ВИХРЕВЫЕ ТОКИ (ТОКИ ФУКО)
,
Московский политехнический университет, факультет химической технологии и биотехнологии
Научный руководитель: доц.
УДК 53.537.8
Аннотация. Вихревые токи (также называемые токами Фуко) представляют собой петли электрического тока, индуцированного в проводниках переменным магнитным полем согласно закону индукции Фарадея. Вихревые токи нашли широкое применение в различных областях науки и технике.
Ключевые слова: Вихревые токи (Токи Фуко), правило Ленца, магнитный демпфер, скин-эффект, дефектоскопия
EDDY CURRENTS (FOUCAULT CURRENTS)
Maxim Proskuryakov, Arthur Silin
Moscow Polytechnic University, Faculty of Chemical and Bio Technology
Scientific advisor: docent Victor Nizhegorodov
Abstract. Eddy currents (also called Foucault currents) are loops of electrical current induced within conductors by a changing magnetic field in the conductor, due to Faraday's law of induction. Eddy currents have found wide application in various fields of science and technology.
Keywords: Eddy currents (Foucault currents), Lenz's law, magnetic damper, skin effect, defectoscopy
Вихревые индукционные токи, возникающие в проводниках вследствие изменения во времени магнитного поля, в котором находится тело, либо вследствие движения тела в магнитном поле, приводящего к изменению магнитного потока через тело или какую-либо его часть.
Индукционный ток может возникать не только в линейных контурах, то есть в проводниках, поперечные размеры которых пренебрежимо малы по сравнению с их длиной. Индукционный ток возникает и в массивных проводниках. В этом случае проводник не обязательно включать в замкнутую цепь. Замкнутая цепь индукционного тока образуется в толще самого проводника. Такие индукционные токи называются вихревыми или токами Фуко.
Токи Фуко возникают под воздействием переменного электромагнитного поля и по физической природе ничем не отличаются от индукционных токов, возникающих в линейных проводах. При этом сила вихревого тока по закону Ома равна
где Цm – магнитный поток, сцепленный с контуром тока, R – сопротивление цепи вихревого тока. Подсчитать это сопротивление трудно. Однако совершенно очевидно, что оно тем меньше, чем больше удельная проводимость проводника и чем больше его размеры.
Но, в отличие от электрического тока в проводах, текущего по точно определённым путям, вихревые токи замыкаются непосредственно в проводящей массе, образуя вихреобразные контуры. Эти контуры тока взаимодействуют с породившим их магнитным потоком. Электрическое сопротивление массивного проводника мало, поэтому токи Фуко достигают очень большой величины. Согласно правилу Ленца, магнитное поле вихревых токов направлено так, чтобы противодействовать изменению магнитного потока, индуцирующего эти вихревые токи. Поэтому движущиеся в сильном магнитном поле хорошие проводники испытывают сильное торможение, обусловленное взаимодействием токов Фуко с магнитным полем. Например, если медную или любую другую пластину отклонить от положения равновесия и отпустить так, чтобы она вошла со скоростью v в пространство между полосами магнита, то пластина практически остановится в момент её вхождения в магнитное поле. На этом эффекте основан принцип действия магнитного демпфера.
Это можно продемонстрировать на установке, состоящей из физического маятника и сильного электромагнита. Маятник изготовлен из толстого листового алюминия и имеет форму усеченного конуса. Маятник был подвешен на стержне и мог колебаться вокруг горизонтальной оси между полюсами сильного электромагнита, создающего поле порядка 0,5 Тл (рис.1а). Пока не включено магнитное поле, маятник совершал колебания почти без затухания. Замыкая ток в обмотке электромагнита, мы создаем магнитное поле. Тогда при колебаниях маятника возбуждаются вихревые токи Фуко, согласно правилу Ленца тормозящие движение маятника; колебания последнего моментально прекращаются.
Сила и расположение вихревых токов очень чувствительны к форме пластины. Если сплошной сектор маятника заменить гребенкой с длинными зубцами (рис.1b), то возбуждение токов Фуко будет сильно затруднено. Маятник будет колебаться в магнитном поле почти без затухания. Этот опыт объясняет, почему сердечники электромагнитов и рамы трансформаторов делают не из сплошного куска железа, а из отдельных листов, наложенных друг на друга. В результате токи Фуко возбуждаются слабо и сильно уменьшается вредное влияние джоулева тепла, выделяемого ими.
Возьмем медный или алюминиевый диск диаметром 4-5 см и толщиной 4-6 мм и заставим его падать в узком зазоре между полюсами электромагнита. Пока магнитное поле не включено, диск движется вниз быстро, как при свободном падении. Включим поле ~0.5 Тл. Тогда падение становится очень медленным и напоминает движение в сильно вязкой среде.
Замедление движения связано с возбуждением в диске вихревых токов, препятствующих изменению потока вектора магнитной индукции. Поскольку диск обладает конечным сопротивлением, токи индукции постепенно затухают и, и поэтому пластина медленно двигается в магнитном поле.
На этом принципе основано, например, торможение подвижной системы в счётчиках электрической энергии, в которых алюминиевый диск вращается в поле постоянного магнита. В машинах переменного тока с вращающимся полем сплошной металлический ротор увлекается полем из-за возникающих в нём вихревых токов. Взаимодействие вихревого тока с переменным магнитным полем лежит в основе различных типов насосов для перекачки расплавленного металла. А также для гашения колебаний стрелки в электродинамических измерительных приборах. Вихревые потоки могут быть также использованы в качестве эффективного тормозного усилия в двигателях 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.
Индукционный нагрев и закалка металлов. Индукционный нагрев металлов основан на двух физических законах: законе электромагнитной индукции Фарадея-Максвелла и законе Джоуля-Ленца. Металлические тела (заготовки, детали и др.) помещают в переменное магнитное поле, которое возбуждает в них вихревое электрическое поле. ЭДС индукции определяется скоростью изменения магнитного потока. Под действием ЭДС индукции в телах протекают вихревые (замкнутые внутри тел) токи, выделяющие теплоту по закону Джоуля-Ленца. Эта ЭДС создает в металле переменный ток, тепловая энергия, выделяемая данными токами, является причиной нагрева металла. Индукционный нагрев является прямым и бесконтактным. Он позволяет достигать температуры, достаточной для плавления самых тугоплавких металлов и сплавов.
Интенсивный индукционный нагрев возможен лишь в электромагнитных полях высокой напряженности и частоты, которые создают специальными устройствами - индукторами. Индукторы питают от сети 50 Гц (установки промышленной частоты) или от индивидуальных источников питания - генераторов и преобразователей средней и высокой частоты.
Простейший индуктор устройств косвенного индукционного нагрева низкой частоты (рис.2)- изолированный проводник (вытянутый или свернутый в спираль), помещенный внутрь металлической трубы или наложенный на ее поверхность. При протекании по проводнику-индуктору тока в трубе наводятся греющие ее вихревые токи. Теплота от трубы (это может быть также тигель, емкость) передается нагреваемой среде (воде, протекающей по трубе, воздуху и т. д.).
Особенностью индукционного ввода энергии является возможность регулирования пространственного расположения зоны протекания вихревых токов. Во-первых, вихревые токи протекают в пределах площади, охватываемой индуктором. Нагревается только та часть тела, которая находится в магнитной связи с индуктором независимо от общих размеров тела. Во-вторых, глубина зоны циркуляции вихревых токов и, следовательно, зоны выделения энергии зависит, кроме других факторов, от частоты тока индуктора (увеличивается при низких частотах и уменьшается с повышением частоты). Эффективность передачи энергии от индуктора к нагреваемому току зависит от величины зазора между ними и повышается при его уменьшении.
Преимущества индукционного нагрева
1) Передача электрической энергии непосредственно в нагреваемое тело позволяет осуществить прямой нагрев проводниковых материалов. При этом повышается скорость нагрева по сравнению с установками косвенного действия, в которых изделие нагревается только с поверхности.
2) Передача электрической энергии непосредственно в нагреваемое тело не требует контактных устройств. Это удобно в условиях автоматизированного поточного производства, при использовании вакуумных и защитных средств.
3) Благодаря явлению поверхностного эффекта максимальная мощность, выделяется в поверхностном слое нагреваемого изделия. Поэтому индукционный нагрев при закалке обеспечивает быстрый нагрев поверхностного слоя изделия. Это позволяет получить высокую твердость поверхности детали при относительно вязкой середине. Процесс поверхностной индукционной закалки быстрее и экономичнее других методов поверхностного упрочнения изделия.
Индукционный нагрев, по распределению температуры в сечении детали, отличается от нагрева путем теплопроводности. В пределах нагретого слоя температура значительно выше, чем в центре, имеете место крутой перепад, поскольку в центральной части детали магнитные свойства еще не теряются в то время, как снаружи активный ток уже перегрел металл. Варьируя частоту тока и длительность нагрева, добиваются прогрева детали на необходимую глубину.
Если быстропеременный высокочастотный ток протекает по проводнику, то вихревые токи, индуцируемые в проводнике, препятствуют равномерному распределению плотности тока по поперечному сечению проводника – плотность тока на оси провода оказывается меньше, чем у его поверхности. Ток как бы вытесняется на поверхность провода, при этом вихревые токи по оси проводника текут против направления основного тока, а на поверхности – в том же направлении. Это явление называется скин-эффектом.
Высокочастотные токи используются для закалки поверхностей деталей: поверхностный слой разогревается быстро в ВЧ-поле, закаливается и становится прочным, но не хрупким, так как внутренняя часть детали не разогревалась и не закаливалась.
Глубина вихревых токов зависит от величины возбуждающего их магнитного потока, частоты возбуждения и электромагнитных свойств материала объекта. Для оценки глубины вихревых токов используют относительную величину – условную глубину проникновения вихревых токов. Условная глубина проникновения вихревых токов – это расстояние от поверхности объекта контроля (где наблюдается максимальная плотность вихревых токов) до слоя в котором плотность уменьшается в е раз (е ≈ 2,71 – основание натурального логарифма):
где f – частота тока возбуждения, 
– абсолютная магнитная проницаемость материала объекта, у – удельная электрическая проводимость материала объекта.
Условная глубина не зависит от величины магнитного потока (геометрии возбуждающей катушки, наличия сердечника, зазора между катушкой и объектом и т. п.). С увеличением частоты возбуждения глубина проникновения вихревых токов уменьшается. Вихревые токи выталкиваются к поверхности объекта. Такой же эффект наблюдается при возбуждении вихревых токов в ферромагнитных материалах (конструкционных сталях), у которых влияние магнитной проницаемости на глубину проникновения во много раз больше чем влияние удельной электрической проводимости, как правило меньшей чем у меди, алюминия и сплавов на их основе.
Как было отмечено выше, для уменьшения влияния вихревых токов на работу электрических машин (например, трансформатора) их сердечники выполняют из пластин электротехнической стали, изолированных друг от друга слоями лака. Этот же эффект дробления вихревых токов положен в основу вихретоковой дефектоскопии, когда дефект (трещина) выступает в роли изолирующего слоя и дробит вихревые токи.
В основе действия индукционного метода дефектоскопии лежит закон электромагнитной индукции. Индукционные преобразователи в простейшем случае представляют собой катушку, создающую однородное переменное магнитное поле. При этом индукцию можно упрощенно определять как отношение магнитного потока на площадь витка катушки. В процессе контроля индукционный преобразователь перемещается над поверхностью объекта. При пересечении трещины магнитный поток создает поле рассеяния, что приводит к изменению э. д.с. катушки преобразователя.
В ряде случаев, применяя вихревые токи, можно использовать технологические операции, которые невозможно применить без токов высокой частоты. Например, при изготовлении вакуумных приборов и устройств из баллона необходимо тщательно откачать воздух и иные газы. Однако в металлической арматуре, находящейся внутри баллона, имеются остатки газа, которые можно удалить только после заваривания баллона. Для полного обезгаживания арматуры вакуумный прибор помещают в поле высокочастотного генератора, в результате действия вихревых токов арматура нагревается до сотен градусов, остатки газа при этом нейтрализуются.
Список использованной литературы:
Общий курс физики. Т.3 Электричество.- М.: «Физматлит», 2015 - 656 стр. http://ens. tpu. ru/POSOBIE_FIS_KUSN/электромагнетизм/03-5.htm (электронный ресурс) Метод последовательных приближений для расчета вихревых токов в протяженных проводниках, движущихся вблизи частично насыщенных ферро - магнетиков. Электротехника: сетевой электронный научный журнал. – 2015. – Т.2, №3. – С. 34-40.