Токи фуко нашли применение в индукционных печах для сильного нагревания

Обновлено: 26.04.2024

Что такое вихревые токи и какие меры принимают для их уменьшения

Что такое вихревые токи и почему их еще называют токами Фуко? Причины возникновения данного явления и способы применения.

Краткое определение

Вихревые токи — это токи, которые протекают в проводниках под воздействием на них переменного магнитного поля. Не обязательно поле должно изменяться, может и тело двигаться в магнитном поле, все равно в нем начнёт течь ток.

Нельзя найти реальную траекторию движения токов для их учёта, ток протекает там, где находит путь с наименьшим сопротивлением. Вихревые токи всегда протекают по замкнутому контуру. Основные условия для его возникновения — нахождение предмета в переменном магнитном поле или его перемещение относительно поля.

История открытия

В 1824 году учёный Д.Ф. Араго проводил эксперимент. Он на одной оси смонтировал медный диск, над ним расположил магнитную стрелку. При вращении магнитной стрелки диск начинал двигаться. Так впервые наблюдали явление вихревых токов. Диск начинал вращаться из-за того, что из-за протекания токов появлялось магнитное поле, которое взаимодействовало со стрелкой. Это назвали, тогда как явление Араго.

Спустя пару лет М. Фарадей, открывший закон электромагнитной индукции, объяснял это явление таким образом: подвижное магнитное поле наводит в диске ток (как в замкнутом контуре) и он взаимодействует с полем стрелки.

Почему второе название — это токи Фуко? Потому что физик Фуко подробно исследовал явление вихревых токов. В ходе своих исследований он сделал великое открытие. Оно заключалось в том, что тела под воздействием вихревых токов нагреваются. С теорией разобрались, теперь мы расскажем о том, где применяются токи Фуко и какие вызывают проблемы.

На видео ниже предоставлено более подробное определение данного явления:

Вред от вихревых токов

Если вы рассматривали конструкцию сетевого трансформатора 50 Гц, наверняка обратили внимание, что его сердечник набран из тонких листов, хотя может показаться что проще было сделать цельную литую конструкцию.

Дело в том, что так борются с вихревыми токами. Фуко установил нагрев тел, в которых они протекают. Так как работа трансформатора и основана на принципах взаимодействия переменных магнитных полей, то вихревые токи неизбежны.

Любой нагрев тел – это выделение энергии в виде тепла. В таком случае будут возникать потери в сердечнике. Чем это опасно? В электроустановке сильный нагрев приводит к разрушению изоляции обмоток и выходу из строя машины. Вихревые токи зависят от магнитных свойств сердечника.

Как снизить потери

Потери энергии в магнитопроводе не приносят пользы, тогда как с ними бороться? Чтобы снизить их величину сердечник набирают из тонких пластин электротехнической стали — это своеобразные меры профилактики для снижения паразитных токов. Такие потери описывает формула, по которой можно произвести расчет:

Как известно: чем меньше сечение проводника, тем больше его сопротивление, а чем больше его сопротивление, тем меньше ток. Пластины изолируют друг от друга окалиной или слоем лака. Сердечники крупных трансформаторов стягиваются изолированной шпилькой. Так снижают потери сердечника, т.е. это и есть основные способы уменьшения токов Фуко.

Какие последствия от влияния этого явления? Магнитное поле, возникающее из-за протекания токов Фуко ослабляет поле, из-за которого они возникли. То есть вихревые токи уменьшают силу электромагнитов. То же самое касается и конструкции деталей электродвигателей и генератора: ротора и статора.

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.

Токи фуко нашли применение в индукционных печах для сильного нагревания

Взаимодействие электромагнитного поля с проводниками образует вихревые токи. Это явление способно выполнять полезные и вредные функции. В определенных ситуациях энергия затрачивается попусту либо ухудшает работоспособность трансформаторов и линий электропередачи. Однако правильное применение базовых принципов данного эффекта позволяет бесконтактным образом исследовать состав материалов, решать другие практические задачи.

В индукционных варочных панелях токи Фуко разогревают посуду с экономичным потреблением электроэнергии

Открытие вихревых токов

По историческим данным, впервые это явление обнаружил в начале 19 века французский исследователь Д. Араго. Специалистам известен его наглядный опыт. Вращение намагниченной стрелкой приводит в движение тонкий диск из меди, расположенный на небольшом расстоянии сверху. Природу явления раскрыл М. Фарадей, объяснивший представленный простой пример перемещения взаимодействием поля и образованных в проводнике токов. Они получили специфическое название по фамилии ученого. Фуко обнаружил нагрев тел при достаточно сильном энергетическом потенциале источника переменного тока.

Способы уменьшения блуждающих токов

Чтобы уменьшить блуждающие фуковые токи, нужно максимальным образом сделать увеличение сопротивления на токовом пути с помощью заполнения дистиллированной водой циркуляционной системы и встраивания изоляционных шлангов трубопроводов у теплового обменника и вентиля.

Стоит отметить, что нахождение их в электромашинах нежелательно из-за нагрева сердечников и создания энергопотери, поскольку по закону Леннца они размагничивают эти устройства. Чтобы уменьшить их вредное воздействие, используется несколько методов.

Так сердечники машин делают из стали и изолируют друг от друга при помощи лаковой пленки, окалины и прочих материалов. Благодаря этому они не распространяются. Кроме того, поперечный вид сечения на каждом отдельном проводнике уменьшает токовую силу.

В некоторых приборах в качестве сердечников используются катушки с отожженой железной проволокой. При этом полоски на них идут параллельно тем линиям, которые расположены на магнитном потоке.

Обратите внимание! Ограничение вихревой энергии происходит изолирующими прокладками, то есть жгуты состоят из отдельных жил, изолированных между собой.

Природа вихревых токов

Электрическое поле — что это такое, понятие в физике

Образование ЭДС в проводниках при воздействии изменяющегося магнитного потока называют индукцией. На принципах этого явления функционируют электродвигатели, генераторы, катушки фильтров и колебательных контуров.

Что это такое токи Фуко, показано на рисунке

При определенном расположении источника переменного поля и проводника приходится учитывать отмеченные выше эффекты. При необходимости в контрольных точках можно измерить определенное напряжение. Важные особенности:

с учетом неравномерного распределения электрической проводимости затруднено точное определение траектории токов;
они будут возникать при перемещении пластины относительно постоянного магнита;
линии образуют замкнутые контуры в толще образца;
они расположены перпендикулярно вектору магнитного потока.

Использование в дефектоскопии

Вихретоковый метод контроля является одним из способов проверки структуры разных материалов. Основан он на анализе происходящих изменений во взаимодействии внешнего электромагнитного поля с вихревыми токами исследуемого объекта.

В качестве источника электромагнитного поля используют индуктивную катушку, на основе которой производят дефектоскопы. Этими приборами производят проверку контроля качества электропроводящих материалов:

металлов и их сплавов;
полупроводников;
графитов и т. д.

Электромагнитное поле токов Фуко в проверяемом объекте воздействует на катушку прибора, наводя в ней электродвижущую силу или изменяя электрическое сопротивление. По изменению напряжения на катушке определяют свойства и качество проверяемого объекта.

Кроме дефектоскопов, которые обнаруживают разрывы в поверхности материалов, выпускают приборы для определения структуры и размеров объектов. На основе использования вихревых токов изготовляют аппарат для обнаружения электропроводящих элементов (металлоискатель).

Практическое применение вихревых токов

Прохождение сильного тока повышает энергетический потенциал молекулярной решетки, что сопровождается нагревом. Это явление объясняет возможность использования соответствующей технологии для бесконтактного повышения температуры проводящих материалов. Если приводить пример с индукционной варочной панелью, можно подчеркнуть следующие плюсы:

образование тепла в глубине дна посуды обеспечивает эффективный нагрев рабочей зоны;
температура на поверхности панели не повышается чрезмерно;
тепловое воздействие на продукты выполняется быстрее, по сравнению с аналогами (спиральные ТЭНы, газовые плиты).

Привести пример на основе опыта с вращением диска несложно. Этот же принцип реализован в конструкции электромеханического счетчика потребленной энергии. В данном случае вращение рабочего узла обеспечивается наведенными токами. Ускорение/ замедление соответствует изменению мощности в нагрузке.

При увеличении тока можно нагреть металлы (сплавы) до температуры плавления

При тщательном изучении тематических вопросов можно найти определенные минусы. Электромагнитный поток в цельном сердечнике трансформатора способен увеличить энергетические потери. По этой причине соответствующие детали создают из комплекта пластин, покрытых слоем диэлектрика. Эти элементы соединяют изолированным стержнем.

Способы устранения

Единственный способ предотвращения появления блуждающих токов — убрать возможность утечки из проводников, в качестве которых выступают те же рельсы, в землю. Для этого и устраивают насыпи из щебня, устанавливают деревянные шпалы, которые нужны не только для получения прочного основания под рельсовый путь, но и повышают сопротивление между ним и грунтом.

Дополнительно практикуется монтаж прокладок из диэлектрических материалов. Но все эти способы больше подходят для ЖД магистралей, трамвайные пути изолировать таким способом сложно, так как это приводит к увеличению уровня рельсов, что в городских условиях нежелательно.

Поэтому в большинстве случаев прибегают к защите трубопроводов, бронированных кабелей и металлических конструкций, расположенных в зоне действия блуждающих токов.

Активная и пассивная защита

Существует два основных способа защиты:

Пассивная — предупреждает контакт металла за счёт применения покрытий из диэлектрических материалов. Именно для этой цели применяют обмазку битумными мастиками, обмотку диэлектрическими изолентами, комбинацию этих способов. Но такие трубы стоят дороже, а проблема полностью не решается, потому что при глубоких повреждениях подобных покрытий защита практически не работает.
Пассивная защита
Активная — основана на отводе блуждающих токов от защищаемых магистралей. Может быть выполнена несколькими способами. Считается наиболее эффективным решением.
Активная защита

В различных условиях применяют отличающиеся способы защиты от электрохимической коррозии. Рассмотрим несколько основных примеров.

Защита полотенцесушителей

Главное отличие — находятся на открытом воздухе, поэтому изоляция не поможет, а отвести блуждающие токи некуда. Поэтому единственно допустимый вариант — выравнивание потенциалов.

Для решения этой проблемы применяют простое заземление. То есть восстанавливают те условия, которые были до разрыва цепи при помощи полимерных труб. При этом требуется заземление каждого полотенцесушителя или радиатора отопления.

Защита водопроводных труб

В этом случае больше подходит протекторная защита с применением дополнительного анода. Такой способ применяется и для предотвращения образования накипи в электрических водонагревательных баках.

Анод, чаще всего магниевый, соединяется с металлической поверхностью трубы, образуя гальваническую пару. При этом блуждающие токи выходят не через сталь, а через такой жертвенный анод, постепенно разрушая его. Металлическая труба при этом остаётся целой. Следует понимать, что время от времени требуется замена защитного анода.

Защита газопроводов

Для защиты этих объектов применяют два способа:

Катодная защита, при которой трубе придают отрицательный потенциал за счёт применения дополнительного источника питания.
Электродренажная защита предполагает соединение газопровода с источником проблем проводником. При этом предотвращается образование гальванической пары с окружающим магистраль грунтом.

Отметим, что ощутимый ущерб, наносимый металлическим конструкциям, требует применения комплексных мер. Они включают защиту и предотвращение появления опасных факторов.

Принципы вихревых токов

Для детального изучения процессов можно рассмотреть действие полей при подключении к источнику типовой катушки индукции. Переменный ток в проводнике образует силовые линии поля. Напряженность создает разницу потенциалов в соседних петлях. Движение электронов формирует вихревые токи. Они движутся по траекториям наименьшего сопротивления, которое изменяется при наличии в изделиях примесей, трещин, полостей и других дефектов.

Закон Ома

Вихревые токи – это направленное движение электронов в проводнике. Поэтому рассматриваемые явления вполне могут быть описаны базовыми физическими формулами и определениями.

Сила тока рассчитывается по закону Ома:

I = (-1/R) * (dФ/dt), где:

R – электрическое сопротивление;
Ф – магнитный поток;
dt – интервал времени.

Понятно, что для практических вычислений сложнее всего выяснить значение проводимости. Кроме отмеченных выше неравномерностей пути прохождения тока (различия проводника), траектория меняется под воздействием переменного поля.

Индуктивность

Следует подчеркнуть проницаемость проводника силовыми линиями электромагнитного поля. Такое воздействие при увеличении тока источника питания интенсифицирует вихревые эффекты в контрольном образце, установленном на небольшом расстоянии. Амплитуда наведенных токов и фаза определяются нагрузкой и проводимостью катушки индукции. Как и в предыдущем примере, разрывы и другие дефекты проводящего участка оказывают существенное влияние на рабочие электрические характеристики конструкции.

Магнитные поля

Зависимость от параметров материалов показана на рисунке. Цифрами отмечены:

пара или диамагнетики;
ферриты;
железо.

Как будут возникать токи в разных образцах при равных общих условиях

Интересно. Взаимное воздействие оказывают магнитные поля, созданные катушкой и вихревыми процессами.

Дефектоскопия

Рассмотренные недостатки можно преобразовать в достоинства. По изменению вихревых токов определяют наличие дефектов при сканировании контрольных образцов. При создании измерительных приборов учитывают следующие факторы:

проводимость определяет силу и путь прохождения токов;
ровные поверхности исследовать проще;
вихревые процессы активизируется при уменьшении рабочей области.

Обнаружение контура дефектоскопом

С учетом целевого назначения корректируют конструкцию и размещение датчиков. Как правило, катушку устанавливают ближе к месту измерения. Корректируют форму изделия для лучшего соответствия объекту обследования.

Уменьшение вихревых токов

Чтобы успешно бороться с негативными проявлениями вихревых эффектов в электроэнергетике и других областях, пользуются отмеченными особенностями. В частности, увеличивают сопротивление проводников добавлением кремниевых и других присадок. Наборы из пластин размещают параллельно вектору магнитного потока. Обеспечивают надежную изоляцию элементов конструкции.

Как определить в трансформаторе

Узнать, где находятся вихревые токи в трансформаторе, несложно. Как правило, они располагаются в трансформаторных сердечниках. Когда замыкаются в сердечниках, то нагревают их и создают энергию. Поскольку появляются в плоскостях, которые перпендикулярны магнитному потоку по характеристике, происходит трансформаторное уменьшение сердечников.

Обратите внимание! Для их измерения используются изолированные стальные пластины.

Вам это будет интересно Особенности светового потока

Определение в трансформаторе

Вариант 10

При выполнении заданий 2–5, 8, 11–14, 17–18 и 20–21 в поле ответа запишите одну цифру, которая соответствует номеру правильного ответа. Ответом к заданиям 1, 6, 9, 15, 19 является последовательность цифр. Запишите эту последовательность цифр. Ответы к заданиям 7, 10 и 16 запишите в виде числа с учетом указанных в ответе единиц.

Для каждого понятия из первого столбца подберите соответствующий пример из второго столбца.

Физические понятия	Формулы
А) работа тока	1) q / t
Б) электрическое сопротивление	2) q • U
В) удельное электрическое сопротивление	3)
4) U • I
5) U / I

Брусок, соединённый с нитью, тянут за нить равномерно вверх по наклонной плоскости. Куда направлена равнодействующая всех сил, приложенных к бруску?

1) сонаправлена с силой натяжения нити

2) сонаправлена с силой трения скольжения

3) сонаправлена с силой тяжести

Санки съезжают с горки из состояния покоя. Трение пренебрежимо мало. Какой график соответствует зависимости полной механической энергии санок от времени ?

Рычаг находится в равновесии под действием двух сил. Сила F₁ = 12 H. Длина рычага 50 см, плечо силы F₁ равно 30 см. Чему равна сила F₂?

Одно из колен U-образного манометра соединили с сосудом, наполненным газом. Атмосферное давление составляет 760 мм рт. ст. Чему равно давление газа в сосуде? В качестве жидкости в манометре используется ртуть.

1) 1160 мм рт. ст.

Два тела движутся по оси Ох. На рисунке представлены графики зависимости проекции скорости движения тел 1 и 2 от времени.

Используя данные графика, выберите из предложенного перечня два верных утверждения и запишите в ответе цифры, под которыми они указаны.

1) В промежутке времени t₄ - t₅ тело 1 движется равноускоренно.

2) К моменту времени t₂ от начала движения тела прошли одинаковые пути.

3) В промежутке времени 0 - t₃ тело 2 находится в покое.

4) В момент времени t₅ тело 1 останавливается.

5) В промежутке времени t₃ — t₄ ускорение а_х тела 1 отрицательно.

Чему равно ускорение груза массой 400 кг, который опускают с помощью троса, если сила натяжения троса 3 кН? Сопротивлением воздуха пренебречь.

Ответ: ______ м/с 2

В таблице приведены значения коэффициента, который характеризует скорость процесса теплопроводности вещества, для некоторых строительных материалов.

Строительный материал	Коэффициент теплопроводности (условные единицы)
Газобетон	0,12
Железобетон	1,69
Силикатный кирпич	0,70
Дерево	0,09

В условиях холодной зимы наименьшего дополнительного утепления при равной толщине стен требует дом из

3) силикатного кирпича

На рисунке представлен график зависимости температуры от полученного количества теплоты для двух веществ одинаковой массы. Первоначально каждое из веществ находилось в твёрдом состоянии.

1) Удельная теплоёмкость первого вещества в твёрдом состоянии меньше удельной теплоёмкости второго вещества в твёрдом состоянии.

2) В процессе плавления первого вещества было израсходовано большее количество теплоты, чем в процессе плавления второго вещества.

3) Представленные графики не позволяют сравнить температуры кипения двух веществ.

4) Температура плавления второго вещества выше.

5) Удельная теплота плавления второго вещества больше.

Двигатель мотоцикла сжигает 20 г бензина, совершая при этом полезную работу 184 кДж. Чему равен коэффициент полезного действия двигателя? Ответ округлите до целого.

Если массивную гирю поставить на пластину из изолятора и соединить с электрометром, а затем несколько раз ударить по ней куском меха, то гиря приобретет отрицательный заряд и стрелка электрометра отклонится. При этом кусок меха приобретет заряд

2) положительный, равный по модулю заряду гири

3) отрицательный, равный заряду гири

4) положительный, больший по модулю заряда гири

Четыре резистора изготовлены из различных материалов и имеют различные размеры

Наибольшее электрическое сопротивление имеет резистор

Проводник расположили параллельно магнитной стрелке. Что произойдет со стрелкой после того, как по проводнику пойдет электрический ток?

1) останется в прежнем положении

2) повернется на 90°

3) повернется на 180°

4) повернется на 360°

Световой луч падает на границу раздела двух сред. Скорость света во второй среде

1) равна скорости света во в первой среде

2) больше скорости света в первой среде

3) меньше скорости света в первой среде

4) зависит от угла падения света

На рисунке изображена шкала электромагнитных волн.

Пользуясь шкалой, выберите из предложенного перечня два верных утверждения.

1) Электромагнитные волны частотой 3000 кГц принадлежат только радиоизлучению.

2) Наибольшую скорость распространения в вакууме имеют гамма-лучи.

3) Электромагнитные волны частотой 105 ГГц могут принадлежать как инфракрасному излучению, так и видимому свету.

4) Рентгеновские лучи имеют большую длину волны по сравнению с ультрафиолетовыми лучами.

5) Длины волн видимого света составляют десятые доли микрометра.

На железный проводник длиной 10 м и площадью поперечного сечения 2 мм 2 подано напряжение 12 мВ. Чему равна сила тока, протекающего по проводнику? Ответ дайте в миллиамперах

Какая частица X выделилась в результате следующей ядерной реакции:

Для измерения силы тока, проходящего через лампу, и электрического напряжения на лампе ученик включил в электрическую цепь амперметр и вольтметр.

Какие приборы — амперметр и (или) вольтметр — включены в электрическую цепь правильно?

1) только вольтметр

2) только амперметр

3) и амперметр, и вольтметр включены правильно

4) и амперметр, и вольтметр включены неправильно

В алюминиевый и пластиковый стаканы налили одинаковое количество горячей воды. Используя термометр и часы, учитель на уроке провёл опыты по исследованию температуры остывающей воды с течением времени. Результаты измерений представлены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1. Остывание воды в алюминиевом стакане

Таблица 2. Остывание воды в пластиковом стакане

Выберите два утверждения, соответствующие проведённым опытам. Укажите их номера.

1) Остывание воды в обоих опытах наблюдали в течение 20 мин.

2) За первые 5 мин вода в обоих стаканах остыла до одинаковой температуры.

3) Температура остывающей воды прямо пропорциональна времени наблюдения.

4) В алюминиевом стакане вода остывала медленнее.

5) Чем больше разница между температурой воды и температурой воздуха в комнате, тем скорость остывания выше.

Прочитайте текст и выполните задания 20–22. Индукционный ток

Рассмотрим простейший опыт, демонстрирующий возникновение индукционного тока: замкнутый виток из проволоки поместим в изменяющееся магнитное поле. Судить о наличии в витке индукционного тока можно по нагреванию проводника. Если, сохраняя прежние внешние размеры витка, сделать его из более толстой проволоки, то сопротивление витка уменьшится, а индукционный ток возрастет. Мощность, выделяемая в витке в виде тепла, увеличится.

При изменении магнитного поля индукционные токи возникают не только в проволочных контурах, но и в массивных образцах металла. Эти токи обычно называют вихревыми токами, или токами Фуко, по имени открывшего их французского физика. Направление и сила вихревого тока зависят от формы образца, от свойств материала, из которого сделан образец, и сила тока увеличивается с увеличением скорости изменения магнитного поля. В массивных проводниках вследствие малости электрического сопротивления токи могут быть очень большими и вызывать значительное нагревание.

Токи Фуко нашли практическое применение: например, работа индукционной плиты (см. рис.). Под стеклокерамической поверхностью плиты находится катушка индуктивности, по которой протекает переменный электрический ток, создающий переменное магнитное поле. Частота тока составляет 20-60 кГц. В дне посуды наводятся токи индукции, которые нагревают его, а заодно и помещённые в посуду продукты.

Устройство индукционной плиты:

1 — посуда с дном из ферромагнитного материала;

2 — стеклокерамическая поверхность;

3 — слой изоляции;

4 — катушка индуктивности

Индукционные плиты требуют применения металлической посуды, обладающей ферромагнитными свойствами (к посуде должен притягиваться магнит). Причём, чем толще дно, тем быстрее происходит нагрев.

Токи Фуко нашли применение в индукционных печах для сильного нагревания и даже плавления металлов. При какой частоте переменного магнитного поля в печи металл будет нагреваться быстрее?

Вихревые токи – токи Фуко, что это такое и где они используются

Вихревые или еще так называемые цикличные токи могут нести в себе помимо вреда еще и пользу. С одной стороны, вихревые токи - это непосредственная причина потерь электроэнергии в проводнике либо же катушке. В то же самое время на этом эффекте построены современные индукционные печи, так что польза от таких токов есть. Давайте поговорим о пользе и вреде немного по подробней.

Краткое определение

Для начала давайте дадим определение озвученному явлению. Вихревые токи - это такие токи, которые начинают протекать по причине воздействия переменного магнитного поля. При этом может изменяться не само поле, а положение проводника в этом поле, то есть если проводник начнет перемещаться в статичном поле, то в нем все равно образуются токи Фуко.

И траекторию протекания таких токов определить невозможно. Известно лишь то, что ток проходит в том месте, где сопротивление минимально.

Как открыли это явление

Изначально вихревые токи были зафиксированы в 1824 году ученым
Д.А. Араго во время проведения следующего опыта:

На одной оси были смонтированы медный диск и магнитная стрелка, диск располагался внизу, а стрелка несколько выше. Так вот, когда стрелку вращали, то медный диск также начинал вращаться, так как протекающие токи формировали магнитное поле, которое и вступало во взаимодействие с магнитной стрелкой.

Наблюдаемый эффект получил название – явление Араго .

По истечении нескольких лет этот вопрос стал изучать Максвелл Фарадей , который как раз открыл закон электромагнитной индукции. Так вот, согласно открытому закону было сделано предположение, что магнитное поле оказывает непосредственное воздействие на атомарную решетку проводника.

И образующийся в результате данного воздействия электрический ток, всегда формирует магнитное поле во всем проводнике.

А подробно описал вихревые токи уже экспериментатор Фуко , именно поэтому второе название вихревых токов – токи Фуко. С историей немного познакомились, теперь давайте узнаем природу вихревых токов.

Природа вихревых токов

Замкнутые циклические токи могут образоваться в проводнике только в том варианте, когда магнитное поле, в котором находится проводник, имеет нестабильную структуру, то есть имеет вращение или изменяется со временем.

Из этого следует, что сила вихревых токов имеет прямую связь со скоростью изменения магнитного потока, проходящего через проводник.

По общепринятой теории электроны перемещаются в проводнике линейным образом из-за разности потенциалов, а это значит, что ток имеет прямое направление.

Индукционный нагреватель, устройство и принцип работы

На сегодняшний день принцип индукционного нагрева применяется довольно широко и это не только огромные плавильные печи в сталелитейных заводах, но и довольно компактные устройства для домашнего применения.

В этой статье я хочу вам рассказать, по какому принципу функционирует данное изделие, а также каким образом вы сможете использовать его у себя дома. Итак, начнем.

Принцип работы индукционного нагревателя

Принцип работы заключен в следующем: помещенная внутрь индуктора заготовка подвергается разогреву индуцированным в ней вихревым замкнутым током.

В роли индуктора выступает катушка, в которой протекает переменный ток. Благодаря этому создается переменное электромагнитное поле высокой частоты.

А уже сгенерированное катушкой поле оказывает непосредственное воздействие на заготовку из проводящего материала, внутри которого как раз и наводится замкнутый ток повышенной плотности. За счет этого и происходит разогрев и дальнейшее расплавление заготовки.

Это явление было открыто еще в 1931 году М. Фарадеем, когда он описал такое явление, как электромагнитная индукция.

Закон Электромагнитной Индукции Закон Электромагнитной Индукции

Переменное магнитное поле создает переменную ЭДС в проводнике, которое она пронизывает. И в роли такого проводника может выступать, например, трансформаторная обмотка, сердечник трансформатора или любой кусок металла.

И получается, что наведенная ЭДС в замкнутой обмотке или магнитопроводе запускает процесс нагрева.

То есть по своей сути индукционный нагреватель - это не что иное, как трансформатор с закороченной вторичной обмоткой, которая состоит всего лишь из одного витка.

А так как внутреннее сопротивление заготовки достаточно маленькое, то даже самого малого наведенного вихревого электрического тока вполне хватает для формирования тока повышенной плотности. А он, в свою очередь, и выполняет работу разогрева и плавления заготовки.

Самую первую печь канального типа запустили в работу в 1900 году в Швеции. Эта установка работала на переменном токе с частотой 50-60 Герц. И данная установка имела коэффициент полезного действия чуть меньше 50 %

Современные индукционные печи канального типа Современные индукционные печи канального типа

Современные же печи представляют собой трансформаторы без сердечника, которые выполнены из нескольких витков толстой медной трубки. А внутри нее циркулирует охлаждающая жидкость активного охлаждения.

При этом на данную медную трубку подается переменный ток с повышенной частотой в пределах от пары килогерц до нескольких мегагерц. Величина частоты имеет прямую зависимость от того, какой материал необходимо разогреть и расплавить.

Используется такая высокая частота потому, что при таких значениях наблюдается такой эффект как вытеснение вихревого тока на поверхность нагреваемого проводника. Данное явление получило название Скин-эффект.

И, казалось бы, что такие нагреватели — это сугубо большие агрегаты, установленные на предприятиях в больших цехах, и дома себе такой инвентарь представить сложно.

Домашний индукционный нагреватель

Компактный домашний индукционный нагреватель Компактный домашний индукционный нагреватель

Но прогресс не стоит на месте, и сейчас в магазинах можно найти компактные индукционные нагреватели, один из которых я и приобрел для того, чтобы поэкспериментировать с ним.

Внешние габариты его довольно скромные: 55 х 40 х 20 миллиметров. При этом питание осуществляется от источника в 5-12 Вольт при максимальном токе в 5 Ампер.

Иначе говоря, максимально, что этот «малыш» может потребить, это 60 Вт. Но вы вполне можете задать порос: зачем он вообще нужен в доме?

На самом деле вариантов использования такого нагревателя в домашних условиях можно придумать большое количество.

Первое что мне пришло в голову, так это разогрев сильно прикипевших гаек, для того, чтобы их отвернуть.

Для экспериментов и домашнего использования можно заказать дешевый образец, например, вот у этого продавца.

Заключение

Вот такой он индукционный нагреватель, работающий как на больших заводах, так и в маленьких домашних мастерских. Делитесь своими идеями применения такого гаджета в домашней мастерской.

Токи Фуко, их отрицательные и полезные стороны

Так называемые "вихревые" или контурные токи известны не только своими отрицательными сторонами, связанными с потерями в проводящих средах. Они по достоинству оценены специалистами благодаря множеству полезных применений, одно из которых – современные индукционные печи. Для правильной оценки вихревого эффекта сначала следует разобраться с тем, как в электротехнике трактуется это физическое явление.

Краткое определение

Вихревыми называются циклические (контурные) токовые образования, формирующиеся под действием переменных э/м полей определенной мощности. По имени ученого, впервые открывшего это явление, они названы "токами Фуко" (фото ниже).

Причиной их образование может служить не только изменяющееся э/м поле, но и перемещение проводника в нем, что с учетом относительности всех явлений совсем не удивительно. Точных траекторий, по которым протекают токи Фуко определить невозможно. Из многочисленных экспериментов удалось убедиться в том, что они формируются в зонах проводящей среды, где сопротивление перемещению зарядов минимально.

Особенности вихревых токов

Особенность токов Фуко состоит в их локальности и замкнутости самих на себя, что и является причиной необычных свойств (в сравнении с "классическим" линейным перемещением зарядов). Подобно обычным токам они взаимодействуют с породившим их магнитным полем, но это взаимное действие выражается здесь особым образом. На основании закона Ленца создаваемые ими "местные" электромагнитные поля проявляются так, чтобы противодействовать изменению вызвавшего их магнитного потока. То есть они будут поддерживать убывающее поле и оказывать сопротивление его резкому нарастанию.

Указанное явление вызывает нарастание вихревых образований в проводящей среде с резким снижение ее сопротивления. Естественным результатом этих процессов является сильный нагрев проводящего основания, температура которого достигает 800 градусов. При этом наблюдаются большие потери энергии, передаваемой по проводящей среде, что считается отрицательной стороной явления. Степень нагрева и величина потерь напрямую зависят от частоты наводимого индукционного тока (максимум достигается примерно при 10 кГц).

Полезные применения вихревых токов

Токи Фуко характеризуются не только отрицательными проявлениями (в виде потерь энергии).

Разработчики современной аппаратуры нашли им полезные применения, а именно:

эффект Фуко используется в индукционных счетчиках, где они применяются в качестве демпфера;
при изготовлении индукционных сталеплавильных печей, работающих по принципу нагрева металлов протекающими по ним токами;
при необходимости демпфирования исполнительных механизмов (стрелок) в лабораторных измерительных приборах.

В многоквартирных домах сегодня устанавливаются индукционные плитки, работающие за счет того же эффекта вихревых токов (фото ниже).

Токи фуко нашли применение в индукционных печах для сильного нагревания

Медная пластина, подвешенная на длинной изолирующей ручке, совершает свободные колебания. Если пластину отклонить от положения равновесия и отпустить так, чтобы она вошла со скоростью υ в пространство между полюсами постоянного магнита (см. рисунок), то

1) амплитуда колебаний пластины увеличится

2) колебания пластины резко затухнут

3) пластина будет совершать обычные свободные колебания

4) частота колебаний пластины возрастёт

Рассмотрим простейший опыт, демонстрирующий возникновение индукционного тока в замкнутом витке из провода, помещённом в изменяющееся магнитное поле. Судить о наличии в витке индукционного тока можно по нагреванию проводника. Если, сохраняя прежние внешние размеры витка, сделать его из более толстого провода, то сопротивление витка уменьшится, а индукционный ток возрастет. Мощность, выделяемая в витке в виде тепла, увеличится.

Индукционные токи при изменении магнитного поля возникают и в массивных образцах металла, а не только в проволочных контурах. Эти токи обычно называют вихревыми токами, или токами Фуко, по имени открывшего их французского физика. Направление и сила вихревого тока зависят от формы образца, от направления и скорости изменяющегося магнитного поля, от свойств материала, из которого сделан образец. В массивных проводниках вследствие малости электрического сопротивления токи могут быть очень большими и вызывать значительное нагревание.

Если поместить внутрь катушки массивный железный сердечник и пропустить по катушке переменный ток, то сердечник нагревается очень сильно. Чтобы уменьшить нагревание, сердечник набирают из тонких пластин, изолированных друг от друга слоем лака.

Токи Фуко используются в индукционных печах для сильного нагревания и даже плавления металлов. Для этого металл помещают в переменное магнитное поле, создаваемое током частотой 500–2000 Гц.

Тормозящее действие токов Фуко используется для создания магнитных успокоителей — демпферов. Если под качающейся в горизонтальной плоскости магнитной стрелкой расположить массивную медную пластину, то возбуждаемые в медной пластине токи Фуко будут тормозить колебания стрелки. Магнитные успокоители такого рода используются в гальванометрах и других приборах.

Задания Д19 № 1496

Сила вихревого тока, возникающего в массивном проводнике, помещённом в переменное магнитное поле, зависит

1) от скорости изменения магнитного поля, от материала и формы проводника

2) только от материала и формы проводника

3) только от формы проводника

4) только от скорости изменения магнитного поля

«Направление и сила вихревого тока зависят от формы образца, от направления и скорости изменяющегося магнитного поля, от свойств материала, из которого сделан образец.»

Токи фуко нашли применение в индукционных печах для сильного нагревания

Какой железный сердечник будет больше нагреваться в переменном магнитном поле: сердечник, набранный из тонких изолированных пластин, или сплошной сердечник? Ответ поясните.

Задания Д19 № 1496

Сила вихревого тока, возникающего в массивном проводнике, помещённом в переменное магнитное поле, зависит

1) от скорости изменения магнитного поля, от материала и формы проводника

2) только от материала и формы проводника

3) только от формы проводника

4) только от скорости изменения магнитного поля

Читайте также: