Что такое вихревые токи и почему их еще называют токами Фуко? Причины возникновения данного явления и способы применения.
В электричестве есть целый ряд явлений, которые нужно знать специалистам. Хоть и не вся информация может пригодиться в повседневной практике, но иногда поможет понять причину какой либо проблемы. Вихревые токи послужили причиной становления некоторых технологических ухищрений при изготовлении электрических машин и даже стали основой для принципа работы некоторых изобретений. Давайте разберемся, что такое вихревые токи Фуко и как они возникают. Содержание:
Краткое определение
Вихревые токи — это токи, которые протекают в проводниках под воздействием на них переменного магнитного поля. Не обязательно поле должно изменяться, может и тело двигаться в магнитном поле, все равно в нем начнёт течь ток.
Нельзя найти реальную траекторию движения токов для их учёта, ток протекает там, где находит путь с наименьшим сопротивлением. Вихревые токи всегда протекают по замкнутому контуру. Основные условия для его возникновения — нахождение предмета в переменном магнитном поле или его перемещение относительно поля.
История открытия
В 1824 году учёный Д.Ф. Араго проводил эксперимент. Он на одной оси смонтировал медный диск, над ним расположил магнитную стрелку. При вращении магнитной стрелки диск начинал двигаться. Так впервые наблюдали явление вихревых токов. Диск начинал вращаться из-за того, что из-за протекания токов появлялось магнитное поле, которое взаимодействовало со стрелкой. Это назвали, тогда как явление Араго.
Спустя пару лет М. Фарадей, открывший закон электромагнитной индукции, объяснял это явление таким образом: подвижное магнитное поле наводит в диске ток (как в замкнутом контуре) и он взаимодействует с полем стрелки.
Почему второе название — это токи Фуко? Потому что физик Фуко подробно исследовал явление вихревых токов. В ходе своих исследований он сделал великое открытие. Оно заключалось в том, что тела под воздействием вихревых токов нагреваются. С теорией разобрались, теперь мы расскажем о том, где применяются токи Фуко и какие вызывают проблемы.
На видео ниже предоставлено более подробное определение данного явления:
Вред от вихревых токов
Если вы рассматривали конструкцию сетевого трансформатора 50 Гц, наверняка обратили внимание, что его сердечник набран из тонких листов, хотя может показаться что проще было сделать цельную литую конструкцию.
Дело в том, что так борются с вихревыми токами. Фуко установил нагрев тел, в которых они протекают. Так как работа трансформатора и основана на принципах взаимодействия переменных магнитных полей, то вихревые токи неизбежны.
Любой нагрев тел – это выделение энергии в виде тепла. В таком случае будут возникать потери в сердечнике. Чем это опасно? В электроустановке сильный нагрев приводит к разрушению изоляции обмоток и выходу из строя машины. Вихревые токи зависят от магнитных свойств сердечника.
Как снизить потери
Потери энергии в магнитопроводе не приносят пользы, тогда как с ними бороться? Чтобы снизить их величину сердечник набирают из тонких пластин электротехнической стали — это своеобразные меры профилактики для снижения паразитных токов. Такие потери описывает формула, по которой можно произвести расчет:
Как известно: чем меньше сечение проводника, тем больше его сопротивление, а чем больше его сопротивление, тем меньше ток. Пластины изолируют друг от друга окалиной или слоем лака. Сердечники крупных трансформаторов стягиваются изолированной шпилькой. Так снижают потери сердечника, т.е. это и есть основные способы уменьшения токов Фуко.
Какие последствия от влияния этого явления? Магнитное поле, возникающее из-за протекания токов Фуко ослабляет поле, из-за которого они возникли. То есть вихревые токи уменьшают силу электромагнитов. То же самое касается и конструкции деталей электродвигателей и генератора: ротора и статора.
Применение на практике
Теперь о полезных сферах применения токов Фуко. Огромный вклад был внесен в металлургию изобретением индукционных сталеплавильных печей. Они устроены таким образом, что расплавляемую массу металла помещают внутри катушки, через которую протекает ток высокой частоты. Его магнитное поле наводит большие токи внутри металла до его полного плавления.
Примечание автора! Развитие индукционных печей значительно повысило экологичность производства металла и изменило представление о методах плавки. Я работаю на металлургическом комбинате, где десять лет назад запустили новый высокотехнологичный цех с такими установками, а спустя несколько лет после освоения нового оборудования был закрыт классический мартен. Это говорит о продуктивности такого способа нагрева металлов. Также используются вихревые токи для поверхностной закалки металла.
Наглядное применение на практике:
Кроме металлургии они используются на производстве электровакуумных приборов. Проблемой является полное удаление газов перед герметизацией колбы. С помощью токов Фуко электроды лампы разогревают до высоких температур, таким способом деактивируя газ.
В быту вы можете встретить кухонные индукционные плиты, на которых готовят пищу, благодаря как раз применению данного явления. Как видите, вихревые токи имеют свои плюсы и минусы.
Токи Фуко несут и пользу, и вред. В некоторых случаях их влияние влечёт за собой не электрические проблемы. Например, трубопровод, проложенный около кабельных линий, быстрее сгнивает без видимых сторонних причин. В то же время устройства индукционного нагрева довольно показали себя с хорошей стороны, тем более такой прибор для бытового использования можно собрать самому. Надеемся, теперь вы знаете, что такое вихревые токи Фуко, а также какое применение нашлось им на производстве и в быту.
Материалы по теме:
- Как сделать индукционный котел своими руками
- Зависимость сопротивления проводника от температуры
- Правило буравчика простыми словами
Нравится
0)Не нравится
0)применение в промышленности — Asutpp
Детали из металла у автомобиля или разнообразных электрических устройствах, имеют способность двигаться в магнитном поле и пересекаться с силовыми линиями. Благодаря этому образовывается самоиндукция. Предлагаем рассмотреть аномальные вихревые токи фуко, потоки воздуха, их определение, применение, влияние и как уменьшить потери на вихревые токи в трансформаторе.
Из закона Фарадея следует, что изменение магнитного потока производит индуцированное электрическое поле даже в пустом пространстве.
Если металлическая пластина вставляется в это пространство, индуцированное электрическое поле приводит к появлению электрического тока в металле. Эти индуцированные токи называются вихревые токи.
Фото: Вихревые токиТоки Фуко – это потоки, индукция которых проводится в проводящих частях разнообразных электрических приборах и машинах, блуждающие токи Фуко особенно опасны для пропуска воды или газов, т.к. их направление невозможно контролировать в принципе.
Если индуцированные встречные токи создаются изменяющимся магнитным полем, то токи вихревые будут перпендикулярны к магнитному полю, и их движение будет производиться по кругу, если данное поле однородно. Эти индуцированные электрические поля очень сильно отличаются от электростатических электрических полей точечных зарядов.
Практическое применение вихревых токов
Вихревые токи полезны в промышленности для рассеивания нежелательной энергии, например у поворотного кронштейна механического баланса, особенно если сила тока очень высокая. Магнит в конце опоры настраивает вихревые токи в металлической пластине, прикрепленной к концу кронштейна, скажем, ansys.
Схема: вихревые токиВихревые потоки, как учит физика, могут быть также использованы в качестве эффективного тормозного усилия в двигателях транзитного поезда. Электромагнитные приспособления и механизмы на поезде около рельсов специально настроены для создания вихревых токов. Благодаря движению тока, получается плавный спуск системы и поезд останавливается.
Закрученные токи вредны в измерительных трансформаторах и для человека. Металлический сердечник используется в трансформаторе, чтобы увеличить поток. К сожалению, вихревые токи, полученные в якоре или сердечнике, могут увеличить потери энергии. Построив металлическую сердцевину чередующихся слоев из проводящих и не проводящих энергию, материалов, размер индуцированных петель уменьшается, таким образом, уменьшая потери энергии. Шум, который производит трансформатор при работе, является следствием именно такого конструктивного решения.
Видео: вихревые токи Фуко
Еще один интересный использования вихревой волны – применение их в электросчетчиках или медицине. В нижней части каждого счетчика расположен тонкий алюминиевый диск, который всегда вращается. Это диск движется в магнитном поле, так что там всегда есть вихревых токи, цель которых замедлить движения диска. Благодаря этому датчик работает точно и без перепадов.
Вихри и скин-эффект
В том случае, когда возникают очень сильные вихревые токи (при высокочастотном токе), в телах плотность тока становится значительно меньше, чем на их поверхностях. Это так называемый скин эффект, его методы используются для создания специальных покрытий для проводов и в трубах, которые разрабатываются специально для вихре-токов и тестируются в экстремальных условиях.
Это доказал еще ученый Эккерт, который исследовали ЭДС и трансформаторные установки.
Схема индукционного нагреваПринципы вихревых токов
Катушка из медной проволоки является распространенным методом для воспроизведения индукции вихревых токов. Переменный ток, проходящий через катушку, создает магнитное поле внутри и вокруг катушки. Магнитные поля образуют линии вокруг провода и соединяются, образуя более крупные петли. Если ток увеличивается в одной петле, магнитное поле будет расширяться через некоторые или все из петель проволоки, которые находятся в непосредственной близости. Это наводит напряжение в соседних петлях гистерезис, и вызывает поток электронов или вихревые токи, в электропроводящем материале. Любой дефект в материале, включая изменения в толщине стенки, трещин, и прочих разрывов, может изменить поток вихревых токов.
Закон Ома
Закон Ома является одним из самых основных формул для определения электрического потока. Напряжение, деленное на сопротивление, Ом, определяет электрический ток, в амперах. Нужно помнить, что формулы для расчета токов не существует, необходимо пользоваться примерами расчета магнитного поля.
Индуктивность
Переменный ток, проходящий через катушку, создает магнитное поле внутри и вокруг катушки. С увеличением тока, катушка индуцирует циркуляцию (вихревых) потоков в проводящем материале, расположенном рядом с катушкой. Амплитуда и фаза вихревых токов будет меняться в зависимости от загрузки катушки и ее сопротивления. Если поверхность или под поверхностью возникнет разрыв в электропроводном материале, поток вихревых токов будет прерван. Для его налаживания и контроля существуют специальные приборы с разной частотой каналов.
Магнитные поля
На фото показано, как вихревые электрические токи образуют магнитное поле в катушке. Катушки, в свою очередь, образуют вихревые токи в электропроводном материале, а также создавают свои собственные магнитные поля.
Магнитное поле вихревых токовДефектоскопия
Изменение напряжения на катушке будет влиять на материал, сканирование и исследование вихревых токов позволяет производить прибор для измерения поверхностных и подповерхностных разрывов. Несколько факторов будут влиять на то, какие недостатки могут быть обнаружены:
- Проводимость материала оказывает значительное воздействие на пути следования вихревых токов;
- Проницаемость проводящего материала также имеет огромное влияние из-за его способности быть намагниченным. Плоскую поверхность гораздо легче сканировать, чем неровную.
- Глубина проникновения имеет очень большое значение в контроле вихретоков. Поверхность трещины гораздо легче обнаружить, чем суб-поверхностного дефекта.
- Это же касается и площади поверхности. Чем меньше площадь – тем быстрее происходит образование вихревых токов.
Обнаружение контура дефектоскопом
Существуют сотни стандартных и специальных зондов, которые производятся для конкретных типов поверхностей и контуров. Края, канавки, контуры, и толщина металла вносят свой вклад в успех или провал испытаний. Катушка, которая расположена слишком близко к поверхности проводящего материала будет иметь наилучшие шансы на обнаружение разрывов. Для сложных контуров катушка вставляется в специальной блок и прикрепляется к арматуре, что позволяет пройти ток через неё и проконтролировать его состояние. Многие устройства требуют специальных формованных изделий зонда и катушки, чтобы приспособиться к неправильной форме детали. Катушка также может иметь специальную (универсальную) форму, чтобы соответствовать конструкции детали.
Уменьшаем вихревые токи
Для того чтобы уменьшить вихревые токи катушек индуктивности нужно увеличить сопротивление в этих механизмах. В частности рекомендуется использовать лицендрат и изолированные провода.
Токи Фуко, теория и онлайн калькуляторы
Токи индукции в массивных проводниках
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
ОпределениеТоками 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
их применение, определение в трансформаторе
Каждый человек, который изучает электродинамику и другие разделы науки об электричестве, сталкивается с таким понятием, как вихревые токи. Что это такое, какие есть свойства вихревых токов, как определить их в трансформаторе? Об этом и другом далее.
Суть явления
Вихревые или токи фуко — это те, которые протекают из-за воздействия переменного магнитного поля. При этом изменяется не само поле, а проводниковое положение данного поля. То есть если будет происходить проводниковое перемещение статичного поля, то в нем все равно будет образовываться энергия.
Токи ФукоФуко возникают там, где изменяется переменное магнитное поля и фактически они ничем не отличаются от энергии, идущей по проводам, или вторичных электрических трансформаторных обмотков.
Определение из учебного пособияСвойства вихревых токов
Стоит отметить, что вихревая энергия не отличается от индукционной проводной. По направлению и силе Фуко зависит от металлического проводникового элемента, от того, в каком направлении идет переменный магнитный поток, какие имеет свойства металл и как изменяется магнитный поток. При этом токовое распределение очень сложное.
В проводниковых объектах, имеющих габаритные объемы, токи бывают большими, из-за чего значительно повышается температура тела.
Токовая энергия способна создавать нагревание проводника для индукционной печи и металлического плавления. Подобно другим индукционным разновидностям, Фуко взаимодействуют с первичным магнитным полем и тормозят индуктивное движение.
Нагревание как одно из свойствПолезное и вредное действие
Имеют токи фуко полезное и вредное действие. Они нагревают и плавят металлы в области вакуума и демпфера, но в то же время происходят энергопотери в области трансформаторных сердечников и генераторов из-за того, что выделяется большое количество тепла.
Полезное действие индукционных токовКак определить в трансформаторе
Узнать, где находятся вихревые токи в трансформаторе, несложно. Как правило, они располагаются в трансформаторных сердечниках. Когда замыкаются в сердечниках, то нагревают их и создают энергию. Поскольку появляются в плоскостях, которые перпендикулярны магнитному потоку по характеристике, происходит трансформаторное уменьшение сердечников.
Обратите внимание! Для их измерения используются изолированные стальные пластины.
Определение в трансформатореПрименение
Нашли вихревые токи применение в электромагнитной индукции. Они используются для того, чтобы тормозить вращающиеся массивные детали. Благодаря магнитоиндукционному торможению они также применяются, чтобы успокоить подвижные части электроизмерительных приборов, в частности, чтобы создать противодействующий момент и притормозить подвижную часть электросчетчиков.
Также используются они в магнитном тормозном диске на электрическом счетчике. В ряде случаев применяются в технологических операциях, которые невозможны без применения высоких частот. К примеру, при откачке воздуха из вакуумных приборов и баллонов с газом. Кроме того, они нужны, чтобы полностью обезгаживать арматуру в высокочастотном генераторе.
Применение в проводникахСпособы уменьшения блуждающих токов
Чтобы уменьшить блуждающие фуковые токи, нужно максимальным образом сделать увеличение сопротивления на токовом пути с помощью заполнения дистиллированной водой циркуляционной системы и встраивания изоляционных шлангов трубопроводов у теплового обменника и вентиля.
Стоит отметить, что нахождение их в электромашинах нежелательно из-за нагрева сердечников и создания энергопотери, поскольку по закону Леннца они размагничивают эти устройства. Чтобы уменьшить их вредное воздействие, используется несколько методов.
Так сердечники машин делают из стали и изолируют друг от друга при помощи лаковой пленки, окалины и прочих материалов. Благодаря этому они не распространяются. Кроме того, поперечный вид сечения на каждом отдельном проводнике уменьшает токовую силу.
В некоторых приборах в качестве сердечников используются катушки с отожженой железной проволокой. При этом полоски на них идут параллельно тем линиям, которые расположены на магнитном потоке.
Обратите внимание! Ограничение вихревой энергии происходит изолирующими прокладками, то есть жгуты состоят из отдельных жил, изолированных между собой.
Уменьшение токовой силыВозможные проблемы
Вихревые виды проводят энергию и рассеивают ее, выделяя джоулевую теплоту. Такая энергия ротора асинхронной двигательной установки готовится из фурромагнетиков и способствует нагреву сердечников.
Чтобы бороться с подобным явлением, сердечники создаются из тонкой стали, покрываются изоляцией и устанавливаются поперек пластин. Если пластины имеют небольшую толщину, они обладают малой объемной плотностью. Благодаря ферритам и веществам, имеющим большое магнитосопротивление, сердечники делаются сплошными. Направление их ослабляет энергию внутри провода.
В результате он неравномерный. Это явление скин-эффекта или поверхностного эффекта, из-за которого внутренний проводник бесполезен, и в цепях, где есть большая частота, используются проводниковые трубки.
Обратите внимание! Скин-эффект применяется для того, чтобы разогревать поверхностный металл для металлической закалки. При этом закалка может быть проведена на любой глубине.
Проблемы, вызванные индукционными токамиФуко являются индукционными токами, которые возникают в крупных проводниках сплошного типа. Обозначаются буквой ф. Они имеют свойство нагрева проводников. В результате чего они чаще используются в индукционного типа печах. Важно отметить, что способны генерировать магнитное поле. В этом механизм их работы. В некоторых случаях они полезны, в других нежелательны. В любом случае они используются во многих устройствах.
Вихревые токи — это… Что такое Вихревые токи?
Вихревые токи или токи Фуко́ (в честь Ж. Б. Л. Фуко) — вихревые индукционные токи, возникающие в проводниках при изменении пронизывающего их магнитного потока.
Впервые вихревые токи были обнаружены французским учёным Д.Ф Араго (1786—1853) в 1824 г. в медном диске, расположенном на оси под вращающейся магнитной стрелкой. За счёт вихревых токов диск приходил во вращение. Это явление, названное явлением Араго, было объяснено несколько лет спустя M. Фарадеем с позиций открытого им закона электромагнитной индукции: вращаемое магнитное поле наводит в медном диске токи (вихревые), которые взаимодействуют с магнитной стрелкой. Вихревые токи были подробно исследованы французским физиком Фуко (1819—1868) и названы его именем. Он открыл явление нагревания металлических тел, вращаемых в магнитном поле, вихревыми токами.
Токи Фуко возникают под воздействием переменного электромагнитного поля и по физической природе ничем не отличаются от индукционных токов, возникающих в линейных проводах. Они вихревые, то есть замкнуты в кольца. Электрическое сопротивление массивного проводника мало, поэтому токи Фуко достигают очень большой силы. В соответствии с правилом Ленца они выбирают внутри проводника такое направление и путь, чтобы противиться причине, вызывающей их. Поэтому движущиеся в сильном магнитном поле хорошие проводники испытывают сильное торможение, обусловленное взаимодействием токов Фуко с магнитным полем. Это свойство используется для демпфирования подвижных частей гальванометров, сейсмографов и др.
Тепловое действие токов Фуко используется в индукционных печах — в катушку, питаемую высокочастотным генератором большой мощности, помещают проводящее тело, в нем возникают вихревые токи, разогревающие его до плавления.
С помощью токов Фуко осуществляется прогрев металлических частей вакуумных установок для их дегазации.
Во многих случаях токи Фуко могут быть нежелательными. Для борьбы с ними принимаются специальные меры: с целью предотвращения потерь энергии на нагревание сердечников трансформаторов, эти сердечники набирают из тонких пластин, разделённых изолирующими прослойками. Появление ферритов сделало возможным изготовление этих проводников сплошными.
Литература
- Сивухин Д. В.: Общий курс физики, том 3. Электричество. 1977
- Савельев И. В.: Курс общей физики, том 2. Электричество. 1970
- Неразрушающий контроль: справочник: В 7т. Под общ. ред. В. В. Клюева. Т. 2: В 2 кн.-М.:Машиностроение, 2003.-688 с.: ил.
Ссылки
Про вихревые токив «Школе для электрика»
снижение потерь и мощность вихревых токов
Взаимодействие электромагнитного поля с проводниками образует вихревые токи. Это явление способно выполнять полезные и вредные функции. В определенных ситуациях энергия затрачивается попусту либо ухудшает работоспособность трансформаторов и линий электропередачи. Однако правильное применение базовых принципов данного эффекта позволяет бесконтактным образом исследовать состав материалов, решать другие практические задачи.
В индукционных варочных панелях токи Фуко разогревают посуду с экономичным потреблением электроэнергии
Открытие вихревых токов
По историческим данным, впервые это явление обнаружил в начале 19 века французский исследователь Д. Араго. Специалистам известен его наглядный опыт. Вращение намагниченной стрелкой приводит в движение тонкий диск из меди, расположенный на небольшом расстоянии сверху. Природу явления раскрыл М. Фарадей, объяснивший представленный простой пример перемещения взаимодействием поля и образованных в проводнике токов. Они получили специфическое название по фамилии ученого. Фуко обнаружил нагрев тел при достаточно сильном энергетическом потенциале источника переменного тока.
Природа вихревых токов
Образование ЭДС в проводниках при воздействии изменяющегося магнитного потока называют индукцией. На принципах этого явления функционируют электродвигатели, генераторы, катушки фильтров и колебательных контуров.
Что это такое токи Фуко, показано на рисунке
При определенном расположении источника переменного поля и проводника приходится учитывать отмеченные выше эффекты. При необходимости в контрольных точках можно измерить определенное напряжение. Важные особенности:
- с учетом неравномерного распределения электрической проводимости затруднено точное определение траектории токов;
- они будут возникать при перемещении пластины относительно постоянного магнита;
- линии образуют замкнутые контуры в толще образца;
- они расположены перпендикулярно вектору магнитного потока.
Практическое применение вихревых токов
Прохождение сильного тока повышает энергетический потенциал молекулярной решетки, что сопровождается нагревом. Это явление объясняет возможность использования соответствующей технологии для бесконтактного повышения температуры проводящих материалов. Если приводить пример с индукционной варочной панелью, можно подчеркнуть следующие плюсы:
- образование тепла в глубине дна посуды обеспечивает эффективный нагрев рабочей зоны;
- температура на поверхности панели не повышается чрезмерно;
- тепловое воздействие на продукты выполняется быстрее, по сравнению с аналогами (спиральные ТЭНы, газовые плиты).
Привести пример на основе опыта с вращением диска несложно. Этот же принцип реализован в конструкции электромеханического счетчика потребленной энергии. В данном случае вращение рабочего узла обеспечивается наведенными токами. Ускорение/ замедление соответствует изменению мощности в нагрузке.
При увеличении тока можно нагреть металлы (сплавы) до температуры плавления
При тщательном изучении тематических вопросов можно найти определенные минусы. Электромагнитный поток в цельном сердечнике трансформатора способен увеличить энергетические потери. По этой причине соответствующие детали создают из комплекта пластин, покрытых слоем диэлектрика. Эти элементы соединяют изолированным стержнем.
Вихри и скин-эффект
При определенном расположении рабочего тела и генератора электромагнитных волн токи на поверхности становятся сильнее, чем в глубине. Эту особенность (скин эффект) учитывают при создании специальных покрытий.
Принципы вихревых токов
Для детального изучения процессов можно рассмотреть действие полей при подключении к источнику типовой катушки индукции. Переменный ток в проводнике образует силовые линии поля. Напряженность создает разницу потенциалов в соседних петлях. Движение электронов формирует вихревые токи. Они движутся по траекториям наименьшего сопротивления, которое изменяется при наличии в изделиях примесей, трещин, полостей и других дефектов.
Закон Ома
Вихревые токи – это направленное движение электронов в проводнике. Поэтому рассматриваемые явления вполне могут быть описаны базовыми физическими формулами и определениями.
Сила тока рассчитывается по закону Ома:
I = (-1/R) * (dФ/dt), где:
- R – электрическое сопротивление;
- Ф – магнитный поток;
- dt – интервал времени.
Понятно, что для практических вычислений сложнее всего выяснить значение проводимости. Кроме отмеченных выше неравномерностей пути прохождения тока (различия проводника), траектория меняется под воздействием переменного поля.
Индуктивность
Следует подчеркнуть проницаемость проводника силовыми линиями электромагнитного поля. Такое воздействие при увеличении тока источника питания интенсифицирует вихревые эффекты в контрольном образце, установленном на небольшом расстоянии. Амплитуда наведенных токов и фаза определяются нагрузкой и проводимостью катушки индукции. Как и в предыдущем примере, разрывы и другие дефекты проводящего участка оказывают существенное влияние на рабочие электрические характеристики конструкции.
Магнитные поля
Зависимость от параметров материалов показана на рисунке. Цифрами отмечены:
- пара или диамагнетики;
- ферриты;
- железо.
Как будут возникать токи в разных образцах при равных общих условиях
Интересно. Взаимное воздействие оказывают магнитные поля, созданные катушкой и вихревыми процессами.
Дефектоскопия
Рассмотренные недостатки можно преобразовать в достоинства. По изменению вихревых токов определяют наличие дефектов при сканировании контрольных образцов. При создании измерительных приборов учитывают следующие факторы:
- проводимость определяет силу и путь прохождения токов;
- ровные поверхности исследовать проще;
- вихревые процессы активизируется при уменьшении рабочей области.
Обнаружение контура дефектоскопом
С учетом целевого назначения корректируют конструкцию и размещение датчиков. Как правило, катушку устанавливают ближе к месту измерения. Корректируют форму изделия для лучшего соответствия объекту обследования.
Уменьшение вихревых токов
Чтобы успешно бороться с негативными проявлениями вихревых эффектов в электроэнергетике и других областях, пользуются отмеченными особенностями. В частности, увеличивают сопротивление проводников добавлением кремниевых и других присадок. Наборы из пластин размещают параллельно вектору магнитного потока. Обеспечивают надежную изоляцию элементов конструкции.
Полезное и негативное воздействие
Почему явление может применяться для решения практических задач, показано выше на конкретных примерах. Однако следует помнить о потерях, которые способны провоцировать вихревые токи. Для исключения ошибок необходимо тщательно проверять конструкторский расчет. Обязательно нужно оценить степень влияния переменного магнитного поля на проводящие материалы.
Видео
Вихревые токи или токи Фуко́ (в честь Ж. Б. Л. Фуко) — вихревые индукционные токи, возникающие в проводниках при изменении пронизывающего их магнитного поля.
Впервые вихревые токи были обнаружены французским учёным Д. Ф. Араго (1786—1853) в 1824 г. в медном диске, расположенном на оси под вращающейся магнитной стрелкой. За счёт вихревых токов диск приходил во вращение. Это явление, названное явлением Араго, было объяснено несколько лет спустя M. Фарадеем с позиций открытого им закона электромагнитной индукции: вращаемое магнитное поле наводит в медном диске вихревые токи, которые взаимодействуют с магнитной стрелкой. Вихревые токи были подробно исследованы французским физиком Фуко (1819—1868) и названы его именем. Он открыл явление нагревания металлических тел, вращаемых в магнитном поле, вихревыми токами.
Токи Фуко возникают под воздействием переменного электромагнитного поля и по физической природе ничем не отличаются от индукционных токов, возникающих в линейных проводах. Они вихревые, то есть замкнуты в кольце.
В соответствии с правилом Ленца они выбирают внутри проводника такое направление и путь, чтобы противиться причине, вызывающей их. Поэтому движущиеся в сильном магнитном поле хорошие проводники испытывают сильное торможение, обусловленное взаимодействием токов Фуко с магнитным полем. Это свойство используется для демпфирования подвижных частей гальванометров, сейсмографов и т. п., а также в некоторых конструкциях поездов для торможения.
Тепловое действие токов Фуко используется в индукционных печах — в катушку, питаемую высокочастотным генератором большой мощности, помещают проводящее тело, в нём возникают вихревые токи, разогревающие его до плавления.
С помощью токов Фуко осуществляется прогрев металлических частей вакуумных установок для их дегазации.
Во многих случаях токи Фуко могут быть нежелательными. Для борьбы с ними принимаются специальные меры: с целью предотвращения потерь энергии на нагревание сердечников трансформаторов, эти сердечники набирают из тонких пластин, разделённых изолирующими прослойками. Появление ферритов сделало возможным изготовление этих сердечников сплошными.
Вихретоковый контроль — один из методов неразрушающего контроля изделий из токопроводящих материалов.
Потери энергии в электродвигатели
Если электродвигатель потребляет 10 А при 120 В, то мощность, потребляемая двигателем, будет: Р=10*120= 1200 Вт, или 1,2 кВт.
Однако нельзя сказать, что этот двигатель имеет полезную мощность 1,2 кВт. Полезная мощность двигателя, измеряемая на шкиве, на конце вала всегда меньше потребляемой мощности. Разность между потребляемой и полезной мощностью теряется внутри двигателя. Отношение полезной мощности к потребляемой мощности называется коэффициентом полезного действия(КПД) и обозначается греческой буквой ῃ (эта). Посмотрим, в каких же частях двигателя происходят потери энергии.
Если по проводнику протекает ток, то происходит затрата энергии, и проводник нагревается. По закону Джоуля-Ленца мощность, теряемая в обмотках двигателя, определяется по формуле
Pм = I 2*R (Вт).
Эти потери называются электрическими потерями или потерями в меди двигателя. Как видно из формулы, они пропорциональны квадрату тока и сопротивлению обмотки. Очевидно, что при холостом ходе двигателя эти потери малы и быстро растут при увеличении нагрузки.
Рис.2-11. Вихревые токи в якоре. а — в массивном якоре, б — в расслоенном якоре
При вращении якоря в магнитном поле будут наводиться ЭДС не только в проводниках обмотки, но и в стальном сердечнике якоря, так как якорь пересекает линии магнитного поля. На рис. 2-11,а показано, что под северным полюсом ЭДС направлена в одну сторону, а под южным — в другую. Поэтому внутри якоря появятся токи, которые называются вихревыми токами. Ввиду того, что якорь имеет малое сопротивление, вихревые токи могут достигнуть большой величины. Они будут бесполезно нагревать якорь. Для уменьшения потерь энергии от вихревых токов сердечник якоря собирается из тонких листов, изолированных один от другого слоем лака. На рис. 2-11,б показано, что при разделении длины якоря на тонкие слои вихревые токи значительно снижаются, так как ЭДС теперь наводятся на коротких участках. Другим средством снижения потерь от вихревых токов является увеличение сопротивления листов, из которых собирается якорь. Для этого в состав стали вводят добавку кремния от 1 до 3%.
Выделим на якоре продольную полоску и проследим ее путь при вращении якоря электродвигателя постоянного тока. Она будет пробегать то под северным, то под южным полюсом и каждый раз будет перемагничиваться. Как известно из физики, при перемагничивании имеют место потери энергии, называемые потерями от гистерезиса. Их можно уменьшить, применяя для якоря мягкую сталь с малым остаточным магнетизмом. Потери от вихревых токов и от гистерезиса называются потерями в стали якоря.
В сердечниках полюсов и в корпусе электродвигателя постоянного тока нет вихревых токов и не происходит перемагничивание, так как магнитное поле в неподвижных частях машины постоянного тока не меняется. Поэтому корпус можно сделать не из тонких листов, а из трубы.
При прохождении тока через контакт между щетками и коллектором происходит падение напряжения около 2 вольт. Если умножить падение напряжения на ток якоря, то получим потери в контакте между щетками и коллектором.
Механические потери затрачиваются на трение в подшипниках, трение щеток о коллектор и трение якоря о воздух. В микродвигателях при большой скорости вращения механические потери могут быть значительными.
Когда переменное магнитное поле прикладывается к магнитному материалу, в самом материале индуцируется эдс в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея. Поскольку магнитный материал является проводящим материалом, эти ЭДС циркулируют ток внутри тела материала.
Эти циркулирующие токи называются вихревыми токами. Они будут происходить, когда проводник испытывает изменение магнитного поля.
Поскольку эти токи не несут ответственности за выполнение какой-либо полезной работы, они создают потери (I 2 R R) в магнитном материале, известном как Вихревые потери . Подобно потере гистерезиса, потеря вихревых токов также увеличивает температуру магнитного материала.
Гистерезис и потери на вихревые токи в магнитном материале также известны под названием потерь в железе или потерь в сердечнике или магнитных потерь .
Вид в разрезе магнитопровода показан на рисунке выше.Когда изменяющийся поток связывается с самим сердечником, он индуцирует в сердечнике ЭДС, которая, в свою очередь, устанавливает циркулирующий ток, называемый Вихревой ток . И этот ток в свою очередь вызывает потери, называемые потерями на вихревые токи или потерями (I 2 R), , где I — значение тока, а R — сопротивление пути вихревых токов.
Если сердечник состоит из твердого железа с большей площадью поперечного сечения, величина I будет очень большой и, следовательно, потери будут высокими.Для уменьшения потерь на вихревые токи в основном есть два метода.
- За счет уменьшения величины вихревого тока.
Величину тока можно уменьшить, разбив твердый сердечник на тонкие листы, называемые расслоениями, в плоскости, параллельной магнитному полю. Каждая ламинация изолирована от другой тонким слоем покрытия лака или оксидной пленки.
Благодаря ламинированию сердечника площадь каждой секции уменьшается, и, следовательно, индуцированная ЭДС также уменьшается.Поскольку площадь, через которую пропускается ток, меньше, сопротивление пути вихревых токов увеличивается.
Применение вихревых токов
Как вы знаете, под воздействием вихревых токов выделяемое тепло не используется для какой-либо полезной работы, поскольку они являются основным источником потерь энергии в машинах переменного тока, таких как трансформаторы, генераторы и двигатели. Таким образом, это известно как потеря вихревых токов. Тем не менее, есть некоторые применения этого вихревого тока, как в индукционном нагреве.
- В случае индукционного нагрева железный вал помещается в качестве сердечника индукционной катушки. Большое количество тепла вырабатывается на внешней части вала вихревым током, когда высокочастотный ток проходит через катушку.
В центре вала количество тепла уменьшается. Это связано с тем, что внешняя периферия вала предлагает путь с низким сопротивлением для вихревых токов. Этот процесс используется в автомобилях для поверхностного упрочнения тяжелых валов. - Эффект вихревого тока также используется в электрических приборах, таких как счетчики энергии индукционного типа, для обеспечения тормозного момента
- Для обеспечения демпфирующего момента в инструментах с подвижной катушкой с постоянными магнитами.
- Вихретоковые приборы используются для обнаружения трещин в металлических деталях.
- Используется в поездах с вихревыми токами.
Математическое выражение для вихретоковых потерь
Трудно определить потери на вихревые токи по значениям сопротивления и тока, но в результате экспериментов потери на вихревые токи в магнитном материале определяются по приведенному ниже уравнению:
, где
K e — коэффициент вихревых токов.Его значение зависит от природы магнитного материала
B м — максимальное значение плотности потока в Вт / м 2
T — толщина ламинирования в метрах
F — частота инверсии магнитного поля в Гц
V — объем магнитного материала в м 3
Это все о потерях на вихревые токи.
Вихретоковые потери | ECE Tutorials
[ezcol_1third id = ”” class = ”” style = ””] [pageids 1] [/ ezcol_1third]
[ezcol_2third_end id = ”” class = ”” style = ””]
Происхождение или причина вихревых токов
Когда в ферромагнитном сердечнике течет переменный во времени магнитный поток, в сердечнике в соответствии с законом Фарадея возникает эдс.
Ф = магнитный поток =
, где
B — плотность магнитного потока,
S — поверхность, через которую течет поток.
Согласно закону Ленца, эта ЭДС индуцируется в направлении, противоположном исходному полю, его производящему. Эта индуцированная ЭДС будет создавать локальные токи в проводящем сердечнике, нормальные к магнитному потоку, и эти токи называются вихревыми токами.
[/ ezcol_2third_end]
Кожный эффект
Поле, создаваемое изменяющимися во времени вихревыми токами, пытается обнулить поля внутри ядра. Следовательно, эти токи протекают в глубине скин-сердечника вблизи поверхности. Это называется скин-эффектом.Величина плотности переменного тока внутри сердечника может быть приблизительно равна
| J | = Jo * e (-Z * α)
Где считается, что направление распространения энергии в направлении Z,
α является постоянной затухания = (ω * µo * µr * σ / 2) и имеет единицы измерения м -1 .
ω = 2 * pi * f
где f — частота переменного тока,
µ r — относительная магнитная проницаемость сердечника,
σ — проводимость сердечника,
мкО — проницаемость вакуума = 4 * ∏ * 10 -7 H⋅m -1
Глубина скин-слоя определяется как расстояние, на котором поля уменьшаются до 1 / e от своего максимального значения.Глубина скин-слоя является характеристикой материала, которая также зависит от частоты изменяющегося во времени магнитного поля. Глубина скин-слоя обозначается δ и задается как
Глубина кожи δ = 1 / α = (2 / (ω * µo * µr * σ))
Сопротивление сердечника для переменных токов будет отличаться от сопротивления постоянного тока (L / (σ * A)), где L — длина сердечника, а A — площадь сердечника. Эффективное сопротивление из-за скин-эффекта для длинного цилиндрического проводника, такого как проволока, имеющего диаметр D, больший по сравнению с δ, имеет сопротивление, приблизительно равное сопротивлению полой трубки с толщиной стенки δ, , несущей постоянный ток, задается как
.R = L / (σ * ∏ * D * δ)
Из-за конечного удельного сопротивления сердечника эти вихревые токи приводят к рассеянию мощности в сердечнике.
Количественная оценка потерь на вихревые токи
Согласно формуле Штайнметца потери на вихревые токи в трансформаторе
P e = K e f 2 K f 2 B m 2 Вт
, где K e = постоянная вихревого тока.
K f = Форма постоянная.
Общие потери в сердечнике в трансформаторе даны как Pc = P ч + P e
= K h * f * B m n + K e f 2 K f 2 B m 2
Где
f — частота внешнего магнитного поля,
B — плотность потока,
K h , K e и n — коэффициенты, которые зависят от материала ламинирования, толщины, проводимости, а также других факторов.Однако эта формула применима только в предположении, что максимальная плотность магнитного потока 1,0 Тесла не превышена, и петля гистерезиса находится в статической ситуации.
Вихревые потери возрастают с увеличением частоты и увеличиваются с увеличением проводимости.
Средства для снижения потерь на вихревые токи
В трансформаторах потери на вихревые токи нежелательны и могут быть уменьшены при использовании материалов сердечника, которые имеют с высокой проницаемостью , но с низкой проводимостью . Мягкие ферриты являются такими материалами.
Для низкочастотных применений высокой мощности ламинированных сердечников из сложенных ферромагнитных листов, каждый из которых электрически изолирован от своих соседей тонкими оксидными покрытиями (изолятор ). Изоляционные покрытия параллельны направлению магнитного потока, так что вихревые токи, нормальные к потоку, ограничены слоистыми листами. Вихретоковые потери мощности уменьшаются с увеличением числа слоистых покрытий .
,На вопрос: Мэтт Бехре
Ответ
Вихревой ток — это вихревой ток, создаваемый в проводнике в ответ на изменение магнитного поля. По закону Ленца, ток закручивается таким образом, чтобы создать магнитное поле, противодействующее изменению; чтобы сделать это в проводнике, электроны вращаются в плоскости, перпендикулярной магнитному полю. Из-за тенденции противодействовать вихревым токам, вихревые токи вызывают потерю энергии. Точнее, вихревые токи преобразуют более полезные формы энергии, такие как кинетическая энергия, в тепло, которое, как правило, гораздо менее полезно. Во многих приложениях потеря полезной энергии не особенно желательна, но есть некоторые практические применения. Один в тормозах некоторых поездов. Во время торможения металлические колеса подвергаются воздействию магнитного поля от электромагнита, создавая вихревые токи в колесах.Магнитное взаимодействие между приложенным полем и вихревыми токами замедляет движение колес. Чем быстрее вращаются колеса, тем сильнее эффект, то есть, когда поезд замедляется, тормозная сила уменьшается, создавая плавное тормозное движение.
Ответил: Джейсон Хайдекер, магистр физики, Западный колледж, Лос-Анджелес
Вихревой ток — это вихрь (наподобие водоворота) тока, который индуцируется в твердой проводящей массе.
Представьте квадратную петлю провода, вытянутую из области, через которую равномерное магнитное поле проходит перпендикулярно плоскости петли. Что сейчас произойдет?
Индуктивность контура будет сопротивляться изменению магнитного поля внутри него, и будет генерироваться ЭДС. Другими словами, когда петля выходит за пределы поля, в петле будет индуцироваться ток, который вызывает другое магнитное поле той же полярности, что и окружающее поле. Это заставит цикл «притягиваться» к окружающему полю; петля будет ощущаться так, как будто она втягивается обратно в поле.Если вы посмотрите на силы на каждом отдельном участке провода, движущегося в поле, вы увидите, что тот, который перпендикулярен движению петли, вызывает силу, противоположную этому движению.
Механическая энергия, используемая для перемещения контура, будет превращаться в электрический ток, управляющий током в контуре. Чем быстрее тянуть петлю, тем сильнее петля будет тянуть назад.
Я думаю, что большинство людей могут сделать это самостоятельно, но вихревые токи все еще кажутся странными, хотя идея вихревых токов ничем не отличается от этой.
Точно так же, как ток, индуцируемый в петле провода, токовые «завихрения» или «вихри» — маленькие водовороты тока — могут индуцироваться внутри твердой проводящей плиты. Хотя внутри плиты нет «провода», индуктивность (все проводники являются индукторами, включая конденсаторы до того, как погаснут переходные процессы; представьте себе, что конденсатор действует как короткое замыкание на высоких частотах) плиты заставляет природу перемещать ток вдоль того же пути, что и она. был бы, если бы был круглый провод.
Таким образом, если вы переместили плиту в магнитное поле или из магнитного поля, внутри плиты возникли бы вихревые токи, которые вызывали бы равную реакцию, противоположную силам, действующим на плиту.
Итак, если вы следовали этому, то, возможно, вы увидите, что я ответил на вопрос задом наперед.
Вихретоковые тормоза просто чрезмерно используют пример, который я привел выше. Возможно, мне нужен еще один пример, чтобы прояснить это. , ,
Я помню, что в моем классе Frosh E & M мой профессор построил интересный маятник. Позже я обнаружил, что это был обычный эксперимент в классах E & M.
Маятник может качаться взад и вперед и может прикрепляться к множеству различных типов проводящих колец на конце.Когда он качнулся, кольцо на конце его проходило бы между двумя полюсами очень сильного очень огромного магнита (при попадании в небольшую физическую лабораторию этот магнит обесцветил бы все ЭЛТ в комнате). , ,
Итак, профессор отвел бы маятник назад, позволил бы ему раскачиваться, и мы бы наблюдали, что произойдет, когда проводящее кольцо попадет (и, возможно, из) в магнитное поле.
Первым примером было бы поместить проводящее кольцо (оно не должно было быть кольцом — кольцо было просто как оно прикреплено к маятнику; только сильная часть прошла через сильную часть магнитного поля) в конец маятника, и пусть он качается.Это проводящее кольцо было твердым — как большой тесто-орех. Даже если профессор сильно бросил маятник в поле, как только кольцо встало между двумя полюсами, оно немедленно остановилось. Вся его кинетическая энергия уходила в движущийся ток внутри проводящего кольца (и я уверен, что сопротивление кольца отдавало эту энергию в виде тепла).
Теперь, следующим примером было взять очень похожее кольцо, но в этом кольце было вырезано несколько щелей. Это было все еще кольцо, но область, которая проходила между двумя полюсами, была похожа на потертые края.
На этот раз маятник без проблем прошел через полюса — он несколько раз качался взад-вперед.
Вырезанные прорези во втором примере имели тот же эффект, что и разрыв «петли» в самом первом примере, который я дал в этом ответе. Если вы прервете цикл, будет сгенерирована ЭДС, но ток не сможет течь. Без какого-либо тока поле не может быть сгенерировано.
Таким образом, создавая щели, если будут какие-либо вихревые токи, они будут очень маленькими токами, которые обеспечивают очень небольшое выпадение кинетической энергии.
Этот тип «динамического разрыва» может быть расширен. Представь себе мотор. Если вы замените аккумуляторную батарею этого двигателя лампочкой и включите мотор вручную, лампочка может загореться. Если вы продолжите добавлять больше нагрузок, чем просто лампочку, все они могут начать работать, но с большими нагрузками будет все труднее вращать «задний двигатель-генератор». Снятие всех этих нагрузок так, чтобы между двумя предыдущими выводами батареи ничего не было, позволит двигателю легко вращаться (при условии низкого трения / соответствующего передаточного числа и т. Д.).).
Точно так же вы можете положить бесконечную нагрузку на эти пустые выводы, просто закорачивая их вместе. Если магниты достаточно сильны (магнит моего профессора был недостаточно силен, когда он разрезал прорези в кольце), мотор не сможет двигаться.
Вот как ручная дрель автоматически останавливается, когда вы отпускаете курок. Если вы внимательно посмотрите на корпус двигателя, вы можете увидеть искру, когда отпустите курок. Это происходит, когда батарея отсоединяется от проводов и заменяется коротким замыканием.Собственная кинетическая энергия двигателя пытается двигать его в противоположном направлении (это один из способов взглянуть на это) и в итоге очень быстро замедляет себя до нулевой скорости.
Теперь давайте начнем проявлять творческий подход. , , Что делать, если вы замените короткое замыкание с незаряженным конденсатором. При коротком замыкании кинетическая энергия вызывает сильный ток в двигателе, который вызывает силу, противодействующую движению двигателя. , , Но эта кинетическая энергия имеет ограниченный запас, и как только она прекратит наращивать поле, энергия будет выделяться в виде тепла от сопротивления провода.ОДНАКО, если вы разместите там конденсатор, вы можете начать собирать часть этой энергии и хранить ее там. ОДНАКО, если вы не будете осторожны, энергия от конденсатора начнет разряжаться в двигатель и попытаться его раскрутить. , , и у вас есть очень странный маленький генератор.
Так что, если бы у вас был разумный способ динамического торможения, который позволил бы вам зарядить конденсатор как можно больше, а затем отсоединить конденсатор и заменить его на короткий (или аналогичный). , , и что, если вы заменили конденсатор с батареей., ,
Тогда у вас есть не только действительно интересная тормозная система, которая не требует трения для работы, но вместо того, чтобы тратить всю эту энергию на тепло, вы сохраняете ее большую часть в батарее, которая заставляет вас двигаться первое место . , ,
Вы можете продлить это дальше. Такие устройства, как Segway, на самом деле используют такую же технологию, чтобы заряжать свои батареи не только при торможении, но и при движении под уклон.
Теперь, в моих последних нескольких примерах, они не имели ничего общего с вихревыми токами — если вы хотите захватить эту энергию, вы должны построить схему самостоятельно — вы не можете позволить природе делать это за вас в вихрях.Также трудно динамически тормозить вихревыми токами — вы не можете просто добавить щели и убрать их по прихоти.
Вихревые токи действительно играют роль в таких вещах, как трансформаторы, поэтому трансформаторы обычно изготавливаются из многослойных сердечников, которые предотвращают вихревые токи.
Когда проволочная катушка окружает ферромагнитный сердечник, например железо трансформатора, магнитное поле ИЗМЕНЕНИЯ индуцирует вихревой ток в сердечнике, который также оказывается проводящим.Если вы строите сердечник из большого количества слоев, разделенных изолятором, вы можете предотвратить вихревые токи. Предотвращение вихревых токов в трансформаторах предотвращает потерю мощности (токи в резистивных материалах вызывают потери мощности) в трансформаторе. В трансформаторе есть и другие источники потери мощности, но они намного сложнее. Даже самый простой [умеренно большой] трансформатор (не обязательно дроссели), скорее всего, будет иметь многослойный сердечник.
Ответил: Тед Павлик, студент-электротехник, ул. Огайо