Загрузка...Что такое вихревые токи
Что такое вихревые токи?
Вихревыетокиилитоки Фуко́(в честьЖ.Б. Л. Фуко) — вихревыеиндукционные токи, возникающие впроводникахпри изменении пронизывающего ихмагнитногопотока.
Впервыевихревые токи были обнаружены французскимучёным Д.ФАраго(1786—1853) в 1824 г. в медномдиске, расположенном на оси под вращающейсямагнитной стрелкой.
За счёт вихревыхтоков диск приходил во вращение. Этоявление, названное явлением Араго, былообъяснено несколько лет спустяM.Фарадеемс позиций открытогоим закона электромагнитной индукции:вращаемое магнитное поле наводит вмедном диске токи (вихревые), которыевзаимодействуют с магнитной стрелкой.Вихревые токи были подробно исследованыфранцузским физикомФуко(1819—1868) и названы его именем. Он открылявление нагревания металлических тел,вращаемых в магнитном поле, вихревымитоками.
ТокиФуко возникают под воздействиемпеременного электромагнитногополяи по физической природеничем не отличаются от индукционныхтоков, возникающих в линейных проводах.Они вихревые, то есть замкнуты в кольца.Электрическое сопротивление массивногопроводника мало, поэтому токи Фукодостигают очень большой силы.
Всоответствии справиломЛенцаони выбирают внутрипроводника такое направление и путь,чтобы противиться причине, вызывающейих. Поэтому движущиеся в сильном магнитномполе хорошие проводники испытываютсильное торможение, обусловленноевзаимодействием токов Фуко с магнитнымполем. Это свойство используется длядемпфированияподвижных частей гальванометров,сейсмографов и др.
Тепловоедействие токов Фуко используется виндукционныхпечах— в катушку, питаемуювысокочастотным генератором большоймощности, помещают проводящее тело, внем возникают вихревые токи, разогревающиеего до плавления.
Спомощью токов Фуко осуществляетсяпрогрев металлических частей вакуумныхустановок для их дегазации.
Вомногих случаях токи Фуко могут бытьнежелательными. Для борьбы с нимипринимаются специальные меры: с цельюпредотвращения потерь энергии нанагревание сердечников трансформаторов,эти сердечники набирают из тонкихпластин, разделённых изолирующимипрослойками. Появлениеферритовсделало возможным изготовление этихпроводников сплошными.
57.Самоиндукция— явление возникновения ЭДС индукциив проводящем контуре при изменениипротекающего через контур тока. Приизменении тока в контуре меняется потокмагнитной индукции через поверхность,ограниченную этим контуром, в результатечего в нём возбуждается ЭДС самоиндукции.Направление ЭДС оказывается таким, чтопри увеличении тока в цепи эдс препятствуетвозрастанию тока, а при уменьшении тока— убыванию. Величина ЭДС пропорциональнаскорости изменения силы тока I ииндуктивности контура L:
Засчёт явления самоиндукции в электрическойцепи с источником ЭДС при замыканиицепи ток устанавливается не мгновенно,а через какое-то время.Аналогичныепроцессы происходят и при размыканиицепи, при этом величина ЭДС самоиндукцииможет значительно превышать ЭДСисточника. Чаще всего в обычной жизниэто используется в катушках зажиганияавтомобилей. Типичное напряжениесамоиндукции при напряжении питающейбатареи 12В составляет 7-25кВ.Привсяком изменении силы тока в проводящемконтуре возникает ЭДС самоиндукции, врезультате чего в контуре появляютсядополнительные токи, называемыеэкстратокамисамоиндукции.
Экстратокисамоиндукции, согласно правилу Ленца,всегда направлены так, чтобы препятствоватьизменениям тока в цепи, т. е. направленыпротивоположно току, создаваемомуисточником.
При выключении источникатока экстратоки имеют такое же направление,что и ослабевающий ток. Следовательно,наличие индуктивности в цепи приводитк замедлению исчезнования или установлениятока в цепи.Вихревые токи считаются одним из наиболее удивительных явлений, встречающихся в электротехнике. Поразительно, что человечество научилось использовать негативные аспекты действия вихревых токов во благо.
Когда проводник помещается в изменяющийся во времени магнитный поток, изменение магнитного потока из-за изменяющихся магнитных полей вызывает в проводнике небольшие петли, и ток течет через эти петли по закону Фарадея. Эти токи известны как вихревые токи.
Вихретоковые датчики используют принцип образования вихревых токов для определения смещения. Он образуется, когда изменяющееся магнитное поле пересекает проводник. Относительное движение вызывает циркулирующий поток электронов или электронов в проводнике. Эти циркулирующие водовороты электромагнитов с магнитными полями противостоят воздействию приложенных магнитных полей. Чем мощнее магнитное поле или выше проводимость проводника, или даже тем выше будет относительная скорость движения, индуцированные токи и больше будет противостоящая область. Вихретоковые зонды воспринимают это создание вторичных областей, чтобы обнаружить пространство между зондом и целевым веществом.
Полезное 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 токов
Принципы 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 токов
Дефектоскопия
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.
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.
