Вихревые токи: физический смысл, потери, поле, применение

Природа вихревых токов

image 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:

image

Читайте также:  Задвижка с электроприводом, сферы применения, преимущества и принцип действия

  1. проводник и поле постоянного магнита двигаются друг относительно друга. Пример: сердечник ротора электрогенератора, в котором статор является магнитом (во многих видах магнит — ротор);
  2. 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 Фуко

Исследователь не смог правильно объяснить механизм вращения, это сделал несколькими годами позже М. Фарадей, открыв ЭИ:

  1. плоский круглый предмет помещается в крутящееся магнитное поле;
  2. его воздействие на деталь выражается в наведении в ней вихревых токов;
  3. токи Фуко, в свою очередь, вступают во взаимодействие с магнитным полем;
  4. диск начинает крутиться.

Сила вихревых токов напрямую зависит от скорости изменения магнитного потока.

Мишель Фуко как политический философ

Новая форма власти связана с появлением капиталистического общества, а капиталистическое общество наемных работников накладывает гораздо большие требования к дисциплине по отношению к среднему рядовому человеку. Если вы можете сидеть у себя в деревне, обрабатывать землю и платить налог феодалу, жизнь вашей деревенской общины крайне мало заботит феодала. Если же вы владеете мануфактурой, на которую приходят наемные работники, то вы должны следить, чтобы работники были трезвые, приходили вовремя, выполняли в течение смены строго предписанные им операции и т. д.

Фуко считает, что так возникает идея дисциплины. Там, где стандартные историки и историки политических учений видят либерализацию, Фуко видит появление дисциплинарного общества, которое предписывает людям определенный, «нормальный» образ поведения. В самом наглядном виде оно возникает в примере с сумасшедшим домом: когда психиатр сталкивается с душевнобольным, власть психиатра над ним поистине бесконечна. Он не только может поставить ему диагноз, лишить свободы и ограничить в политических правах.

Опираясь на мощь государственных институтов, на медицинское сообщество, на свой диплом и статус, психиатр может вменить человеку, что знает о нем больше, чем тот сам знает о себе. «Я знаю, что Вы душевнобольной и Вам только кажется, что Вы тот человек, за которого себя выдаете. В этом моя истина, которую я Вам предписываю. До тех пор пока Вы не исправитесь, я Вас никуда отсюда не отпущу, буду держать Вас здесь и лечить.»

Это принципиальный тезис Фуко: власть как асимметрия знания. Некая инстанция говорит: я знаю о вас как об индивиде больше, чем вы знаете о себе сами. Фуко демонстрирует (особенно отчетливо в «Надзирать и наказывать») целую палитру институтов, которые с 17-18-го века создаются в Европе вместо либерализации (или под видом либерализации). Помимо сумасшедших домов это обычные клиники, где врач ставит нам диагноз и следит за здоровьем нашего тела. С какого-то момента государство берет на себя обязательства следить за нашим здоровьем.

Дальше следует школа, где детей учат родному языку, правильному отношению к истории, к государству, и вообще правильному (вплоть до того, как сидеть за партой). Это типичная дисциплинарная техника. Телу предписывают, как нужно вести себя, чтобы быть правильным гражданином. То же самое происходит в полиции — особенно в 19-м веке, когда полиция предельно широко понималась как институт по нормализации общества. То же самое происходит в тюрьме, в армии и во всех государственных институтах. Везде возникает тело послушного ученика, солдата, заключенного, клерка — послушного, правильно ведущего себя гражданина.

Здесь у Фуко возникает замечательное понятие паноптикона, восходящее к идее Джереми Бентама (английского философа 18-го века). Бентам разрабатывал концепцию идеальной тюрьмы, где заключенный не знает, наблюдают ли за ним в данный конкретный момент, но предполагает, что могут наблюдать. Для Фуко эта метафора становится метафорой современного общества. В современном обществе мы не знаем, наблюдают ли за нами и будут ли нас как-то наказывать за неправильное поведение, но мы должны быть такими гражданами, которые ведут себя правильно на всякий случай, чтобы чего-то не случилось.

Фуко переходит к понятию микрофизики власти. Власть, которая окружает нас со всех сторон — не только сверху, в виде правительства, но и в виде гражданского общества. Власть, которая контролирует каждый наш шаг. Иногда эти метафоры становятся избыточно наглядными (например, когда везде развешаны камеры наблюдения). Легко проследить эту метафору от идеи паноптикона к той идее, что ради вашей же безопасности везде должны быть камеры.

В своих поздних лекциях Фуко обращается к теме безопасности. Либералы считали, что единственная задача государства либерального — обеспечивать защиту граждан от преступности, врагов и мошенников. Фуко показывает, что будет, если мы сделаем ставку на подобное минимальное государство. Окажется, что мир полон опасности, кругом педофилы, террористы, нигде нету защиты — ни в самолете, ни в детской комнате. Государство должно вмешаться, и само общество, с точки зрения Фуко, требует, чтобы оно это делало и защало нас от бесконечного списка опасностей. Конечным пунктом политической критики Фуко (он умирает в начале 80-х годов) становится критика либерального государства, которое вместо того, чтобы дать нам свободу, порождает внутри себя все новые и новые формы обеспечения дисциплины и безопасности.

Значение

Чем быстрее движется проводящее тело в поле, тем сильнее будут токи Фуко. Частота переменного тока и его амплитуда при возрастании тоже способствуют их увеличению. 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.

Читайте также:  Как подобрать шкаф управления освещением

Причина возникновения токов Фуко (в чем их вред или польза).

Юрий Масалыга

При прохождении тока по проводнику создаётся магнитное поле препендикулярное протекающему току (правило буравчика) . Это поле порождает токи Фуко . При достаточной силе тока и толщине проводника токи Фуко становятся значительными и вызывают нагрев проводника . Поэтому провода делают многожильными, а магнитопроводы трансформаторов набирают из отдельных изолированных пластин — это предотвращает перегрев .

Кирилл Грибков

ВИХРЕВЫЕ ТОКИ (токи Фуко) — замкнутые индукционные токи в массивных проводниках, которые возникают под действием вихревого электрического поля, порождаемого переменным магнитным полем. Вихревые токи приводят к потерям электроэнергии на нагрев проводника, в котором они возникли; для уменьшения этих потерь магнитопроводы машин и аппаратов переменного тока изготовляют из изолированных стальных пластин.

Sergey x

Вихревые токи, токи Фуко, применяются для плавки и поверхностной закалки металлов, а их силовое действие используется в успокоителях колебаний подвижных частей приборов и аппаратов, в индукционных тормозах (в которых массивный металлический диск вращается в поле электромагнитов) и т. п.

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:

  1. шихтовка. Сердечник собирают из тонких пластин (0,1 – 0,5 мм), электрически изолированных друг от друга лаком, окалиной или иным диэлектриком. Плоскость пластины направлена вдоль силовых линий поля. Поэтому для токов Фуко, стремящихся двигаться в перпендикулярной этим линиям плоскости, такой сердечник имеет большое сопротивление. Аналогичными свойствами обладает стержень, собранный из изолированных друг от друга отрезков отожженной проволоки. Но они должны располагаться параллельно направлению магнитного потока (силовым линиям). Таким же способом ослабляются токи Фуко в проводах — их набирают из множества переплетенных изолированных жил (литцендрат). Заодно данный прием нейтрализует скин-эффект;
  2. 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;
  3. введение в материал сердечника добавок, повышающих электрическое сопротивление. Так, в сталь добавляют кремний.

Проблемы, которые вызывают вихревые токи. Скин — эффект

Токи Фуко не всегда представляют собой полезное явление.

Вихревые токи

— это токи проводимости, из-за чего они рассеивают часть энергии в виде джоулевой теплоты.

Такая энергия, к примеру, в роторе асинхронного двигателя, обычно изготавливаемого из ферромагнетиков, разогревает сердечники, чем ухудшает их характеристики. Чтобы избежать данного явления, сердечники производят в виде тонких пластин, которые отделяются тонкими слоями изолятора. Пластины устанавливают таким образом, чтобы токи Фуко были направлены поперек них. В случае малой толщины пластин вихревые токи обладают небольшой объемной плотностью. С появлением ферритов и веществ с большим магнитосопротивлением появилась возможность изготавливать сердечники сплошными.

Вихревые токи наводятся в проводниках, в которых протекают переменные токи. Причем токи Фуко всегда направлены таким образом, что ослабляют ток внутри провода и усиливают его около поверхности. Соответственно, изменяющийся с высокой частотой ток распределен по сечению провода неравномерно. Данное явление называется скин — эффектом (поверхностным эффектом).

По причине такого явления внутренняя часть проводника становится бесполезной и в цепях с большой частотой в качестве проводников применяют трубки. Скин — эффект может быть использован для разогрева поверхностного слоя металла, что позволяет применять данное явление в процессе закалки металла. Также стоит отметить, что, изменяя частоту поля, можно производить закалку на любой необходимой глубине.

Читайте также:  DIN рейка (что такое, какую выбрать)

Приближенные формулы, которыми может быть описан скин-эффект в однородном цилиндрическом проводнике:

R w R 0 = 1 + k 4 3 , п р и k 1 , 0 , 997 k + 0 , 277 п р и 1 , 5 k 10 , k + 1 4 + 3 64 k п р и k > 10 .

Где R w представляет собой эффективное сопротивление проводника радиусом r переменному току с циклической частотой w . R 0 — сопротивление проводника постоянному току.

Где эффективная глубина проникновения переменного тока ( δ ) (расстояние от поверхности проводника, на котором плотность тока ослабевает в e = 2 , 7 раз в сравнении с плотностью на его поверхности) равна:

μ — относительная магнитная проницаемость, μ 0 — магнитная постоянная, σ — удельная электропроводность проводника для постоянного тока. Чем толще проводник, тем существеннее скин — эффект, тем меньше величины w и σ , при которых его следует учесть.

Суть явления

Вихревые или токи фуко — это те, которые протекают из-за воздействия переменного магнитного поля. При этом изменяется не само поле, а проводниковое положение данного поля. То есть если будет происходить проводниковое перемещение статичного поля, то в нем все равно будет образовываться энергия.

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).

Читайте также:  LDO-стабилизаторы напряжения ON Semi. Выбор и применение

Если этот проводник — катушка из провода (обмотка трансформатора или электрогенератора), то ток течет по ее виткам.

Свойства вихревых токов

Стоит отметить, что вихревая энергия не отличается от индукционной проводной. По направлению и силе Фуко зависит от металлического проводникового элемента, от того, в каком направлении идет переменный магнитный поток, какие имеет свойства металл и как изменяется магнитный поток. При этом токовое распределение очень сложное.

В проводниковых объектах, имеющих габаритные объемы, токи бывают большими, из-за чего значительно повышается температура тела.

Токовая энергия способна создавать нагревание проводника для индукционной печи и металлического плавления. Подобно другим индукционным разновидностям, Фуко взаимодействуют с первичным магнитным полем и тормозят индуктивное движение.

Нагревание как одно из свойств

Принципы вихревых токов

Катушка из медной проволоки является распространенным методом для воспроизведения индукции вихревых токов. Переменный ток, проходящий через катушку, создает магнитное поле внутри и вокруг катушки. Магнитные поля образуют линии вокруг провода и соединяются, образуя более крупные петли. Если ток увеличивается в одной петле, магнитное поле будет расширяться через некоторые или все из петель проволоки, которые находятся в непосредственной близости. Это наводит напряжение в соседних петлях гистерезис, и вызывает поток электронов или вихревые токи, в электропроводящем материале. Любой дефект в материале, включая изменения в толщине стенки, трещин, и прочих разрывов, может изменить поток вихревых токов.

Закон Ома

Закон Ома является одним из самых основных формул для определения электрического потока. Напряжение, деленное на сопротивление, Ом, определяет электрический ток, в амперах. Нужно помнить, что формулы для расчета токов не существует, необходимо пользоваться примерами расчета магнитного поля.

Индуктивность

Переменный ток, проходящий через катушку, создает магнитное поле внутри и вокруг катушки. С увеличением тока, катушка индуцирует циркуляцию (вихревых) потоков в проводящем материале, расположенном рядом с катушкой. Амплитуда и фаза вихревых токов будет меняться в зависимости от загрузки катушки и ее сопротивления. Если поверхность или под поверхностью возникнет разрыв в электропроводном материале, поток вихревых токов будет прерван. Для его налаживания и контроля существуют специальные приборы с разной частотой каналов.

Магнитные поля

На фото показано, как вихревые электрические токи образуют магнитное поле в катушке. Катушки, в свою очередь, образуют вихревые токи в электропроводном материале, а также создавают свои собственные магнитные поля.

Магнитное поле вихревых токов

Дефектоскопия

Изменение напряжения на катушке будет влиять на материал, сканирование и исследование вихревых токов позволяет производить прибор для измерения поверхностных и подповерхностных разрывов. Несколько факторов будут влиять на то, какие недостатки могут быть обнаружены:

  1. Проводимость материала оказывает значительное воздействие на пути следования вихревых токов;
  2. Проницаемость проводящего материала также имеет огромное влияние из-за его способности быть намагниченным. Плоскую поверхность гораздо легче сканировать, чем неровную.
  3. Глубина проникновения имеет очень большое значение в контроле вихретоков. Поверхность трещины гораздо легче обнаружить, чем суб-поверхностного дефекта.
  4. Это же касается и площади поверхности. Чем меньше площадь – тем быстрее происходит образование вихревых токов.

Обнаружение контура дефектоскопом

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 Принцип работы тиристора, назначение и схема подключения

Читайте также:  Как сделать диодный мост на 220 вольт

Определение в трансформаторе

Практическое применение вихревых токов

Вихревые токи полезны в промышленности для рассеивания нежелательной энергии, например у поворотного кронштейна механического баланса, особенно если сила тока очень высокая. Магнит в конце опоры настраивает вихревые токи в металлической пластине, прикрепленной к концу кронштейна, скажем, ansys.

Схема: вихревые токи

Вихревые потоки, как учит физика, могут быть также использованы в качестве эффективного тормозного усилия в двигателях транзитного поезда. Электромагнитные приспособления и механизмы на поезде около рельсов специально настроены для создания вихревых токов. Благодаря движению тока, получается плавный спуск системы и поезд останавливается.

Закрученные токи вредны в измерительных трансформаторах и для человека. Металлический сердечник используется в трансформаторе, чтобы увеличить поток. К сожалению, вихревые токи, полученные в якоре или сердечнике, могут увеличить потери энергии. Построив металлическую сердцевину чередующихся слоев из проводящих и не проводящих энергию, материалов, размер индуцированных петель уменьшается, таким образом, уменьшая потери энергии. Шум, который производит трансформатор при работе, является следствием именно такого конструктивного решения.

Видео: вихревые токи Фуко

Еще один интересный использования вихревой волны – применение их в электросчетчиках или медицине. В нижней части каждого счетчика расположен тонкий алюминиевый диск, который всегда вращается. Это диск движется в магнитном поле, так что там всегда есть вихревых токи, цель которых замедлить движения диска. Благодаря этому датчик работает точно и без перепадов.

Применение

Нашли вихревые токи применение в электромагнитной индукции. Они используются для того, чтобы тормозить вращающиеся массивные детали. Благодаря магнитоиндукционному торможению они также применяются, чтобы успокоить подвижные части электроизмерительных приборов, в частности, чтобы создать противодействующий момент и притормозить подвижную часть электросчетчиков.

Также используются они в магнитном тормозном диске на электрическом счетчике. В ряде случаев применяются в технологических операциях, которые невозможны без применения высоких частот. К примеру, при откачке воздуха из вакуумных приборов и баллонов с газом. Кроме того, они нужны, чтобы полностью обезгаживать арматуру в высокочастотном генераторе.

Применение в проводниках

Свойства токов Фуко

По своей природе вихревые токи не отличаются от токов индукции, которые возникают в проводах.

Направление и сила токов Фуко зависят от формы металлического проводника, от направления переменного магнитного потока, свойств металла, скорости изменения магнитного потока. Распределение токов Фуко в металле может быть очень сложным.

В проводниках, которые имеют большие размеры в направлении перпендикулярном к направлению тока индукции, вихревые токи могут быть весьма велики, что приводит к значительному повышению температуры тела.

Свойства вихревых токов нагревать проводник применяют в индукционных печах для плавления металлов.

Токи Фуко, как и другие токи индукции, подчиняются правилу Ленца, то есть они имеют такое направление, что взаимодействие их с первичным магнитным полем тормозит то движение, которым вызвана индукция.

Читайте также:  Солнце в вашем доме, или Сколько нужно света

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.

Уменьшение токовой силы

Физические свойства и определение токов Фуко

К вихревым токам относятся электрические токи, которые возникают под влиянием электромагнитной индукции, появляющейся в металлической или другой проводящей среде. Эта индукция появляется под воздействием изменяющегося магнитного потока.

В свою очередь вихревые токи способствуют появлению собственных магнитных потоков. В соответствии с законом Ленца, они оказывают противодействие магнитному потоку катушки и делают его слабее. Это приводит к нагреву сердечника и бесполезным тратам электрической энергии.

Данный процесс можно рассмотреть подробнее на примере металлического сердечника. На него помещается катушка, с пропущенным переменным током. Вокруг катушки происходит образование переменного магнитного тока, пересекающего сердечник. Одновременно в нем наводится индуцированная электродвижущая сила, вызывающая, в свою очередь, вихревые токи. Их действие вызывает нагревание сердечника. При незначительном сопротивлении сердечника, наведенные токи могут иметь довольно большое значение и привести к существенному нагреву.

Способы уменьшения токов Фуко

Урок № 33. Вихревые токи.

В электрических аппаратах, приборах и машинах металлические детали иногда движутся в магнитном поле или неподвижные металлические детали пересекаются силовыми линиями меняющегося по величине магнитного поля. В этих металлических деталях индуктируется ЭДС самоиндукции.

Под действием этих э. д. с. в массе металлической детали протекают вихревые токи (токи Фуко)

, которые замыкаются в массе, образуя вихревые контуры токов.

Вихревыми токами (также токами Фуко) называются электрические токи, возникающие вследствие электромагнитной индукции в проводящей среде (обычно в металле) при изменении пронизывающего ее магнитного потока.

Вихревые токи порождают свои собственные магнитные потоки, которые, по правилу Ленца, противодействуют магнитному потоку катушки и ослабляют его. Кроме того, они вызывают нагрев сердечника, что является бесполезной тратой энергии.

Пусть имеется сердечник из металлического материала. Поместим на этот сердечник катушку, по которой пропустим переменный ток. Вокруг катушки окажется переменный магнитный ток, пересекающий сердечник. При этом в сердечнике станет наводиться индуцированная ЭДС, которая, в свою очередь, вызывает в сердечнике токи, называемые вихревыми. Эти вихревые токи нагревают сердечник. Так как электрическое сопротивление сердечника невелико, то наводимые в сердечниках ндуцированные токи могут оказываться достаточно большими, а нагрев сердечника — значительным.

Возниконвение токов Фуко (вихревых токов).

Впервые вихревые токи были обнаружены французским учёным Д.Ф. Араго (1786 — 1853) в 1824 г. в медном диске, расположенном на оси под вращающейся магнитной стрелкой. За счёт вихревых токов диск приходил во вращение. Это явление, названное явлением Араго, было объяснено несколько лет спустя M. Фарадеем с позиций открытого им закона электромагнитной индукции.

Вихревые токи были подробно исследованы французским физиком Фуко (1819 — 1868) и названы его именем. Он назвал явление нагревания металлических тел, вращаемых в магнитном поле, вихревыми токами.

В качестве примера на рисунке показаны вихревые токи, индуктируемые в массивном сердечнике, помещенном в катушку, обтекаемую переменным током. Переменное магнитное поле индуктирует токи, которые замыкаются по путям, лежащим в плоскостях, перпендикулярных направлению поля.

Вихревые токи: а — в массивном сердечнике, б — в пластинчатом сердечнике.

Способы уменьшения токов Фуко

Мощность, затрачиваемая на нагрев сердечника вихревыми токами, бесполезно снижает КПД технических устройств электромагнитного типа.

Читайте также:  Как находить сопротивление провода

Чтобы уменьшить мощность вихревых токов, увеличивают электрическое сопротивление магнитопровода, для этого сердечники набирают из отдельных тонких (0,1- 0,5 мм) пластин, изолированных друг от друга с помощью специального лака или окалины.

Магнитопроводы всех машин и аппаратов переменного тока и сердечники якорей машин постоянного тока собирают из изолированных друг от друга лаком или поверхностной непроводящей пленкой (фосфатированных) пластин, штампованных из листовой электротехнической стали. Плоскость пластин должна быть параллельна направлению магнитного потока.

При таком делении сечения сердечника магнитопровода вихревые токи существенно ослабляются, так как уменьшаются магнитные потоки, которыми сцепляются контуры вихревых токов, а следовательно, понижаются и индуктируемые этими потоками э. д. с, создающие вихревые токи.

В материал сердечника также вводят специальные добавки, также увеличивающие его электрическое сопротивление. Для увеличения электрического сопротивления ферромагнетика электротехническую сталь приготовляют с присадкой кремния.

Шихтованный магнитопровод трансформатора

Сердечники некоторых катушек (бобин) набирают из кусков отожженной железной проволоки. Полоски железа располагают параллельно линиям магнитного потока. Вихревые же токи, протекающие в плоскостях, перпендикулярных направлению магнитного потока, ограничиваются изолирующими прокладками. Для магнитопроводов приборов и устройств, работающих на высокой частоте, применяют магнетодиэлектрики. Чтобы снизить вихревые токи в проводах, последние изготавливают в виде жгута из отдельных жил, изолированных друг от друга.

Лицендрат — это система переплетенных медных проводов, в которой каждая жила изолирована от соседних. Лицендрат предназначен для использования на высокочастотных токах для предотвращения возникновения паразитных токов и токов Фуко.

Источник

Природа вихревых токов

image 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:

image

Читайте также:  Урок “Монтаж схемы управления асинхронным электродвигателем с одного места”

  1. проводник и поле постоянного магнита двигаются друг относительно друга. Пример: сердечник ротора электрогенератора, в котором статор является магнитом (во многих видах магнит — ротор);
  2. 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».

image Магнитное поле токов Фуко

Исследователь не смог правильно объяснить механизм вращения, это сделал несколькими годами позже М. Фарадей, открыв ЭИ:

  1. плоский круглый предмет помещается в крутящееся магнитное поле;
  2. его воздействие на деталь выражается в наведении в ней вихревых токов;
  3. токи Фуко, в свою очередь, вступают во взаимодействие с магнитным полем;
  4. диск начинает крутиться.

Сила вихревых токов напрямую зависит от скорости изменения магнитного потока.

Что такое токи Фуко, их полезное использование, в каких случаюх с ними приходится бороться?

0970097

Вихревые токи или токи Фуко́ (в честь Ж. Б. Л. Фуко) — вихревые индукционные токи, возникающие в проводниках при изменении пронизывающего их магнитного потока.

Полезное использование ….Это свойство используется для демпфирования подвижных частей гальванометров, сейсмографов и др. Тепловое действие токов Фуко используется в индукционных печах — в катушку, питаемую высокочастотным генератором большой мощности, помещают проводящее тело, в нем возникают вихревые токи, разогревающие его до плавления. С помощью токов Фуко осуществляется прогрев металлических частей вакуумных установок для их дегазации.

Паразитные токи фуко Во многих случаях токи Фуко могут быть нежелательными. Для борьбы с ними принимаются специальные меры: с целью предотвращения потерь энергии на нагревание сердечников трансформаторов, эти сердечники набирают из тонких пластин, разделённых изолирующими прослойками. Появление ферритов сделало возможным изготовление этих проводников сплошными.

Значение

Чем быстрее движется проводящее тело в поле, тем сильнее будут токи Фуко. Частота переменного тока и его амплитуда при возрастании тоже способствуют их увеличению. 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.

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:

image

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.

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.

Читайте также:  Принцип работы антимагнитных пломб. Установка пломб

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:

  1. шихтовка. Сердечник собирают из тонких пластин (0,1 – 0,5 мм), электрически изолированных друг от друга лаком, окалиной или иным диэлектриком. Плоскость пластины направлена вдоль силовых линий поля. Поэтому для токов Фуко, стремящихся двигаться в перпендикулярной этим линиям плоскости, такой сердечник имеет большое сопротивление. Аналогичными свойствами обладает стержень, собранный из изолированных друг от друга отрезков отожженной проволоки. Но они должны располагаться параллельно направлению магнитного потока (силовым линиям). Таким же способом ослабляются токи Фуко в проводах — их набирают из множества переплетенных изолированных жил (литцендрат). Заодно данный прием нейтрализует скин-эффект;
  2. 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;
  3. введение в материал сердечника добавок, повышающих электрическое сопротивление. Так, в сталь добавляют кремний.

Место творчества в истории науки и типы творчества

Фуко: В исторических исследованиях, которые я сумел или пытался провести, я, безусловно, уделил очень мало место тому, что называют индивидуальным творчеством, способности к креативности, склонности к изобретению чего-то нового, к созданию оригинальных идей, теорий и открытию научных истин.

Однако полагаю, мой подход здесь отличается от подхода господина Хомского. Хомский известен своей борьбой против лингвистического бихевиоризма, который имеет мало отношения к творческим способностям говорящего, в нем говорящий представляет собой скорее такую емкость, в которую мало-помалу собирается информация, после чего говорящий может ее каким-то образом употребить.

В сфере истории науки, или истории мысли, лежит проблема совершенно иного свойства. История познания долгое время пыталась отвечать двум требованиям. Одно из них — принадлежности: любое открытие должно не только иметь время и место, но и автора — изобретателя, кого-нибудь, ответственного за его свершение. Явления общего, коллективного свойства, у которых нет конкретного первооткрывателя, как правило, обесцениваются. Их описывают словами «традиция», «ментальность», «уклад» и почитают за негативный фактор — некий тормоз развития в сравнении с «оригинальностью» изобретателя. Вкратце, все это имеет отношение к вопросу о суверенности субъекта по отношению к истории познания.

Другое требование заключается в том, что важно лишь сохранение истины, и никакие компромиссы с историей здесь невозможны. Истина не является составляющей частью истории, но выражается через нее. Сокрытая от человеческих глаз, недоступная никому, она будет ждать в темноте момента, когда сможет выйти наружу. История истины сводится к ее отсрочке, или к ее закату, или к срыванию с нее покровов тайны. Историческое измерение знания всегда в минусе, когда речь заходит об истине.

«Можно заключить, что до Хомского лингвистика в основном настаивала на закономерностях построения конструкций и в меньшей степени интересовалась новаторской составляющей каждого нового созданного или услышанного высказывания. В истории же науки и мысли мы уделяли прежде куда больше внимания индивидуальному творению и не обращали внимания на общие коллективные законы, которые тем не менее неясно проявляют себя в каждом научном открытии, изобретении и философской новации». Мишель Фуко

Несложно проследить, как эти два требования истории познания взаимосвязаны друг с другом: явления коллективного порядка, «общественной мысли», «предосуждения» характерных «мифов» эпохи были теми препятствиями, которые субъект познания должен был преодолеть для того, чтобы докопаться до истины. Чтобы совершать открытия, он должен был оставаться эксцентричной фигурой. С определенной точки зрения, в этом можно увидеть определенное «романтизирование» истории науки: одиночество человека, ищущего правду, оригинальность оригинала вопреки ходу мировой истории. Говоря более общо, я думаю, все здесь упирается в вопрос взаимодействия теории познании и субъекта познания внутри истории познания.

А что, если понимание взаимосвязи субъекта и истины — не более, чем эффект познания? Что, если понимание — это сложная, многообразная и неиндивидуальная формация, а не связь по принципу «субъект — субъекту»? В таком случае следует рассмотреть положение, которое история науки отрицает: следует проанализировать способность познания как коллективной практики и в этой цепочке развития познания в соответствии с определенными правилами, которые можно сформулировать и записать, заменить индивидуумов их «знаниями».

Вы скажете, что все марксистские теоретики занимались этим — и уже очень давно. Однако учитывая то, как они работали с фактами и, в особенности, то, как они использовали понятие сознания, идеологии в противовес науке, можно прийти к выводу, что они довольно далеки от теории познания.

В любом случае меня интересует замена трансформаций в процессе понимания на историю открытий в процессе познания. Поэтому у меня отношение к творчеству совершенно другое, нежели у господина Хомского, так как для меня творчество — тот фактор, который влияет на выбор познающего субъекта, в то время как для Хомского — это возможность выбора выразить себя для говорящего субъекта.

Хомский: Должен признать, мое употребление слова «творчество» несколько специфично, так что это моя вина. Говоря о творчестве, я не заинтересован в понятии ценности, которое обычно связывают с креативностью. То есть, когда вы говорите о творчестве в науке, вы, скорее всего, апеллируете к достижениям Ньютона. Но я говорю о творчестве как об обыденном акте в жизни любого человека.

Я говорю о творческом подходе, с которым любой ребенок подходит к решению новой проблемы: описать ее, среагировать на нее, рассказать кому-нибудь о ней, посмотреть на нее с другой точки зрения. Мне кажется вполне уместным назвать эти действия творческими, хотя, разумеется, о них не следует думать как о действиях того же Ньютона.

При этом очень вероятно, что творчество в области искусства или науки, то, которое являет собой нечто большее, чем результат творчества большинства, может иметь под собой обоснование в виде понятия «человеческой природы», которая, возможно, не полностью развита у большей части человечества и не является составной частью повседневной жизни.

Я верю, что наука может рассмотреть вопрос о повседневной креативности как свою полноценную составную часть. Хотя я не верю, как, полагаю, и вы, что наука в состоянии выявить какие-либо закономерности (по крайней мере, в обозримом будущем) в настоящем творчестве — достижениях великих художников и ученых. Я говорил о более простых примерах творческого начала.

Читайте также:  Стоит ли устанавливать трехтарифный электросчетчик

Что касается истории науки, которой так заинтересован господин Фуко, я думаю, то, что он говорил, правомерно и применимо к таким сферам, как психология, лингвистика и философия разума. Мне кажется, что существуют определенные темы, которые замалчивались в развитии научной мысли прошлых веков: например, эта идея о повседневной креативности, о которой я упоминал выше, бытовала и во времена Декарта. Когда он говорит о разнице между попугаем, подражающим человеческой речи, и человеком, говорящим то, что нужно, в зависимости от ситуации, то называет эту разницу разделительной чертой между тем, за что ответственна физиология, и тем, что уже лежит в области науки о разуме. Я думаю, если использовать современную терминологию, он имеет в виду тот самый тип повседневного творчества, о котором говорю сейчас я.

А потом все эти идеи, даже целая наука об организации синтаксической структуры, оказались забыты во времена сэра Уильяма Джонса и развития сравнительно-исторического языкознания.

Однако сейчас, мне кажется, мы уже можем позволить себе двигаться вперед без необходимости ради эволюционного развития забывать и притворяться, будто определенные явления никогда не имели места. В те времена сравнительно-исторического языкознания, структурной лингвистики, бихевиористской психологии, да и вообще, по большому счету, большей части того, что проистекает из эмпирической традиции изучения разума и поведения, было возможно отбросить то, что мешало, и сконцентрироваться лишь на вопросах, занимающих ученых в XVII-XVIII веках.

image

Оцените статью
Рейтинг автора
4,8
Материал подготовил
Максим Коновалов
Наш эксперт
Написано статей
127
А как считаете Вы?
Напишите в комментариях, что вы думаете – согласны
ли со статьей или есть что добавить?
Добавить комментарий