XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Вступление

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.

Что такое токи Фуко?

Токи Фуко – это индукционные токи, возникающие в массивных проводниках. Для таких проводников сопротивление R будет мало, и по этому индукционные токи (I_i = ε_i/R) достигают большой величины. Их можно использовать для нагревания и плавления металлических заготовок, демпфирования подвижных частей электроприборов.

Токи Фуко могут приводить и к нежелательным явлениям – нагреву сердечников трансформаторов, электродвигателей и т. д. Поэтому сопротивление массивного проводника увеличивают, набирая его в виде отдельных пластин, и тем самым уменьшают нагрев проводников.

Нужно также отметить, что возникновение индукционного тока при пропускании по проводнику переменного тока приводит к перераспределению суммарного тока по сечению проводника, а именно он вытесняется на поверхность проводника (скин-эффект).

Явление скин-эффекта наиболее заметно в СВЧ-диапазоне (диапазон сверх высоких частот ν ~ 10¹⁰ Гц), в этом случае переменный ток течет в слое малой толщины в близи поверхности проводника.

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. Понятие вихревых токов 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 ока.

Возникновение

Иллюстрация возникновения токов Фуко в движущейся в постоянном магнитном поле проводящей (метал пластине C)

Рис. 1. – Возникновение токов Фуко

Вектор магнитной индукции B показан зелеными стрелками, вектор V скорости движения пластин — черными стрелками, силовые линии вектора плотности электрического тока I — красным цветом (эти линии замкнутые, "вихревые").

Источником магнитного поля является постоянный магнит, его фрагмент показан вверху рисунка серым цветом. Вектор магнитной индукции B направлен от северного (N) полюса магнита, магнитное поле пронизывает пластину. В материале пластины, входящем под магнит, т.е. слева, магнитная индукция изменяется во времени, возрастает (dB_n/dt > 0), и в соответствии с законами Фарадея и Ома в материале пластины возникает (наводится, "индуцируется") замкнутый (вихревой) электрический ток. Этот ток течет против часовой стрелки и, по закону Ампера, создает свое собственное магнитное поле, вектор магнитной индукции которого показан синей стрелкой, направленной перпендикулярно плоскости протекания тока, вверх.

Справа, в материале пластины, удаляющемся от магнита, магнитное поле тоже меняется во времени, однако оно ослабевает, и силовые линии возникающего справа еще одного электрического тока направлены по часовой стрелке. Точно под магнитом "левый" и "правый" вихри токов направлены в одну и ту же сторону, плотность суммарного электрического тока максимальна. На движущиеся в этой области электрические заряды, поток которых образует электрический ток, в сильном магнитном поле действует сила Лоренца, направленная (по правилу левой руки) против вектора скорости V. Эта сила Лоренца тормозит пластину C. Взаимодействие магнитного поля магнита и магнитного поля индуцированных токов приводит к тому, что результирующее распределение потока магнитного поля в окрестности полюса N магнита отличается от случая неподвижной пластины C (и зависит от скорости V), хотя суммарный поток вектора магнитной индукции остается неизменным (при условии, что материал магнита и пластины C не входит в насыщение).колебаний их подвижных частей.

Применение

Тепловое действие токов Фуко используется в индукционных печах, где в катушку, питаемую высокочастотным генератором большой мощности, помещают проводящее тело, в котором возникают вихревые токи, разогревающие его до плавления. Подобным образом работают индукционные плиты, в которых металлическая посуда разогревается вихревыми токами, создаваемыми переменным магнитным полем катушки, расположенной внутри плиты.

С помощью токов Фуко осуществляется прогрев металлических частей вакуумных установок для их дегазации.

В соответствии с правилом Ленца вихревые токи протекают внутри проводника по таким путям и направлениям, чтобы своим действием возможно сильнее противиться причине, которая их вызывает. Вследствие этого при движении в магнитном поле на хорошие проводники действует тормозящая сила, вызываемая взаимодействием вихревых токов с магнитным полем. Этот эффект используется в ряде приборов для демпфирования

Рис. 2.

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. Индукционный мотор, работающий на вихревых потоках

Заключение

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 (шихтовка). Появление ферритов сделало возможным изготовление этих сердечников сплошными.

Литература

1. Токи Фуко. [Электронный реcурc]. – Режим доcтупa: https://elquanta.ru/teoriya/toki-fuko.html – зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 26.12.2018)

2. Вихревые токи [Электронный реcурc]. – Режим доcтупa: https://ru.wikipedia.org/wiki/Вихревые_токи?veaction=edit&section=1 – зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 26.12.2018)

3. Токи Фуко. [Электронный реcурc]. – Режим доcтупa: http://allrefs.net/c24/4bvoz/p40/м– зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 26.12.2018)

Код для цитирования: Скопировать