Что такое вихревые токи Фуко: природа возникновения и применение
Электромагнитная индукция (ЭИ) — очень важное явление для электротехники.
И почти всегда электромагнитную индукцию сопровождают вихревые токи.
Что они из себя представляют и как используются — вот тема данного разговора.
Природа вихревых токов
Вихревые токи имеют ту же природу, что и ток во вторичной обмотке трансформатора — все это индукционный ток.
Они обусловлены явлением ЭИ, открытым М. Фарадеем: при изменении магнитного потока, пересекающего проводник, в последнем возникает электродвижущая сила (ЭДС).
Если этот проводник — катушка из провода (обмотка трансформатора или электрогенератора), то ток течет по ее виткам.
Что такое токи Фуко?
В массивном теле, например, сердечнике (магнитопроводе) или корпусе агрегата, возникает объемный ток в виде движения заряженных частиц по круговым (вихреобразным) траекториям. Это называют вихревыми токами.
Изменение пересекающего проводник магнитного потока наблюдается в двух случаях:
- проводник и поле постоянного магнита двигаются друг относительно друга. Пример: сердечник ротора электрогенератора, в котором статор является магнитом (во многих видах магнит — ротор);
- относительное движение отсутствует, но меняются параметры магнитного поля. Для реализации такого варианта применяется электромагнит (смотанный в катушку провод), по которому пропускается переменный ток. Так же как и ток, поле будет периодически менять направленность силовых линий и интенсивность магнитного потока (в противофазе с током). Пример: магнитопровод трансформатора.
Это явление называют «токами Фуко» — в честь ученого Ж. Б. Л. Фуко, проведшего большую работу по их изучению. Первым же обнаружил данное явление французский ученый Д. Ф. Араго, проводивший в 1824-м году опыт с медным диском и вращающейся над ним магнитной стрелкой. Диск тоже начинал совершать аналогичные действия. Этот эффект стали называть в научных кругах «явлением Араго».
Магнитное поле токов ФукоИсследователь не смог правильно объяснить механизм вращения, это сделал несколькими годами позже М. Фарадей, открыв ЭИ:
- плоский круглый предмет помещается в крутящееся магнитное поле;
- его воздействие на деталь выражается в наведении в ней вихревых токов;
- токи Фуко, в свою очередь, вступают во взаимодействие с магнитным полем;
- диск начинает крутиться.
Значение
При воздействии на проводящее тело электромагнитом с переменным током, вихревые токи возрастают с увеличением частоты тока и его амплитуды. Направление вращения «вихря» определяется аналогичным параметром магнитного потока. Если последний возрастает, то есть скорость его изменения положительна (dФ / dt > 0), вихревые токи вращаются по часовой стрелке.
При убывании магнитного потока (dФ / dt < 0) направление вращения меняется на противоположное. «Вихрь» зарядов в теле выбирает такую плоскость вращения, чтобы оказывать максимальное сопротивление вызывающей их силе (правило Ленца). Эта плоскость составляет прямой угол с силовыми линиями индуцирующего поля.
При этом вихревые токи сами генерируют магнитное поле, направленное против вызывающего их внешнего (индуцирующего) магнитного поля. В этом и состоит механизм взаимодействия токов Фуко с индуктором, заставившее вращаться диск в опыте Араго.
Применение
Исследуя вихревые токи, Ж. Б. Л. Фуко обнаружил, что они вызывают нагрев проводника. Это явление широко используют в технике и различных отраслях промышленности.
Вот несколько примеров:
- индукционная кухонная плита. Достоинство устройства состоит в экономичности: энергия тратится сугубо на нагрев посуды с пищей, сама плита остается холодной. Требуется посуда из ферромагнитных материалов, то есть таких, к которым пристает магнит. Существуют такие разновидности чугуна и нержавейки, алюминиевую же посуду делают с ферромагнитным дном;
- индукционный отопительный котел. Достоинства – в простоте устройства. Теплообменник представляет собой трубу (в некоторых моделях — с сердечником), обмотанную проводом. Целостность его не нарушается, как в ТЭНовых котлах, потому протечки исключены. Поверхность нагрева имеет большую площадь: в этом качестве выступает весь теплообменник (находится в поле электромагнита);
- индукционные печи на металлургических и прочих заводах. Сталь и другие металлы загружаются в тигель и помещаются в поле переменного магнита. Выгода в том, что энергия тратится сугубо на нагрев материала, а не тигля;
- дегазация металлических частей вакуумных установок. Без данной процедуры достижение полного вакуума невозможно, поскольку в арматуре и других металлических элементах содержится небольшое количество газов, в условиях вакуума понемногу выделяющихся. Для принудительной дегазации требуется нагрев, а нагреть находящийся внутри установки металлический элемент можно только бесконтактным способом. На помощь приходят ЭИ и токи Фуко;
- поверхностная закалка металлических изделий. Требуется для упрочнения внешнего слоя при сохранении пластичности основной части детали. Пример — шестерни. Если закалить изделие полностью, оно станет хрупким и при нагрузках сломается.
Чтобы нагреть только поверхностный слой, токи Фуко используют в сочетании со скин-эффектом. Последний состоит в снижении плотности тока вблизи оси проводящего тела и возрастании ее у поверхности, что проявляется тем сильнее, чем выше частота тока.
Объясняется скин-эффект тем, что вектор напряженности создаваемого вихревыми токами поля направлен:
- внутри детали — против наведенной (индуцированной) ЭДС;
- на поверхности — в одну сторону с ней.
Скин-эффект имеет место и при протекании сгенерированного электростанцией высокочастотного тока по проводам. При этом сопротивление последних значительно увеличивается, поскольку работает только поверхностный слой.
Для борьбы используют такие меры:
- применяют плоские и полые проводники;
- наносят на поверхность токопроводящих жил металлы с меньшим сопротивлением (серебро, золото);
- уменьшают шероховатость проводника (сокращается путь тока в поверхностном слое).
Другой способ применения основан на взаимодействии вихревых токов с вызывающим их магнитным полем.
Как уже говорилось, индукционный ток выбирает такой путь, чтобы производимое им магнитное поле максимально противодействовало индуцирующему (правило Ленца). В результате на движущееся в магнитном поле тело с низким электрическим сопротивлением (сила вихревых токов, как и всех остальных, обратно пропорциональна сопротивлению), действует тормозящая сила.
Тормозящая силу используют для:
- торможения диска электросчетчика (повышается точность показаний);
- демпфирования подвижных частей сейсмографов, гальванометров и прочих приборов;
- торможения железнодорожных составов (в некоторых конструкциях).
На взаимодействии индуцирующего электромагнитного поля и создаваемого токами Фуко основан вихретоковый метод контроля деталей из проводящих материалов — металлов и их сплавов, полупроводников, графита. Метод является не только неразрушающим, но и бесконтактным. Это позволяет значительно увеличить скорость продвижения исследуемых изделий.
Суть метода:
- деталь помещается в переменное магнитное поле, генерируемое одной или несколькими индукционными обмотками (вихретоковым преобразователем);
- создаваемое токами Фуко поле анализируется измерительной катушкой.
Сопротивление материала увеличится, если в изделии имеются:
- трещины;
- раковины;
- утоньшение стенки;
- коррозия и прочие дефекты, нарушающие однородность.
Вихревые токи и создаваемое ими электромагнитное поле будут отличаться от нормы, эта информация, как и данные о положении исследуемого объекта относительно вихретокового преобразователя, определяется путем замеров на выводах катушек:
- напряжения;
- сопротивления.
Методом проверяют состояние широкого спектра изделий:
- крепежных элементов;
- роликов подшипников;
- труб;
- проволоки;
- рельс;
- корпусов атомных реакторов и многих других.
Помимо дефектоскопии и дефектометрии метод вихретокового контроля используется в:
- виброметрии;
- толщинометрии (контроль вибраций);
- структуроскопии (определение структурного состояния материала).
Потери на вихревые токи
С целью поспособствовать распространению электромагнитного поля, обмотки трансформаторов и электрических машин наматывают на сердечник (магнитопровод). Это объясняется более высоким коэффициентом магнитопроницаемости металлов в сравнении с воздухом.
К примеру, у стали этот параметр в 100 раз превышает воздушный. В сердечнике также возникают вихревые токи и здесь они нежелательны, поскольку потребляют энергию и приводят к снижению КПД устройства.
Применяют следующие способы минимизации потерь на вихревые токи:
- изготовление сердечников из ферритов — магнитомягкое железо, получаемое путем спекания порошка. Структурно и по свойствам напоминает графит (такое же хрупкое). Имеет низкое электрическое сопротивление, но высокий коэффициент магнитопроницаемости (магнитодиэлектрик). Сердечник из феррита в шихтовке не нуждается — его делают цельным;
- введение в материал сердечника добавок, повышающих электрическое сопротивление. Так, в сталь добавляют кремний.
Видео по теме
О том, что такое вихревые токи, в видеоролике:
В массивных телах, попавших под воздействие переменного магнитного поля, происходит тот же процесс, что и в любом проводнике — возникает электрический ток. В некоторых случаях он полезен, в других — нежелателен. Так или иначе, на явлении вихревых токов построена работа многих устройств.