Вихревые токи Фуко: применение в промышленности

Практическое применение вихревых токов

Вихревые токи полезны в промышленности для рассеяния нежелательной энергии, например, на вращающемся рычаге механических весов, особенно если ток очень велик. Магнит на конце опоры создает вихревые токи в металлической пластине, прикрепленной к концу скобы, скажем, ансис.

Вихревые токи, как учит физика, можно использовать и как эффективную тормозную силу в двигателях транзитного поезда. Электромагнитные устройства и механизмы в поезде вокруг рельсов специально настроены на создание вихревых токов. Благодаря движению тока получается плавный спуск системы и поезд останавливается.

Скрученные токи ценны для измерительных трансформаторов и для людей. Металлический сердечник используется в трансформаторе для увеличения тока. К сожалению, вихревые токи, возникающие в якоре или сердечнике, могут увеличивать потери энергии.

Построив металлический сердечник из чередующихся слоев проводящих и непроводящих энергетических материалов, размер индуцированных петель уменьшается, что снижает потери энергии. Шум, производимый трансформатором при работе, является результатом именно такого конструктивного решения.

Еще одно интересное применение вихревых волн – применение их в электроприборах или медицине. В нижней части каждого счетчика находится тонкий алюминиевый диск, который постоянно вращается. Этот диск движется в магнитном поле, поэтому всегда возникают вихревые токи, цель которых — замедлить движение диска. Благодаря этому датчик работает точно и без перерегулирования.

История открытия

В 1824 году учёный Д.Ф. Араго провел эксперимент. На одну ось он установил медный диск, а на него поставил магнитную стрелку. При вращении магнитной стрелки диск начинал двигаться. Так они впервые наблюдали возникновение вихревых токов. Диск стал вращаться из-за протекания токов, появилось магнитное поле, которое взаимодействовало со стрелкой. Это напили, то как появление Араго.

Спустя пару лет М. Фарадей, открывший закон электромагнитной индукции, объяснял это явление так: движущееся магнитное поле индуцирует в диске ток (как в замкнутой цепи) и взаимодействует с полем стрелы.

Потому что физик Фуко подробно изучал явление вихревых токов. В своих исследованиях он сделал большое открытие. Сделан вывод, что тела под действием вихревых токов нагреваются. С теорией разобрались, теперь поговорим о том, как используются токи Фуко и какие проблемы они вызывают.

Суть явления

Вихревые токи или токи Фуко – это те, которые возникают из-за влияния переменного магнитного поля. В этом случае меняется не само поле, а положение проводника поля. То есть если будет продовникове межеление продиного поля статиного поля внем все равно будет образовываться энергия.

Фуко возникает там, где меняется переменное магнитное поле и по сути они ничем не отличаются от энергии, идущей по проводам или вторичным обмоткам электрического трансформатора.

Токи индукции в массивных проводниках

Поместите катушку проволоки в переменное магнитное поле. Цепь замкнута, и в цепи нет гальванометра, который мог бы показать наличие индукционного тока в нашей цепи. Но ток можно обнаружить, так как проводник нагревается, когда по нему проходит ток.

Если, не изменяя другие размеры катушки, увеличить только толщину проволоки, из которой выполнен контур, то индукция ЭДС ($varepsilon_isim frac{Delta Ф}{Delta t}$) не изменится, так как останется прежняя скорость изменения магнитного потока.

Однако сопротивление катушки уменьшится ($Rsim frac{1}{S}$). Как результат, сила тока привлечена к ответственности ($I_i$). Мощность, которая выделяется в цепи в виде тепла, прямо пропорциональна $I_ivarepsilon_i$, следовательно, температура проводника будет увеличиваться.

Итак, опыт показывает, что кусок металла нагревается при помещении его в магнитное поле, что свидетельствует о возникновении индукционных токов в массивных проводниках при изменении магнитного потока. Такие токи называются вихревыми токами или токами Фуко.

Свойства вихревых токов

Стоит отметить, что вихревая энергия ничем не отличается от энергии индукционного провода. Направление и сила Фуко зависят от металлического проводящего элемента, в каком направлении течет переменный магнитный ток, какими свойствами обладает металл и как изменяется магнитный ток. В то же время текущее распределение очень сложное.

В токопроводящих объектах больших объемов токи большие, что вызывает значительное повышение температуры тела.

Энергия тока способна создать нагрев проводника для индукционной печи и плавки металла. Подобно другим индукционным разновидностям, Фуко взаимодействует с первичным магнитным полем и тормозит индуктивное движение.

Примечания

1. Термин вихревой
   означает, что текущие линии электропередач закрыты.
2. Индукция
   называется электрическим током, возникающим (током) в проводнике за счет взаимодействия проводника с переменным во времени магнитным (электромагнитным) полем, а не за счет действия включенных в цепь источников тока и ЭДС (гальванических элементов и т.п.).
3. Термин токи часто используется во множественном числе, так как токи Фуко представляют собой электрический ток в объеме проводника, и в отличие от индукционного тока во вторичной обмотке трансформатора, трудно указать уникальный «электрическая цепь» для тока, единственная замкнутая траектория движения электрических зарядов в толще проводника.
4. Строго говоря — под действием переменного электромагнитного поля
5. Это сечение с большой площадью поперечного сечения

Как определить в трансформаторе

Узнать, где изображение вихревых токов в трансформаторе, несложно. Как правило, они располагаются в сердечниках трансформаторов. Когда они замыкаются в ядрах, они нагревают их и создают энергию. Поскольку они появляются в плоскостях, перпендикулярных магнитному потоку по характеристике, сердечники трансформатора уменьшаются.

Читайте также: Ток короткого замыкания — определение, методики расчёта, формула

Методы уменьшения вихревых токов

Мощность, расходуемая на гравий электротехнического для электроматного типа, значительно снижает их КПД. Поэтому, чтобы уменьшить величину вихревых токов, увеличивают сопротивление магнитопровода.

Для этого жилы не делают сплошными, а собирают из отдельных тонких пластин (толщиной 0,1-0,5 мм), покрытых слоем изоляционного материала.

Также при изготовлении сердечника в сырье добавляются специальные добавки для повышения его стойкости.

Способы уменьшения блуждающих токов

Для уменьшения блуждающих токов необходимо максимально увеличить сопротивление токопровода, заполнив циркуляционную систему дистиллированной водой и вставив изолирующие шланги трубопроводов у теплообменника и вентиля.

Стоит отметить, что их наличие в электрических машинах нежелательно из-за нагрева сердечников и создания потерь энергии, так как по закону Леннца они размагничивают эти устройства. Для уменьшения их вредного воздействия применяют несколько методов.

Так, сердечники машин выполнены из стали и изолированы друг от друга с помощью лаковой пленки, окалины и других материалов. Благодаря этому они не распространяются. Кроме того, поперечное сечение каждого отдельного проводника снижает силу тока.

В некоторых устройствах в качестве сердечников используются катушки с проволокой из отожженного железа. При этом полосы на них идут параллельно линиям, которые располагаются на магнитном потоке.

Обращать внимание! Ограничение энергии вихря происходит с помощью изолирующих прокладок, то есть жгутов, состоящих из отдельных проводов, изолированных между собой.

Вихри и скин-эффект

В том случае, когда возникают очень сильные вихревые токи (при токе высокой частоты), плотность тока в телах становится значительно меньше, чем на их поверхностях. Это так называемый скин-эффект, его методы используются для создания специальных покрытий для проводов и труб, которые разработаны специально для вихревых токов и испытаны в экстремальных условиях.

Это доказал и ученый Эккерт, исследовавший ЭДС и трансформаторные установки.

Принципы вихревых токов

Катушка из медной проволоки исполнительный метод для производства вихретоковой индукции. 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 петли провода, которые находятся в непосредственной близости. Это вызывает напряжение в соседних петлях гистерезиса и вызывает поток электронов или вихревые токи в электропроводящем материале.

Любой дефект материала, в том числе изменение толщины стенки, трещины и другие разрывы, может изменить течение вихревых токов.

Закон Ома

Закон Ома является одной из самых основных формул для определения электрического тока. Напряжение, деленное на сопротивление, Ом, определяет электрический ток в амперах. Необходимо помнить, что формул для расчета токов не существует, необходимо использовать примеры для расчета магнитного поля.

Индуктивность

Переменный ток, проходящий через катушку, создает магнитное поле внутри и вокруг катушки. При увеличении тока катушка индуцирует циркуляцию (вихревых) токов в проводящем материале, расположенном вблизи катушки. Амплитуда и фаза вихревых токов будут изменяться в зависимости от нагрузки катушки и ее сопротивления.

Если на поверхности или под поверхностью имеется разрыв электрического материала, поток вихревых токов будет прерван. Для его налаживания и контроля производственных приборов с разной частотой каналов.

Магнитные поля

На фото видно, как вихревые электрические токи формируют магнитное поле в катушке. Катушки, в свою очередь, формируют вихревые токи в электропроводящем материале, а также создают собственные магнитные поля.

Дефектоскопия

Изменение натяжения на катушке повлияет на материал, сканирование и исследование вихревых токов позволяет производить приборы для измерения поверхностных и подповерхностных разрывов. Несколько факторов будут влиять на то, какие дефекты могут быть обнаружены:

1. Проводимость материала Производить ценную программу на пути исследования вхревых токов;
2. Проницаемость проводящего материала также имеет огромное влияние из-за его способности намагничиваться. Плоскую поверхность гораздо легче сканировать, чем неровную.
3. Глубина проникновения очень важна для контроля вихревых токов. Поверхностную трещину гораздо легче обнаружить, чем подповерхностный дефект.
4. Это касается и площади поверхности. Чем меньше площадь – тем быстрее образуются вихревые токи.

Обнаружение контура дефектоскопом

Существуют сотни стандартных и специальных датчиков, которые производятся для определенных типов поверхностей и контуров. Кромки, канавки, контуры и толщина металла влияют на успех или неудачу испытаний. Катушка, расположенная слишком близко к поверхности проводящего материала, имеет больше шансов обнаружить обрыв.

Для сложных схем катушка вставляется в специальный блок и крепится к якорю, что позволяет пропускать через нее ток и контролировать ее состояние. Для многих устройств требуются датчики и катушки специальной формы для адаптации к деталям неправильной формы. Катушка также может иметь специальную (универсальную) форму, соответствующую деталям конструкции.

Уменьшаем вихревые токи

Для уменьшения вихревых токов индуктивности катушек необходимо увеличить сопротивление в этих механизмах. В частности, рекомендуется использовать лизендраты и изолированные провода.