Вихревые токи

Вихревые токи

Возьмем катушку с выступающим сердечником из мягкого ферромагнетика и положим на его конец металлический предмет. Если катушку включить в сеть переменного тока, то предмет быстро и сильно нагревается.




Заменим предмет алюминиевым кольцом надетым на сердечник (рис. 1), и снова включим катушку в сеть. Если кольцо держать, то оно сильно нагревается, а если не держать, то при включении катушки в сеть оно соскакивает с сердечника. Описанные явления объясняются тем, что переменное магнитное поле вокруг сердечника создает электрическое поле, поэтому в теле и в кольце возникают сильные индукционные токи, так как сопротивление тела и кольца очень маленькое. Эти токи и нагревают их. Соскакивает кольцо потому, что индукционный ток в кольце направлен противоположно току в катушке, а такие токи отталкиваются друг от друга.

Вихревые токи

Рисунок 1

Индукционные токи, которые возникают в сплошных металлических телах, находящихся в переменном магнитном поле, и замыкаются внутри этих тел, называют вихревыми токами или токами Фуко (в честь французского ученого Ж. Фуко, который их исследовал).

Якорь электродвигателя и сердечник трансформатора по условиям своей работы находятся в переменном магнитном поле, поэтому в них должны циркулировать вихревые токи. Энергия, затраченная на создание вихревых токов, превращается во внутреннюю энергию якоря и сердечника, т. е. идет на их нагревание (кроме потерь энергии на нагревание вихревыми токами, в них возникают еще и потери, обусловленные гистерезисом). Для ослабления вредного действия вихревых токов тела, которые должны находиться в переменном магнитном поле, делают из отдельных листов, изолированных друг от друга (рис. 2).

Вихревые токи

Рисунок 2

Заметим, что ферриты имеют очень большое удельное сопротивление, поэтому вихревые токи в них практически не возникают, и это значительно уменьшает потери энергии в них. Поскольку потери энергии, вызванные гистерезисом, в ферритах тоже очень малы, их применение заметно повышает к. п. д. приборов, например трансформаторов.

Если вихревой ток вызывается движением тела в магнитном поле, то согласно закону Ленца этот ток должен тормозить движение тела.

Тормозящее действие вихревых токов можно проиллюстрировать с помощью следующего опыта.

Если медную пластинку Р (рис. 3) заставить колебаться при выключенном токе в электромагните М, а затем при включенной токе в нем, то будет видно, что во втором случае колебания прекращаются почти мгновенно. Внешне кажется, что в этом случае пластинка как бы вязнет в густой жидкости. Тормозящее действие вихревых токов используется в измерительных приборах для успокоения колебаний стрелки измерительного механизма.

Вихревые токи

Рисунок 3

В современной технике нагревание вихревыми токами используется для закалки деталей и для изготовления сплавов в индукционных печах.



Вихревые токи II

Рассмотрим металлический сердечник внутри катушки с переменным током (рис. 1, а), При отмеченном на рис. 1, а) направлении тока магнитный поток в сердечнике направлен вдоль оси сердечника вверх.

Вихревые токи

Металлический сердечник можно мысленно разделить на ряд замкнутых на себя слоев, ось которых совпадает с осью сердечника. Каждый такой слой представляет собой замкнутый виток, в котором переменным потоком индуктируется э.д.с. и ток, направленные в плоскостях, перпендикулярных к оси магнитного потока.




Рассматривая совокупность таких замкнутых контуров, можно представить себе в теле сердечника вихревые токи, замыкающиеся вокруг оси магнитного потока.

Направление вихревых токов определяется правилом Ленца.

При увеличении магнитного потока вихревые токи направлены по часовой стрелке, если смотреть на сердечник сверху.

Вихревые токи в соответствии с законом Ленца — Джоуля сопровождаются выделением тепла в сердечнике. Это явление используется на практике для нагревания металлов (плавления стали, нагрева под закалку и других целей).

В сердечниках электрических машин, трансформаторов и электрических аппаратов тоже возникают вихревые токи. Но здесь они нежелательны, потому что увеличивают общие потери энергии в устройствах и вызывают дополнительный их нагрев.

В целях уменьшения потерь энергии сердечники устройств переменного тока собираются из листовой электротехнической стали (толщина 0,35 мм), листы которой изолируются друг от друга специальным лаком.

Вихревые токи

Уменьшение вихревых токов таким способом достигается благодаря тому, что контуры, по которым в сплошном сердечнике замыкаются вихревые токи, оказываются разрезанными на части, изолированные друг от друга (рис. 1, б). Кроме того, ослабление вихревых токов достигается увеличением удельного электрического сопротивления материала сердечников. Для этой цели в электротехническую сталь вводится присадка кремния до 4%.

 

 

 



Условные обозначения, указывающие принцип действия измерительного механизма прибора

Условные обозначения, указывающие принцип действия измерительного механизма прибора




Условные обозначения, указывающие принцип действия





од тока, условное обозначение



Второй закон Кирхгофа

Второй закон Кирхгофа