Токи фуко и их польза

Электрическое поле окружает человека повсеместно, как в производственных процессах, так и в повседневной жизни. Большинство людей даже не подразумевают, что в процессе своей жизнедеятельности сталкиваются с таким явлением, как вихревые токи. Эти токи могут оказывать как положительное, так и негативное влияние на жизнь человека, и нет однозначного ответа: больше от них пользы или вреда.

Так, благодаря данному явлению функционируют индукционные электрические плиты и печи, либо свет включается при нажатии на кнопку. Но в тоже время под воздействием этих потоков теряется энергия в катушках и проводнике, и для ее сохранения приходится применять дополнительные технологические действия. Например, данная технология применима в трансформаторах. Его сердцевина (сердечник) состоит из большого количества мелких и плоских шихтовых пластин, которые прочно соединены друг с другом при помощи лака. Очень часто сердечник дополнительно обтянут шпилькой, основное предназначение которой снизить вихревые токи. В современном мире этот феномен стали называть токи Фуко.

История открытия

Первое понятие о вихревых потоках было упомянуто в 1824 году физиком французского происхождения Д.Ф. Арго (1786-1853), который проводил ряд экспериментов с намагниченной стрелкой, крутящейся над диском из меди. В определенный момент он заметил, что без какого-либо дополнительного воздействия диск начинал крутиться вместе со стрелкой. Точного объяснения данного феномена физик дать не смог, но оно получило наименование «явление Арго».

Спустя некоторое время, Максвелл Фарадей, рассматривавший вихревые токи с точки зрения постулата, основанного на знаниях об электромагнитной индукции, который он же и открыл, сделал заключение, что электрическое поле, исходящее от вращающейся стрелки, оказывает прямое воздействие на атомное строение диска из меди, что и способствует образованию направленного движения заряженных частиц. Электроток способствует образованию электромагнитного поля вокруг медного диска.

Более тщательно изучил, а также подробно описал в своих работах вихревые токи французский физик Жанн Фуко (1819-1868), впоследствии данное действие было названо в честь него и получило название актуальное в сегодняшние дни – токи Фуко. Эти токи схожи с индукционными токами, вырабатываемыми электрогенераторами. При наличии постоянного или временного магнитно-вихревого поля в непосредственной близости от проводника обязательно образуются токи Фуко: чем объемнее проводник, тем сильнее будет сила потоков тока.

Мощность вихревых токов

Периодические и непостоянные токи появляются в проводниках только в том случае, когда магнитное поле не одинаково и попеременно меняется в зависимости от силы вращения. Соответственно, сила вихревого потока прямо пропорционально связана с изменением магнитного поля вокруг проводника.

Токи Фуко функционируют немного по другому принципу. Они находятся непосредственно в самом проводнике, образуя замкнутые очертания, напрямую взаимодействуя с магнитным полем, послужившим их появлению. Изучая вихревые токи, русский физик Эмилий Христианович Ленц (1804-1865) пришел к выводу, что магнитное поле вихревых потоков не дает измениться магнитному полю, благодаря которому они зародились. Сила индукционного тока и вихревого потока движется по одному векторному направлению.

Варианты уменьшения силы вихревых потоков

Для увеличения КПД различных технических приборов требуется существенное уменьшение вихревых токов. Для этого требуется увеличение электрического сопротивления магнитопровода. Способ уменьшения вредного воздействия  токов Фуко зависит напрямую от типа электрического оборудования.

Якорные сердечники машин с постоянным током и магнитные провода устройств с переменным током в процессе сборки тщательным образом изолируются друг от друга при помощи специальных пластин из штампованной листовой электротехнической стали, толщина которых может варьироваться от 0,1 до 0,5 мм, и «запекаются» специальными лаками или окалиной. Пластины при этом должны быть расположены параллельно магнитным потокам.

В процессе литья деталей сердечника в его состав добавляются специальные компоненты, к примеру, кремний, увеличивающие силу его электрического сопротивления.

В другом случае при сборке сердечников применяются куски железной проволоки, прошедшие специальную тепловую обработку, которые располагаются строго параллельно магнитному полю. Также дополнительно могут быть использованы специальные изолирующие прокладки.

При такой сборке сердечника сила вихревых потоков существенно снижается, а КПД увеличивается.

В магнитных проводах устройств с высокой частотой работы для снижения силы вихревого потока провода тщательно изолируются друг от друга и располагаются в виде спирали (жгута), каждый из которых покрыт специальным изолирующим материалом. Такой метод изоляции получил название – лицендрат. Его применяют на сегодняшний день для снижения потоков Фуко.

В процессе передачи электрической энергии на дальние расстояния применяется особый многожильный кабель, где каждая жила изолирована отдельно, это существенно уменьшает потери электроэнергии, тем самым увеличивая производительность.

Применение токов Фуко

Многие ученные разных времен считали и считают, что негативного воздействия от вихревых потоков куда больше, чем позитивного. Но тем не менее, человечество научилось применять токи Фуко во благо в различных областях жизнедеятельности.

Наиболее широкое применение они получили в промышленной и машиностроительной сферах. Так, на основе этого явления удалось создать насос для перекачки и закалки расплавленных металлов, а в металлургической и промышленной отраслях используются индукционные печи, которые в несколько раз превосходят аналогичные системы, работающие по другому принципу. Плавление и закалка различных металлов возможны только с применением этого явления. Вихревые потоки способствуют торможению и снижению скорости вращения металлических дисков в индукционных тормозах, без этого бы просто не функционировали скоростные поезда на магнитных подвесках. Также без вихревых потоков Фуко не обходятся современные вычислительные приборы и аппараты, вакуумные устройства, где необходима полная откачка воздуха и других газов, принцип работы современных трансформаторов возможен только благодаря применению в их конструкции вихревых потоков. Более того, оборудование, работающее на основе токов Фуко, обладает существенной экономичностью и хорошей производительностью.

Таким образом, такое действие, как токи Фуко, – полезное, легко объяснимое и довольно понятное явление на сегодняшний день, представляет собой вихревые потоки, которые возникают под воздействием электромагнитной индукции в металлическом, а также любом другом проводнике. Вихревые токи Фуко многие ученые современности относят к удивительным явлениям в электротехнике, которые современное общество научилось использовать с пользой для себя, при необходимости доводя их до нужной мощности, уменьшая при надобности и направляя полученную энергию в правильное русло. Жанн Фуко был умным и одаренным человеком, который, помимо объяснения феномена вихревых потоков, сделал немало других важных  открытий, одним из них является нагревание металлических объектов, вертящихся в магнитном потоке благодаря воздействию вихревого тока. Он первым дал вразумительное и достаточно понятное объяснения данного факта.

Видео

Определение 1

Токами Фуко или же вихревыми токами называют обладающие индукционной природой токи, которые возникают в массивных проводниках, находящихся в переменном магнитном поле.

Замкнутые цепи вихревых токов зарождаются в глубине самого проводника. Значение электросопротивления массивного проводника представляет из себя довольно малую величину, соответственно, токи Фуко могут приобретать большие значения. Форма и свойства материала проводника, направление переменного магнитного поля и скорость изменения магнитного потока являются величинами, от которых зависит сила вихревых токов. Распределение токов Фуко в проводнике может быть крайне сложным. Количество тепла, которое излучается за 1с токами Фуко пропорционально квадрату частоты изменения магнитного поля. Исходя из закона Ленца, можно заявить, что токи Фуко протекают по таким направлениям, чтобы своим воздействием устранить вызывающую их причину. Таким образом, если проводник находится в движении в области магнитного поля, то он должен быть подвержен вызванному взаимодействием токов Фуко и магнитного поля сильному торможению.

Пример 1

Рассмотрим в качестве примера ситуацию с возникновением оков Фуко. Медный диск диаметром 5 см и толщиной 6мм падает в узком зазоре между полюсами электромагнита. Если электромагнит отключен, диск с высокой скоростью падает. Включим электромагнит. Поле должно быть довольно большим, около Т0,5 Тл. Падение диска замедлится и будет похоже на движение в крайне вязкой среде.

Использование токов Фуко

Токи Фуко занимают важное место в процессе работы приводящегося в движение вращательного типа магнитным полем ротора асинхронного двигателя. Без них функционирование двигателя попросту будет невозможным. Токи Фуко применяют при демпфировании подвижных частей гальванометров, сейсмографов и целого списка иных устройств. Так, на подвижную часть прибора устанавливается пластинка – проводник в виде сектора. Ее вводят в промежуток между полюсами сильного постоянного магнита. При движении пластинки, в ней возникают токи Фуко, что провоцирует торможение системы. Стоит учитывать, что торможение проявляется только в случае движения секторообразного проводника. Соответственно, успокаивающий прибор такого рода не препятствует точному достижению системы состояния равновесия.

Теплота, излучающаяся токами Фуко, применяется в процессах нагрева. Таким образом, плавка металлов, в которой используются токи Фуко, является более выгодной, чем плавка при помощи иных методов разогрева. Индукционная печь, использующая такой метод, представляет собой катушку, по которой протекает ток высокой частоты и большой силы. Внутри катушки распологают проводящее тело, в котором возникают разогревающие вещество до состояния плавления вихревые токи большой интенсивности. Так происходит плавление металлов в условиях вакуума, позволяющее получать материалы высокой чистоты. При применении токов Фуко с целью обезгаживания производят прогрев внутренних металлических элементов вакуумных конструкций.

Проблемы, которые вызывают вихревые токи. Скин – эффект

Токи Фуко не всегда представляют собой полезное явление.

Определение 2

Вихревые токи – это токи проводимости, из-за чего они рассеивают часть энергии в виде джоулевой теплоты.

Такая энергия, к примеру, в роторе асинхронного двигателя, обычно изготавливаемого из ферромагнетиков, разогревает сердечники, чем ухудшает их характеристики. Чтобы избежать данного явления, сердечники производят в виде тонких пластин, которые отделяются тонкими слоями изолятора. Пластины устанавливают таким образом, чтобы токи Фуко были направлены поперек них. В случае малой толщины пластин вихревые токи обладают небольшой объемной плотностью. С появлением ферритов и веществ с большим магнитосопротивлением появилась возможность изготавливать сердечники сплошными.

Определение 3

Вихревые токи наводятся в проводниках, в которых протекают переменные токи. Причем токи Фуко всегда направлены таким образом, что ослабляют ток внутри провода и усиливают его около поверхности. Соответственно, изменяющийся с высокой частотой ток распределен по сечению провода неравномерно. Данное явление называется скин – эффектом (поверхностным эффектом).

По причине такого явления внутренняя часть проводника становится бесполезной и в цепях с большой частотой в качестве проводников применяют трубки. Скин – эффект может быть использован для разогрева поверхностного слоя металла, что позволяет применять данное явление в процессе закалки металла. Также стоит отметить, что, изменяя частоту поля, можно производить закалку на любой необходимой глубине.

Определение 4

Где эффективная глубина проникновения переменного тока (δ) (расстояние от поверхности проводника, на котором плотность тока ослабевает в e=2,7 раз в сравнении с плотностью на его поверхности) равна:

μ – относительная магнитная проницаемость, μ0 – магнитная постоянная, σ – удельная электропроводность проводника для постоянного тока. Чем толще проводник, тем существеннее
скин – эффект, тем меньше величины w и σ, при которых его следует учесть.

Примеры решения задач

Пример 2

Пример 3

Пример 4