. Тому для зменшення втрат на нагрівання якоря генераторів і сердечники трансформаторів роблять не суцільними, а виготовляють із тонких пластин, відокремлених одна від одної шарами ізолятора, і встановлюють їх так, щоб вихрові струми були спрямовані впоперек пластин. Джоулева теплота, що виділяється струмами Фуко, використовують у індукційних металургійних печах. Індукційна піч являє собою тигель, що міститься всередину котушки, в якій пропускається струм високої частоти. У металі з'являються інтенсивні вихрові струми, здатні розігріти його до плавлення.

Такий спосіб дозволяє плавити метали у вакуумі, внаслідок чого виходять надчисті матеріали.

Вихрові струми виникають і в проводах, якими тече змінний струм. Напрямок цих струмів можна визначити за правилом Ленда. На рис. 182, апоказано напрям вихрових струміву разі зростання первинного струму в провіднику, але в рис. 182 б - при його спаданні. В обох випадках напрямок вихрових струмів такий, що вони протидіють зміні первинного струму всередині провідника і сприяють його зміні поблизу поверхні. Таким чином, внаслідок виникнення вихрових струмів швидкозмінний струм виявляється розподіленим за перерізом дроту нерівномірно - він ніби витісняється на поверхню провідника. Це явище отримувало назву скін-ефекту(від англ. skin – шкіра) або поверхневого ефекту. Так як струми високої частоти практично течуть в тонкому поверхневому шарі, то дроти для них робляться порожнистими.

Якщо суцільні провідники нагрівати струмами високої частоти, то в результаті скін-ефекту відбувається нагрівання їх поверхневого здаю. На цьому заснований метод поверхневого загартування металів. Змінюючи частоту поля, він дозволяє робити гарт на будь-якій потрібній глибині.

§ 126. Індуктивність контуру. Самоіндукція

Електричний струм, що тече в замкнутому контурі, Створює навколо себе магнітне поле, індукція якого, за законом Біо - Савара - Лапласа, пропорційна струму. Зчеплений з контуром магнітний потік Ф тому пропорційний струму I в контурі:

де коефіцієнт пропорційності L називається індуктивністю контуру.

При зміні сили струму контурі буде змінюватися також і зчеплений з ним магнітний потік; отже, в контурі індукуватиметься е.р.с. Виникнення е.р.с. індукції у провідному контурі за зміни у ньому сили струму називається самоіндукцією.

З виразу (126.1) визначається одиниця індуктивності генрі (Гн): 1 Гн - індуктивність такого контуру, магнітний потік самоіндукції якого при струмі 1 А дорівнює 1 Вб:

1 Гн = 1 Вб / А = 1 В с / А.

Можна показати, що індуктивність контуру в загальному випадкузалежить тільки від геометричної формиконтуру, його розмірів та магнітної проникності того середовища, в якому він знаходиться. У цьому сенсі індуктивність контуру - аналогелектричної ємності відокремленого провідника, яка також залежить тільки від форми провідника , його розмірів та діелектричної проникностісередовища.

Застосовуючи явище самоіндукції закон Фарадея (див. (123.2)), отримаємо, що е. д. с. самоіндукції

Якщо контур не деформується і магнітна проникність середовища не змінюється, то L=const і

. (126.3)

де знак мінус, зумовлений правилом Ленца, показує, що наявність індуктивності у контурі призводить до уповільнення зміниструму у ньому.

Якщо струм поступово зростає, то > 0 та < 0,т. е. струм самоіндукції спрямований назустріч струму, зумовленого зовнішнім джерелом, та гальмує його зростання. Якщо струм з часом зменшується, то<0та > 0, тобто індукційний струм має такий же напрям, як і спадний струм в контурі, і уповільнює його спадання. Таким чином, контур, володіючи певною індуктивністю, набуває електричної інертності, яка полягає в тому, що будь-яка зміна струму гальмується тим сильніше, чим більше індуктивність контуру.

§ 127. Струми при розмиканні та замиканні ланцюга

При будь-якій зміні сили струму в контурі, що проводить, виникає е. д. с. самоіндукції, внаслідок чого в контурі з'являються додаткові струми, які називаються екстратоками самоіндукції. Екстратоки самоіндукції, згідно з правилом Ленца, завжди спрямовані так, щоб перешкоджати змінам струму в ланцюзі, тобто спрямовані протилежно струму, що створюється джерелом. При вимиканні джерела струму екстраструми мають такий самий напрям, що і струм, що слабшає. Отже, наявність індуктивності в ланцюзі призводить до уповільнення зникнення або встановлення струму в ланцюзі.

Розглянемо процес вимкнення струму в ланцюзі, що містить джерело струму з е.р.с. , резистор опором Rта котушку індуктивністю L . Під впливом зовнішньої е. д . с. у ланцюзі тече постійний струм

На момент часу t=0 відключимо джерело струму. Струм у котушці індуктивності L почне зменшуватися, що призведе до виникнення е.р.с. самоіндукції, що перешкоджає, згідно з правилом Ленца, зменшення струму. У кожен момент часу струм у ланцюзі визначається законом Ома, або

Розділивши у виразі (127.1) змінні, отримаємо . Інтегруючи це рівняння по I (від I до I) і t (від 0 до t), знаходимо

де t=L/R - постійна, звана часом релаксації. З (127.2) слід, що t є час, протягом якого силаток зменшується в раз.

Таким чином, у процесі відключення джерела струму сила струму зменшується експоненційному закону(127.2) та визначається кривою 1 на рис. Чим більша індуктивність ланцюга і менше його опір, тим більше t і, отже, тим повільніше зменшується струм у ланцюгу при її розмиканні.

При замиканні ланцюга, крім зовнішньої е. д. з . виникає е. д. с. самоіндукції

що перешкоджає, згідно з правилом Ленца, зростання струму. за закону Ома,

Ввівши нову змінну , перетворимо це рівняння на вигляд

де t – час релаксації.

У момент замикання (t=0) сила струму I=0 та u= - . Отже, інтегруючи по u (від - до IR - ) та t (від 0 до t ), знаходимо

,

, (127.3)

де - струм, що встановився (при t®¥).

Таким чином, у процесі включення джерела струму наростання сили струму в ланцюзі визначається функцією (127.3) і визначається кривою 2 на рис. Сила струму зростає від початкового значення I = 0 і асимптотично прагне до значення . Швидкість наростання струму визначається тим самим часом релаксації t= L/R, як і зменшення струму. Встановлення струму відбувається тим швидше, що менше індуктивність ланцюга і більше його опір.

Оцінимо значення е.р.с. самоіндукції, що виникає при миттєвому збільшенні опору ланцюга постійного струмувід R про до R Припустимо, що ми розмикаємо контур, коли в ньому тече струм I, що встановився = . При розмиканні ланцюга токизмінюється за формулою (127.2). Підставивши в неї вираз для I і t, отримаємо

Е.Д.С. самоіндукції

тобто при значному збільшенні опору ланцюга (R/R про >>1) має велику індуктивність, е.д.с. самоіндукції може у багато разів перевищувати е.р.с. джерела струму, включеного до ланцюга. Таким чином, необхідно враховувати, що контур, що містить індуктивність, не можна різко розмикати, оскільки це (виникнення значних е.р.с. самоіндукції) може призвести до пробою ізоляції та виведення з ладу вимірювальних приладів. Якщо контур опір вводити поступово, то э.д.с. самоіндукції не досягне великих значень.

§ 128. Взаємна індукція

Розглянемо два нерухомі контури (1 і 2), розташованих досить близько один від одного (рис. 184). Якщо в контурі 1 тече струм I 1 , то магнітний потік, створюваний цим струмом (поле, що створює цей потік, малюнку зображено суцільними лініями), пропорційний I 1 . Позначимо через Ф 21 частину потоку, яка пронизує контур 2. Тоді

де L 21 - коефіцієнт пропорційності.

Якщо струм I 1 змінюється, то контурі 2 індукується э.д.с. , яка за законом Фарадея (див. (123.2)) дорівнює і протилежна за знаком швидкості зміни магнітного потоку Ф 21 , створеного струмом в першому контурі і пронизує другий:

.

Аналогічно, при протіканні в контурі струму 2 I 2 магнітний потік (його поле зображено на рис. 184 штриховими лініями) пронизує перший контур. Якщо Ф 12 - частина цього потоку, що пронизує контур 1, то

Якщо струм I 2 змінюється, то контурі 1 індукується е.д.с . , яка дорівнює і протилежна за знаком швидкості зміни магнітного потоку Ф 12 , створеного струмом у другому контурі і пронизує перший:

.

Явище виникнення е.р.с. в одному з контурів при зміні сили струму в іншому називається взаємною індукцією. Коефіцієнти пропорційності L 21 та L 12 називаються взаємною індуктивністю контурів. Розрахунки, що підтверджуються досвідом, показують, що L 21 і L 12 дорівнюють один одному, тобто.

. (128.2)

Коефіцієнти L 12 і L 21 залежать від геометричної форми, розмірів, взаємного розташуванняконтурів та від магнітної проникності навколишнього контуру середовища. Одиниці взаємної індуктивності така сама, як і для індуктивності , - Генрі(Гн).

Розрахуємо взаємну індуктивністьдвох котушок, намотаних на загальний тороїдальний сердечник. Цей випадок має велике практичне значення(Рис. 185). Магнітна індукція поля, що створюється першою котушкою з числом витків N 1 ,струмом I 1 і магнітною проникністю m сердечника, згідно (119.2),

де l - довжина сердечника по середньої лінії. Магнітний потік крізь один виток другої котушки .

Тоді повний магнітний потік (потокосцепление) крізь вторинну обмотку, що містить N 2 витків,

Потік y створюється струмом I 1 тому, згідно (128.1), отримуємо

(128.3)

Якщо обчислити магнітний потік, створюваний котушкою 2 крізь котушку 1, для L 12 отримаємо вираз відповідно до формули (128.3). Таким чином, взаємна індуктивність двох котушок, намотаних на загальний тороїдальний сердечник ,

.

Трансформатори

Принцип дії трансформаторів, застосовуваних підвищення чи зниження напруги змінного струмузаснований на явищі взаємної індукції. Вперше трансформатори були сконструйовані та введені у практику російським електротехніком П. Н. Яблочковим (1847-1894) та російським фізиком І. Ф. Усагіним (1855-1919). Принципова схематрансформатора показано на рис.186. Первинна та вторинна котушки (обмотки), що мають відповідно N 1 і N 2 витків, укріплені на замкнутому залізному сердечнику. Так як кінці первинної обмотки приєднані до джерела змінної напруги з е.д.с. , то в ній виникає змінний струм I 1 , що створює в осерді трансформатора змінний магнітний потік Ф, який практично повністю локалізований в залізному осерді і, отже, майже повністю пронизує витки вторинної обмотки. Зміна цього потоку викликає у вторинній обмотці появу е.р.с. взаємної індукції, а первинної - э.д.с. самоіндукції. Струм I 1 первинної обмотки визначається згідно із законом Ома:

,

де R 1 - Опір первинної обмотки. Падіння напруги I 1 R 1 на опорі R 1 при швидкозмінних полях мало порівняно з кожною з двох е.р.с., тому

Е.Д.С. взаємної індукції, що виникає у вторинній обмотці ,

. (129.2)

Порівнюючи вирази (129.1) і (129.2), отримаємо, що е.р.с., що виникає у вторинній обмотці, де знак мінус показує, що е.р.с. у первинній та вторинній обмотках протилежні за фазою.

Відношення числа витків N 2 /N 1 показує, скільки разів е.д.с. у вторинній обмотці трансформатора більше (або менше), ніж у первинній, називається коефіцієнтом трансформації.

Нехтуючи втратами енергії, які в сучасних трансформаторах не перевищують 2% і пов'язані переважно з виділенням в обмотках джоулевої теплоти та появою вихрових струмів, і застосовуючи закон збереження енергії, можемо записати, що потужності струму в обох обмотках трансформатора практично однакові :

звідки, з огляду на співвідношення (129.3), знайдемо .

Т. е. струми в обмотках обернено пропорційні числу витків у цих обмотках.

Якщо N 2 /N 1 > 1, то маємо справу з підвищуючим трансформатором, що збільшує змінну е.р.с. і понижуючим струм (застосовуються, наприклад, передачі електроенергії на великі відстані, так як у даному випадкувтрати на джоулеву теплоту, пропорційні квадрату сили струму, знижуються); якщо N 2 /N 1 < 1, то маємо справу з понижувальним трансформатором, що зменшує е.р.с. і підвищує струм (застосовуються, наприклад, при електрозварюванні, так як для неї потрібен великий струм при низькій напрузі).

Ми розглядали трансформатори, які мають лише дві обмотки. Однак трансформатори, що використовуються в радіопристроях, мають 4-5 обмоток, що володіють різними робочими напругами. Трансформатор, що з однієї обмотки, називається автотрансформатором. У разі підвищуючого автотрансформатора е.р.с. підводиться до частини обмотки, а вторинна е.р.с. знімається з усієї обмотки. У знижувальному автотрансформаторі напруга мережі подається на всю обмотку, а вторинна е.р.с. знімається з частини обмотки.

Обмотка лабораторного регулювального автотрансформатора (ЛАТР) намотана на залізному осерді, що має форму прямокутного тороїда (рис.). Для захисту від вихрових струмів Фуко осердя роблять із тонких залізних пластин, покритих ізолюючим шаром лаку. Такий сердечник можна зробити різними способами:
а) набираючи його з тонких кілець, покладених чаркою одне на інше;
б) згортаючи в рулон тонку довгу стрічку шириною h;
в) збираючи із прямокутних пластин розміром l × h, Розташувавши їх вздовж радіусів циліндра.

 Експеримент.
Спостерігати виникнення струмів можна за допомогою наступної установки. Маятник, що складається зі шматка металу, підвішеного на нитці між полюсами електромагніта, виведений з положення рівноваги за відсутності струму в електромагніті, робить коливання, що слабко згасають. При включенні струму коливання майже миттєво згасають і рух маятника до його зупинки нагадує рух у в'язкому середовищі. Це пояснюється тим, що виникли при русі маятника в магнітному полі струми Фуко мають такий напрямок, що сили, що діють на них з боку магнітного поля, гальмують рух маятника.

Якщо суцільний сектор маятника замінити гребінцем з довгими зубцями, то збудження струмів Фуко буде дуже утруднено. Маятник коливатиметься у магнітному полі майже без загасання. Цей досвід пояснює, чому осердя електромагнітів і рами трансформаторів роблять не з суцільного шматка заліза, а з багатьох листів, накладених один на одного. В результаті струми Фукозбуджуються слабо і сильно зменшується шкідливий впливджоулева тепла, що виділяється ними.
 Теорія.
 Токи Фуко− індукційні струми, що виникають у масивних провідниках
у змінному магнітному полі, називаються струмами Фуко. Іноді вони грають корисну рольа іноді шкідливу.
Токи Фуко відіграють корисну роль в роторі асинхронного двигуна, що приводиться в рух магнітним полем, що обертається, оскільки саме здійснення принципу роботи асинхронного двигуна вимагає виникнення струмів Фуко. Будучи струмами провідності струми Фуко розсіюють частину енергії на виділення джоулевої теплоти. Ця втрата енергії в роторі асинхронного двигуна є марною.Але з нею доводиться миритися, уникаючи лише надмірного перегрівання ротора. Але одночасно з цим у сердечниках електромагнітів асинхронного двигуна, виконаних зазвичай з феромагнетиків, що є провідниками, також виникають струми Фуко, які не мають жодного значення для принципу роботи електромагнітів, але нагрівають ці осердя, погіршуючи тим самим їх характеристики. З ними необхідно боротися, як із шкідливим фактором. Боротьба полягає в тому, що сердечники виготовляють із тонких пластин, відокремлених одна від одної шарами ізолятора, причому їх встановлюють так, щоб струми Фуко були спрямовані впоперек пластин. Завдяки цьому за досить малої товщини пластин струму Фуко не можуть розвиватися і мають незначну об'ємну щільність.
Джоулева теплота, що виділяється струмами Фуко, корисно використовується в процесах розігріву або навіть плавки металів, коли це виявляється більш вигідним чи доцільним у порівнянні з іншими методами розігріву. Якщо виробляти розігрів металу струмами дуже високої частоти, то в результаті скін-ефекту розжарюється поверхневий шар провідника.

 (б, в) Суцільний шматок металу, що у змінному магнітному полі, є провідник опору, унаслідок чого сила індукційних струмів досягає у ньому великих значень.
Так як ЕРС індукціїпропорційна швидкості зміни потоку магнітної індукції, то величина струмів Фуко тим більше, чим швидше змінюється магнітне поле, в яке внесений даний провідник. Тому виникнення струмів Фуко легше спостерігати, якщо внести провідник у порожнину соленоїда, по обмотці якого пропускається швидко змінний струм, що викликає також магнітне поле, що швидко змінюється за величиною. У цьому випадку струми Фуко в масивних добре провідних тілах досягають такої сили, що тепла, що виділяється, виявляється достатньо, щоб розжарити тіло. Цей метод широко використовується у вакуумній техніці для прогріву всередині приладу, що відкачується, металевих частин для їх знегажування. Той самий метод використовується для плавки металів під вакуумом.
 У шматках досить товстих, тобто мають великі розміри в напрямку, перпендикулярному до напряму індукційного струму, вихрові струми внаслідок малості опору можуть бути дуже великими і викликати дуже значне нагрівання. Якщо, наприклад, помістити всередину котушки масивний металевий сердечникі пропустити по котушці змінний струм, який 100 разів на секунду змінює свій напрямок і силу, доходячи до нуля і знову посилюючись, цей сердечник нагріється дуже сильно. Нагрівання це викликається індукційними (вихровими) струмами, що виникають внаслідок безперервної змінимагнітного потоку, що пронизує сердечник. Якщо цей сердечник зробити з окремих тонких дротів, ізольованих друг від друга шаром лаку чи оксидів, то опір сердечника у бік, перпендикулярному до його осі, т. е. опір для вихрових струмів, зросте, і нагрівання значно зменшиться. Цим прийомом – поділом суцільних шматків заліза на тонкі ізольовані один від одного шари – постійно користуються у всіх електричних машинахдля зменшення нагрівання їх індукційними струмами, що виникають у змінному магнітному полі. З іншого боку, струми Фуко іноді використовуються у так званих індукційних печах для сильного нагрівання чи навіть плавлення металів.

 Трансформатори.
Однак у багатьох випадках нагрівання, яке викликається струмами Фуко, є шкідливим. До таких випадків відноситься нагрівання сердечників трансформаторів і взагалі металевих сердечників різного роду обмоток, якими йде змінний струм. Щоб уникнути такого нагрівання, сердечники роблять шаруватими, відокремлюючи шари один від одного тонким прошарком ізоляції, розташованої перпендикулярно напряму струмів Фуко.
Поява феритів ( магнітних матеріалівз великим електричним опором) уможливило виготовлення сердечників суцільними.
(в) У трансформаторах малої потужності магнітопровід збирають із пластин П-, Ш-і О-образної форми (рис. а, б, в).


Широке застосування отримали магнітопроводи, навиті з вузької стрічки електротехнічної сталі або спеціальних залізонікелевих сплавів типу пермалою. Їх можна використовувати для стрижневих, броньових, тороїдальних та трифазних трансформаторів (г, д, е, ж).

 Скін-ефект.
Струми Фуко можуть виникати і в самому провіднику, яким тече змінний струм. Поява таких струмів веде до особливого поверхневого ефекту (званого також скін-ефектом від англійського слова skinщо означає шкіра). Якщо змінний струм йде по циліндричному провіднику, то в момент збільшення струму індукційні струми Фуко будуть спрямовані як показано на малюнку.

Ці струми спрямовані біля поверхні провідникау напрямі первинного електричного струму, а в осі провідника – назустріч струму. В результаті всередині провідника струм ослабне, біля поверхні збільшиться. Таким чином, внаслідок виникнення індукційних струмів Фуко струм буде розподілений нерівномірно за перерізом провідника.
При швидкозмінних струмах щільність струму поблизу осі провідника практично виявляється рівною нулю, і весь струм йде поверхнею провідника. Внаслідок цього і магнітне поле всередині провідника робиться рівним нулю. Це явище викликає збільшення опору провідника, оскільки внутрішнім частинампровідника струм не йде. Так як ці внутрішні частини виявляються марними, то з метою економії металу дроти для швидкозмінних струмів робляться порожнистими. Струми Фуко призводять також до зменшення коефіцієнта самоіндукції провідника. Це можна пояснити з прикладу циліндричного провідника.
У силу скін-ефекту провідники у високочастотних схемах немає сенсу робити суцільними. Для зменшення опору потрібно збільшувати їхню поверхню, а не перетин, тобто виготовляти провідники у вигляді трубок. В електропечах цією обставиною користуються, охолоджуючи трубки котушки, якими йде струм високої частоти, за допомогою води, що циркулює всередині трубок.

 Генератори.
Генератори зазвичай рухаються порівняно тихохідними водяними турбінами або двигунами внутрішнього згоряння. При роботі з паровими турбінами, що обертаються з частотою 1500 − 3000 оборотів за хвилину, застосовується дещо інша конструкція ротора (індуктора). Ротор не має виступів, а є гладким циліндром, на зовнішній поверхні якого в пазах укладена обмотка. При великій частоті обертання це вигідніше, тому що виступи на роторі створюють повітряні вихори та збільшують механічні втрати.
Форма полюсних наконечників на виступах ротора спеціально розраховується так, щоб індукована в обмотці ЕРС змінювалася згодом за законом синуса, тобто щоб форма напруги та струму, що дається генератором, була синусоїдальною.
Статор генератора - його нерухома частина - є залізне кільце, у пазах якого укладено обмотки якоря. Для зменшення втрат на струми Фуко це кільце робиться не суцільним, а складається з окремих тонких листів заліза, ізольованих один від одного.
друга.

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 показаний зверху малюнку 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 по фізичної природинічим не відрізняються від індукційних струмів, що виникають у проводах та вторинних обмотках електричних трансформаторів.

Оскільки електричний опірпотужного 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

Деталі з металу в автомобіля або різноманітних електричних пристроях мають здатність рухатися в магнітному полі і перетинатися з силовими лініями. Завдяки цьому утворюється самоіндукція. Пропонуємо розглянути аномальні вихрові струми фуко, потоки повітря, їх визначення, застосування, вплив та як зменшити втрати на вихрові струми у трансформаторі.

З закону Фарадея випливає, що зміна магнітного потоку здійснює індуковане електричне поле навіть у порожньому просторі.

Якщо металева пластина вставляється в простір, індуковане електричне поле призводить до появи електричного струму в металі. Ці індуковані струми називаються вихрові струми.

Токи Фуко – це потоки, індукція яких проводиться у різноманітних провідних частинах електричних приладіві машинах, блукають струми Фуко особливо небезпечні пропуску води чи газів, т.к. їхній напрямок неможливо контролювати в принципі.

Якщо індуковані зустрічні струми створюються магнітним полем, що змінюється, то вихрові струми будуть перпендикулярні до магнітного поля, і їх рух буде проводитися по колу, якщо дане поле однорідно. Ці індуковані електричні полядуже відрізняються від електростатичних електричних полів точкових зарядів.

Практичне застосування вихрових струмів

Вихрові струми корисні в промисловості для розсіювання небажаної енергії, наприклад, у поворотного кронштейна механічного балансу, особливо якщо сила струму дуже висока. Магніт в кінці опори налаштовує вихрові струми металевої пластиниПрикріплена до кінця кронштейна, скажімо, ansys.

Вихрові потоки, як вчить фізика, можуть бути також використані як ефективне гальмівне зусилля в двигунах транзитного поїзда. Електромагнітні пристрої та механізми на поїзді біля рейок спеціально налаштовані для створення вихрових струмів. Завдяки руху струму, виходить плавний спуск системи та поїзд зупиняється.

Закручені струми шкідливі у вимірювальних трансформаторах та для людини. Металевий осердя використовується в трансформаторі, щоб збільшити потік. На жаль, вихрові струми, отримані в якорі чи сердечнику, можуть збільшити втрати енергії. Побудувавши металеву серцевину шарів, що чергуються з провідних і не провідних енергію, матеріалів, розмір індукованих петель зменшується, таким чином, зменшуючи втрати енергії. Шум, який виробляє трансформатор під час роботи, є наслідком саме такого конструктивного рішення.

Відео: вихрові струми Фуко

Ще один цікавий використаннявихрової хвилі – застосування в електролічильниках чи медицині. У нижній частині кожного лічильника розташований тонкий алюмінієвий диск, який завжди обертається. Це диск рухається в магнітному полі, так що там завжди є вихрові струми, мета яких уповільнити рухи диска. Завдяки цьому датчик працює точно без перепадів.

Вихори та скін-ефект

У тому випадку, коли виникають дуже сильні вихрові струми (при високочастотному струмі), у тілах щільність струму стає значно меншою, ніж на поверхнях. Це так званий скін ефект, його методи використовуються для створення спеціальних покриттів для проводів і в трубах, які розробляються спеціально для витоків і тестуються в екстремальних умовах.

Це довів ще вчений Екерт, який досліджували ЕРС та трансформаторні установки.

Принципи вихрових струмів

Котушка з мідного дроту є найпоширенішим методом для відтворення індукції вихрових струмів. Змінний струм, що проходить через котушку, створює магнітне поле всередині та навколо котушки. Магнітні поля утворюють лінії навколо дроту і з'єднуються, утворюючи більші петлі. Якщо струм збільшується в одній петлі, магнітне поле буде розширюватися через деякі або всі петель дроту, які знаходяться в безпосередній близькості. Це наводить напругу в сусідніх петлях гістерезис, і викликає потік електронів або вихрові струми в електропровідному матеріалі. Будь-який дефект у матеріалі, включаючи зміни в товщині стінки, тріщин та інших розривів, може змінити потік вихрових струмів.

Закон Ома

Закон Ома є однією з основних формул визначення електричного потоку. Напруга, поділена на опір, Ом, визначає електричний струм, в амперах. Потрібно пам'ятати, що формули для розрахунку струмів не існує, необхідно скористатися прикладами розрахунку магнітного поля.

Індуктивність

Змінний струм, що проходить через котушку, створює магнітне поле всередині та навколо котушки. Зі збільшенням струму, котушка індукує циркуляцію (вихрових) потоків у провідному матеріалі, розташованому поруч із котушкою. Амплітуда та фаза вихрових струмів змінюватиметься залежно від завантаження котушки та її опору. Якщо поверхня або під поверхнею виникне розрив у електропровідному матеріалі, потік вихрових струмів буде перерваний. Для його налагодження та контролю існують спеціальні прилади з різною частотоюканалів.

Магнітні поля

На фото показано, як електричні вихрові струми утворюють магнітне поле в котушці. Котушки, у свою чергу, утворюють вихрові струми в електропровідному матеріалі, а також створюють власні магнітні поля.

Дефектоскопія

Зміна напруги на котушці впливатиме на матеріал, сканування та дослідження вихрових струмів дозволяє проводити прилад для вимірювання поверхневих та підповерхневих розривів. Декілька факторів впливатимуть на те, які недоліки можуть бути виявлені:

1. Провідність матеріалу значно впливає на шляху проходження вихрових струмів;
2. Проникність провідного матеріалу також має величезний вплив через його здатність бути намагніченим. Плоска поверхнянабагато легше сканувати, ніж нерівну.
3. Глибина проникнення має дуже велике значенняу контролі вихрострумів. Поверхня тріщини набагато легше виявити, ніж субповерхневого дефекту.
4. Це саме стосується й площі поверхні. Чим менше площа- Тим швидше відбувається утворення вихрових струмів.

Виявлення контуру дефектоскопом

Існують сотні стандартних та спеціальних зондів, які виробляються для конкретних типівповерхонь та контурів. Краї, канавки, контури, і товщина металу роблять свій внесок у успіх чи провал випробувань. Котушка, яка розташована занадто близько до поверхні провідного матеріалу буде мати найкращі шансивиявлення розривів. Для складних контурів котушка вставляється в спеціальний блок і прикріплюється до арматури, що дозволяє пройти струм через неї та проконтролювати його стан. Багато пристроїв вимагають спеціальних формованих виробів зонда та котушки, щоб пристосуватися до неправильній формідеталей. Котушка також може мати спеціальну (універсальну) форму, щоб відповідати конструкції деталі.

Зменшуємо вихрові струми

Для того, щоб зменшити вихрові струми котушок індуктивності, потрібно збільшити опір у цих механізмах. Зокрема рекомендується використовувати лицендрат та ізольовані дроти.

Токи Фуко(на честь Фуко, Жан Бернар Леон) - це вихрові замкнуті електричні струми в масивному провіднику, які виникають при зміні магнітного потоку, що пронизує його. Вихрові струми є індукційними струмами і утворюються в провідному тілі 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.

На відміну від електричного струму в дротах, що точиться по точно визначених шляхах, Вихрові струми замикаються безпосередньо в провідній масі, утворюючи вихроподібні контури. Ці контури струму взаємодіють з магнітним потоком, що їх породив. Згідно з правилом Ленца, магнітне поле вихрових струмів спрямоване так, щоб протидіяти зміні магнітного потоку, що індукує ці вихрові струми.

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

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 струмипризводять 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 числомконтурів 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. Явище 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) в магнітопроводах (у сердечниках трансформаторів і котушок змінного струму, магнітних ланцюгахмашин).

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 в 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 лежить в основі різних типівнасосів для перекачування розплавленого металу

Вихрові струми виникають і в самому провіднику, яким тече змінний струм, що 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.

Вихрові струми застосовуються для паяння, плавки та поверхневого гарту металів, а їх силова дія використовується в заспокійниках коливань рухомих частин приладів та апаратів, в індукційних гальмах (в яких масивний металевий диск обертається в полі електромагнітів) тощо.

Застосування струмів Фуко

Корисне застосування вихрові струми знайшли у пристрої магнітного гальма диска електричного лічильника. Повертаючись, диск перетинає магнітні силові лінії постійного магніту. У площині диска виникають вихрові струми, які, своєю чергою, створюють свої магнітні потокиу вигляді трубочок навколо вихрового струму. Взаємодіючи з основним полем магніту ці потоки гальмують диск.

У ряді випадків, застосовуючи вихрові струми, можна використовувати технологічні операції, які неможливо застосувати без струмів високої частоти. Наприклад, при виготовленні вакуумних приладів та пристроїв з балона необхідно ретельно відкачати повітря та інші гази. Однак у металевій арматурі, що знаходиться всередині балона, є залишки газу, які можна видалити тільки після заварювання балона. Для повного знегажування арматури вакуумний прилад поміщають у поле високочастотного генератора, в результаті дії вихрових струмів арматура нагрівається до сотень градусів, залишки газу нейтралізуються при цьому.

Вихрові струми знаходять корисне застосуваннятакож при індукційній плавці металів і поверхневому загартування струмами високої частоти.