Токи Фуко (вихревые) и их применение

Индукционные токи возникают не только в линейных контурах, но и в массивных проводниках. Токи, возникающие в массивных проводниках, называются токами Фуко или вихревыми. Пусть в переменном магнитном поле находится массивный проводник. В нем возникает вихревое электрическое поле, которое действует на носители тока и вызывает индукционный ток (вихревой). Плотность тока определяется формулой , где - напряженность вихревого электрического поля. Т.к. проводник обладает сопротивлением R, то вихревые токи выделяют количество теплоты, определяемое законом Джоуля-Ленца . Поэтому проводник нагревается. Нагревание проводников токами Фуко применяют в индукционных металлургических печах для плавления металлов, а так же для приготовления особо чистых металлов и сплавов в вакууме. Небольшие индукционные печи используются в лабораторной практике для прокаливания металлов в вакууме и для других целей.

По правилу Ленца, внутри проводника токи Фуко выбирают такие пути и направления, чтобы своим действием противиться причине, которая их вызывает. Поэтому движущиеся в сильном магнитном поле перпендикулярно силовым линиям проводники испытывают сильное торможение, обусловленное взаимодействием токов Фуко с магнитным полем. Это используют для демпфирования (успокоения) подвижных частей гальванометров, амперметров, сейсмографов и других приборов.

Сильное торможение проводников в магнитном поле можно рассмотреть на следующем примере.

Между полуосями магнита находятся подвижная алюминиевая пластинка. Плоскость пластинки перпендикулярна силовым линиям магнитного поля магнита на ось ОО колебания, параллельные полю.

На рис.262 показана пластинка в момент входа в магнитное поле. В плоской пластине возникают токи Фуко направление, которых определяется правилом Ленца. Токи Фуко создают противодействующее полю магнита магнитное поле, которое тормозит движение пластины.

Рис.262	Рис.263

При выходе из магнитного поля токи Фуко направлены противоположно направлению токов при входе.

В некоторых случаях токи Фуко играют вредную роль. Например, в железных сердечниках трансформаторов и вращающихся частей электрических генераторов возникают токи Фуко, которые нагревают и уменьшают КПД этих устройств. Поэтому в качестве сердечников трансформаторов используют магнитомягкие ферромагнетики в виде тонких листов, разделенных тончайшими слоями изолятора таким образом, чтобы изолирующие прослойки пересекали линии токов Фуко. Рассмотрим пример. Подвесим кубик, набранный из тонких металлических пластинок, но нити, поместим его между полюсами магнита и, закрутив предварительно нить, будем наблюдать вращение кубика при раскручивании нити (рис.263 а,б)

Если подвесить кубик в положении а, то изолирующие прослойки будут пересекать линии токов Фуко перпендикулярно (рис.263а). В этом случае токи Фуко возникают в пределах толщины каждой пластины и их действие очень слабо, и кубик будет свободно вращаться. Если кубик подвесить в положение б, то прослойки будут параллельны линиям токов Фуко (рис.263б) и они будут противодействовать движению кубика.

Рис.264

Токи Фуко возникают в проводнике, если по нему течет переменный ток. Переменный ток создает переменное магнитное поле, порождающее вихревое электрическое поле. Поэтому в проводнике возникают токи Фуко. В случае круглого цилиндрического проводника плоскости токов Фуко проходят через его ось. Направление этих токов определяется правилом Ленца. На рис.264 а показано направление токов Фуко при возрастании основного тока I в проводнике, а на рис.264б – при его убывании. В обоих случаях токи Фуко направлены так, что противодействуют изменению основного тока внутри проводника и способствуют его изменению вблизи поверхности проводника. Для переменного тока сопротивление внутренних частей проводника больше поверхностного слоя. Поэтому плотность переменного тока неодинакова, т.е. вблизи поверхности плотного тока больше, чем середины проводника. Это явление получило название поверхностного эффекта или скин-эффекта. Высокочастотные переменные токи проходят только по очень тонкому поверхностному слою проводника. Поэтому для таких токов применяется полые проводники.

Дата добавления: 2014-01-07