Вихревые токи (Токи Фуко). Влияние и применение. Особенности

К специфике некоторых электрических агрегатов (например, электродвигателей) относят наличие у них особого типа взаимодействий между магнитными полями, порождаемыми внутри конструкции. Силы притяжения и отталкивания формируются в этих устройствах обмотками статора во взаимодействии с индуцированным э/м полем подвижного ротора. При протекании этих процессов металлические узлы находятся под постоянным воздействием меняющихся по величине магнитных полей, в результате чего в них образуются так называемые «вихревые токи».

Появляющиеся под действием ЭДС самоиндукции потоки заряженных частиц замыкаются в массе магнитного сердечника ротора и статора электродвигателя. В большинстве электрических агрегатов они воспринимаются как паразитное явление, мешающее нормальной работе преобразовательного устройства. Однако в ряде случаев эти токи приносят пользу человеку.

Как были открыты вихревые токи

Первым этот эффект в 1824 году обнаружил французский ученый Д. Ф. Араго, который проводил опыты с тонким медным кругом, расположенным на одной оси с вращающейся магнитной стрелкой. Диск находился ниже по уровню и под воздействием непонятных ученому сил начинал вращаться вместе со стрелочным указателем.

На основании этого опыта Д. Ф. Араго предположил, что в неподвижном круге образуются (наводятся) потоки заряженных частиц, а порождаемые ими магнитные линии начинают взаимодействовать с полем стрелки. В результате такого взаимодействия обнаружился еще один эффект, состоящий в небольшом нагреве материала диска. Именно он в дальнейшем и послужил основанием для практического использования этого явления.

Так были открыты вихревые токи, которые впоследствии были названы именем французского физика Фуко, посвятившего их исследованию всю свою жизнь. Он обнаружил, что при взаимодействии магнитных полей образование разнонаправленных потоков заряженных частиц сопровождается выделением тепла в обследуемом материале (металле). Позднее этот эффект было теоретически объяснен М. Фарадеем, который опирался на открытый им закон э/м индукции.

В качестве примера на (Рис-1) изображены вихревые токи, получаемые методом индукции. Они появляются в массивном сердечнике, который предварительно помещается внутрь намоточной катушки. Обязательное условие их появления – протекание по обмотке переменного тока достаточной величины (силы).

Vikhrevye toki 2

За счет кругового перемещения заряженных частиц в сердечнике появляется меняющееся магнитное поле, которое индуцирует собственные токи. Из (Рис-1) видно, что они замыкаются по контурам, находящимся в перпендикулярной плоскости по отношению к первичным потокам.

Причины образования токов Фуко

При помещении металлической заготовки в сильное э/м поле в толще металла и на его поверхности появляются силы, воздействующие на свободные электрические частицы (электроны). Под действием ЭДС индукции электроны, вращающиеся на своих орбитах, ориентируются по вектору напряженности и создают собственную полевую структуру, которая начинает взаимодействовать с внешней. Согласно закону самоиндукции, новое полевое образование противодействует исходному и становится источником перемещения свободных заряженных частиц, которые и образуют вихревые токи.

Примечательно то, что некоторая их часть расходуется на нагрев тел, в которых проявляется данный эффект, что в общем случае считается бесполезной тратой энергии. Поскольку электрическое сопротивление сердечника сравнительно невелико – наводимые в нем вихревые токи могут достигать очень больших значений. В случае, когда его нагрев рассматривается как полезное явление (например, в электрических печах) – таким путем удается получить довольно мощные термические устройства.

Способы снижения влияния токов Фуко

В большинстве электротехнических приборов и устройств токи Фуко рассматриваются как паразитное явление, от которого стараются избавиться с минимальными затратами. Дело в том, что энергия, идущая на нагрев сердечника конкретного электротехнического устройства, резко снижает его КПД, а полезная мощность растрачивается понапрасну.

Для снижения потерь от вихревых токов используется искусственный прием, состоящий в повышении внутреннего сопротивления магнитопровода (сердечника). С этой целью он набирается из множества тонких пластин электротехнической стали, которые изолируются одна от другой с помощью специального лака. По этой технологии изготавливаются и собираются магнитопроводы и сердечники всех электрических машин с трехфазным питанием 380 В, а также якоря устройств постоянного тока.

В некоторых электротехнических изделиях для изоляции наборных пластин используется непроводящая ток пленка (эта операция называется холодным фосфатированием). При их сборке особое внимание обращается на то, чтобы плоскость покрытых пленкой заготовок была параллельна линиям формируемого в сердечнике магнитного потока. За счет разделения магнитного материала на мелкие элементы (пластины) вихревые токи в нем заметно ослабевают. На физическом уровне это объясняется тем, что снижается количество замкнутых силовых линий (они разрываются на границах раздела различных сред). В результате этого ослабляется и суммарная величина магнитных потоков, «ответственных» за образование вихревых токов.

Помимо этого используется еще один способ снижения нежелательных токовых образований. Он состоит во введении в материал сердечника особых добавок, заметно повышающих его электрическое сопротивление. Для снижения проводимости ферромагнетиков, в частности, в электротехническую сталь при ее изготовлении добавляется небольшое количество кремния.

Шихтованание и другие способы снижения вихревого эффекта

В производстве некоторых электротехнических изделий их магнитопроводы набираются из заготовок, представляющих собой отрезки отожженной проволоки. При сборке они укладываются таким образом, чтобы наборные полосы располагались вдоль линий магнитного потока. При этом паразитные вихревые токи, образующиеся в перпендикулярной плоскости, ограничиваются по величине за счет использования изолирующих прокладок. С той же целью сердечники электротехнических изделий, рассчитанных на высокочастотные токи, изготавливаются из магнитных диэлектриков.

При производстве обычных соединительных проводов для снижения вихревого эффекта применяется особая методика, позволяющая изготавливать их в виде жгута из изолированных одна от другой жил. Полученный по такой технологии провод, называемый литцендратом, широко применяется для передачи высокочастотных колебаний на значительные расстояния.

Vikhrevye toki 3

Где применяются вихревые токи

Особенности применения токов Фуко связаны с их способностью противодействовать внешним э/м полям за счет появления у них собственного магнитного момента. На этом эффекте основано их применение для решения следующих технических задач:

Эффективное торможение вращающихся узлов со значительной рабочей массой.
«Успокоение» подвижных частей электрических учетных приборов.
Получение «сверхчистого» вакуума.
Индукционное плавление металлов.

В первом случае пересечение вращающимися узлами линий внешнего магнитного поля приводит к образованию замкнутых токов, создающих значительные по величие противодействующие моменты. После введения такого э/м «тормоза» в рабочую зону маховика, например, наблюдается его плавная остановка без непосредственного контакта механических частей.

В качестве «успокоителя» подвижных элементов вихревые токи чаще всего используются в типовых приборах учета электроэнергии (счетчиках). Имеющийся в них диск закреплен на оси устройства и вращается в зазоре, образованном полюсами постоянного магнита. Наводимые в нем токи при вращении взаимодействуют с основным магнитным потоком и создают тормозящий момент.

Изготовление вакуумных приборов

Вихревые эффекты также используются в технологических операциях, реализуемых с помощью токов высокой частоты. Чаще всего эти технологии востребованы при изготовлении электровакуумных приборов, когда из стеклянной колбы требуется удалить остатки воздуха и газов. После предварительной откачки внутри стеклянной оболочки всегда остается какое-то количество молекул газа, от которых в ряде случаев необходимо избавиться.

Для окончательной очистки внутренностей от остатков газовых смесей колба со встроенной в нее металлической арматурой помещается в поле ВЧ генератора. После включения прибора в металле наводятся вихревые токи, раскаляющие арматуру до высокой температуры. В результате ее нагрева остатки газа в колбе полностью нейтрализуются.

Плавление металлов методом индукции

Еще одна сфера практического применения вихревых токов с выгодой для человека – их использование в индукционных печах. Работа этих устройств основана на воздействии высокочастотного магнитного поля, генерируемого специальной катушкой, на тигель с металлической заготовкой.

Под его действием в металле наводятся токи высокой частоты, энергия которых трансформируется в тепло, расходуемое затем на расплав содержимого тигля.