Что такое Токи Фуко простыми словами
Содержание
Токи Фуко (альтернативное название — вихревые токи) представляют собой замкнутые контуры (петли) электрического тока, возникающие внутри проводников, помещенных в изменяющийся во времени магнитный поток. Токи Фуко (ТФ) появляются вследствие электромагнитной индукции — физического эффекта, обнаруженного британским физиком М. Фарадеем. В некоторых случаях вред от вихревых токов требуется минимизировать. Например, определенные меры борьбы с ними используют, если возникают потери полезной мощности в электрических трансформаторах. В то же время имеется ряд инженерно-технических устройств, где ТФ полезны и выполняют ключевую роль. Их используют в системах торможения, при получении вакуума, в индукционных печах-нагревателях.
Историческая справка
Первооткрывателем необычного явления был французский исследователь Д. Араго (1786–1853). На картинке ниже показана схема его эксперимента, в котором вращение медного диска 1, закрепленного на стеклянной пластине 2, происходит, когда начинает двигаться расположенный снизу магнит N-S (Араго использовал магнитную стрелку).
Тайну возникновения данного явления удалось разгадать М. Фарадею благодаря открытому им закону электромагнитной индукции. Вращение магнита создает изменяемый магнитный поток, способствующий возникновению ЭДС самоиндукции в металлическом диске. Из-за воздействия ЭДС в толще металла появляются вихревые токи.
Изучением свойств этих токов занимался французский естествоиспытатель Ж. Фуко (1819–1868), имя которого сейчас используется в их названии. Ученый также выяснил, почему появляется эффект нагрева металлических объектов вихревыми токами и описал его.
Правило Ленца
Вихревые электрические токи Фуко всегда текут таким образом, чтобы оказывать действие обратное причине, спровоцировавшей их появление. Направление индуцированного тока определяется по правилу, сформулированному российским учёным Л. Ленцом.
Движение проводников в магнитном поле встречает противодействие, вызванное реакцией токов Фуко на внешнее магнитное поле. Этот эффект нашёл своё применение в устройствах торможения (успокоения) подвижных деталей в различных приборах (гальванометрах, сейсмографах и даже в системах тормозов железнодорожного транспорта) без привлечения традиционных тормозных приспособлений, использующих силу трения.
Способы уменьшения токов Фуко
В трансформаторе часть полезной мощности уходит в тепло из-за нагрева сердечника токами Фука, в результате чего снижается КПД устройства. Для подсчета количества утраченной мощности используется следующая формула:
Чтобы уменьшить потери от влияния токов Фуко, необходимо увеличить сопротивление магнитопровода. Эту задачу решают, применяя для изготовления сердечника не цельный кусок металла, а набор тонких пластин, которые изолируют друг от друга, используя слой диэлектрических покрытий.
Аналогично магнитопроводы электродвигателей переменного и постоянного электротока изготавливают из набора пластинок, покрытых изолирующей плёнкой или лаком. Такое «дробление» сердечника существенно снижает вихревые токи, поскольку резко уменьшаются величины магнитных потоков, вызывающие ЭДС самоиндукции. Кроме этого в исходный материал сердечника вносят специальные примеси, увеличивающие электрическое сопротивление.
Полезные применения токов Фуко
Физические свойства этих токов находят своё применение в различных аппаратах и приспособлениях.
Сейчас массово стали пользоваться бытовыми индукционными плитами, в которых также применяется эффект вихретокового нагрева. Они существенно ускоряют процесс приготовления пищи ввиду меньшей инерционности по сравнению с традиционными электроплитами.
Еще одним примером использования вихревых токов, является обработка металлов. Джоулевое тепло, выделению которого способствуют блуждающие токи Фуко, применяют в технологиях, требующих нагрева. Так плавка металла этим способом оказывается более экономичной по сравнению с иными способами нагрева.
Индукционная печь представляет собой катушку, через которую пропускают значительный по величине переменный ток. Внутрь катушки помещается проводящая заготовка. Регулируя амплитуду тока, можно проводить либо плавку, либо закалку исходного материала. С помощью данной технологии производится плавка в условиях высокого вакуума, позволяющая получать сверхчистые материалы.
На свойствах ТФ строятся методы бесконтактного контроля целостности трубопроводов и бесконтактного очищения металлических деталей вакуумных установок.
Еще один пример применения токов Фуко — отделение бытовых отходов из алюминия от изделий из других металлов в специальном сепараторе. Так как черные металлы притягиваются магнитом, а алюминий нет, это позволяет сортировать отходы на металлолом с алюминием и прочими металлами.
Загрузка...
