Токи Фуко. Вихревые токи. Описание

Токи Фуко. Вихревые токи. Описание.

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.

Магнитный поток

Вокруг проводника с электротоком появляется электромагнитное поле, однако параллельно возникает также обратное явление – электромагнитная индукция. Рассмотрим магнитный поток на примере: если рамку из проводника поместить в электрическое поле с индукцией и перемещать ее сверху вниз по магнитным силовым линиям или вправо-влево перпендикулярно им, тогда магнитный поток, проходящий через рамку, будет постоянной величиной.

При вращении рамки вокруг своей оси, тогда через некоторое время магнитный поток изменится на определенную величину. В результате в рамке возникает ЭДС индукции и появится электрический ток, который называется индукционным.

Катушка индуктивности в цепи постоянного тока.

Итак, в первую очередь, давайте разберемся, что же происходит в самой катушке при протекании тока. Если ток не изменяет своей величины, то катушка не оказывает на него никакого влияния. Значит ли это, что в случае постоянного тока использование катушек индуктивности и рассматривать не стоит? А вот и нет 🙂 Ведь постоянный ток можно включать/выключать, и как раз в моменты переключения и происходит все самое интересное. Давайте рассмотрим цепь:

Резистор выполняет в данном случае роль нагрузки, на его месте могла бы быть, к примеру, лампа. Помимо резистора и индуктивности в цепь включены источник постоянного тока и переключатель, с помощью которого мы будем замыкать и размыкать цепь. Что же произойдет в тот момент когда мы замкнем выключатель?

Ток через катушку начнет изменяться, поскольку в предыдущий момент времени он был равен 0. Изменение тока приведет к изменению магнитного потока внутри катушки, что, в свою очередь, вызовет возникновение ЭДС (электродвижущей силы) самоиндукции, которую можно выразить следующим образом:

Возникновение ЭДС приведет к появлению индукционного тока в катушке, который будет протекать в направлении, противоположном направлению тока источника питания. Таким образом, ЭДС самоиндукции будет препятствовать протеканию тока через катушку (индукционный ток будет компенсировать ток цепи из-за того, что их направления противоположны). А это значит, что в начальный момент времени (непосредственно после замыкания выключателя) ток через катушку I_L будет равен 0. В этот момент времени ЭДС самоиндукции максимальна. А что же произойдет дальше? Поскольку величина ЭДС прямо пропорциональна скорости изменения тока, то она будет постепенно ослабевать, а ток, соответственно, наоборот будет возрастать. Давайте посмотрим на графики, иллюстрирующие то, что мы обсудили:

На первом графике мы видим входное напряжение цепи — изначально цепь разомкнута, а при замыкании переключателя появляется постоянное значение. На втором графике мы видим изменение величины тока через катушку индуктивности. Непосредственно после замыкания ключа ток отсутствует из-за возникновения ЭДС самоиндукции, а затем начинает плавно возрастать.

Напряжение на катушке наоборот в начальный момент времени максимально, а затем уменьшается. График напряжения на нагрузке будет по форме (но не по величине) совпадать с графиком тока через катушку (поскольку при последовательном соединении ток, протекающий через разные элементы цепи одинаковый). Таким образом, если в качестве нагрузки мы будем использовать лампу, то они загорится не сразу после замыкания переключателя, а с небольшой задержкой (в соответствии с графиком тока).

Аналогичный переходный процесс в цепи будет наблюдаться и при размыкании ключа. В катушке индуктивности возникнет ЭДС самоиндукции, но индукционный ток в случае размыкания будет направлен в том же самом направлении, что и ток в цепи, а не в противоположном, поэтому запасенная энергия катушки индуктивности пойдет на поддержание тока в цепи:

После размыкания ключа возникает ЭДС самоиндукции, которая препятствует уменьшению тока через катушку, поэтому ток достигает нулевого значения не сразу, а по истечении некоторого времени. Напряжение же в катушке по форме идентично случаю замыкания переключателя, но противоположно по знаку. Это связано с тем, что изменение тока, а соответственно и ЭДС самоиндукции в первом и втором случаях противоположны по знаку (в первом случае ток возрастает, а во втором убывает).

Кстати, я упомянул, что величина ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения силы тока, так вот, коэффициентом пропорциональности является ни что иное как индуктивность катушки:

На этом мы заканчиваем с катушками индуктивности в цепях постоянного тока и переходим к цепям переменного тока.

Обоснование правила Ленца

Для объяснения правила Ленца достаточно вспомнить закон сохранения энергии.

Возникающий в контуре ток, проходя по сопротивлению контура, совершает работу, которая тратится на нагревание провода катушки. Энергия для этого как раз и возникает при движении магнита. И, поскольку магнит должен при этом совершать положительную механическую работу – магнитное поле катушки должно быть направлено против поля самого магнита, в какую бы сторону он не двигался.

Только в этом случае магнит будет совершать положительную работу, энергия которой будет двигать заряды внутри контура, порождая индукционный ток, а индукционный ток, в свою очередь, будет совершать работу по нагреванию провода катушки (и отклонения стрелки гальванометра).

Рис. 3. Направление индукционного тока.

Формула закона Фарадея

Проводя опыты с катушками и магнитом, Фарадей обнаружил, что величина электродвижущей силы зависит от скорости перемещения катушек или магнита. Это позволило ему выявить закономерность и сформулировать закон электромагнитной индукции.

Закон электромагнитной индукции: электродвижущая сила пропорциональна скорости изменения магнитного потока, проходящего через контур.

Формулировка закона выглядит следующим образом: Ε=-ΔΦ/Δt

E в этой формуле – электродвижущая сила, ΔΦ – изменение магнитного потока, а Δt – время, за которое изменяется магнитный поток. Единицы измерения ЭДС – вольты, магнитного потока – веберы. Δ – разница между конечным и начальным параметром.

В выражении закона Фарадея стоит минус. Он подразумевает применение к этому закону правила Ленца.

Э. Х. Ленц – российский физик, основоположник электротехники. Сформулировал правило индукционного тока в 1833 году.

Правило Ленца добавляет к закону пояснение, что ток, образовавшийся в результате индукции, всегда имеет противоположное направление образующему его магнитному потоку. Магнитное поле индукционного тока всегда препятствует магнитному потоку из внешнего источника. Суть правила очень близка закону сохранения энергии.

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

Явление самоиндукции

Ханс Кристиан Эрстед открыл существование магнитного поля вокруг проводника или катушки с током. Также ученый установил, что характеристики этого поля прямым образом связаны с силой тока и его направлением. Если ток в катушке или проводнике будет переменным, то он породит магнитное поле, которое не будет стационарным, то есть будет меняться. В свою очередь это переменное поле приведет к возникновению индуцированного тока (явление электромагнитной индукции). Движение тока индукции будет всегда противоположно циркулирующему по проводнику переменному току, то есть будет оказывать сопротивление при каждом изменении направления тока в проводнике или катушке. Этот процесс получил название самоиндукции. Создаваемая при этом разность электрических потенциалов называется ЭДС самоиндукции.

Отметим, что явление самоиндукции возникает не только при изменении направления тока, но и при любом его изменении, например, при увеличении за счет уменьшения сопротивления в цепи.

Для физического описания сопротивления, оказываемого любому изменению тока в цепи за счет самоиндукции, ввели понятие индуктивности, которая измеряется в генри (в честь американского физика Джозефа Генри). Один генри — это такая индуктивность, для которой при изменении тока за 1 секунду на 1 ампер возникает ЭДС в процессе самоиндукции, равная 1 вольт.

Инновации технологии индукционного нагрева и будущее развитие

Даже с учётом того, что системы индукционного нагрева уже достигли зрелости в качестве технологии, развитие современных технологий постоянно сопровождается возможностями для новых направлений исследований.

Ближайшие годы обещают пополниться следующими темами, которые, как ожидается, должны представлять значительный интерес для индустриального сектора.

Повышение эффективности применения

Совершенство технологий производства полупроводников обещает появление систем индукционного нагрева более высокой эффективности. Кроме того, специальные формы и конструкции катушки индуктивности также обеспечат повышение эффективности технологии.

В результате улучшения следует ждать не только в плане производительности, но и в плане надежности систем индукционного нагрева.

Индустриальные машины, относящиеся к описываемой технологии, то есть – поддерживающие индукционный нагрев, уже несколько последних лет отмечаются активным совершенствованием

Технологические нагреватели, наделённые несколькими катушками – это:

• лучшее распределение тепла,
• более высокая производительность,
• гибкость процессов,

при использовании нескольких одновременно работающих катушек.

Такие системы представляют значительный технологический прорыв и всё чаще применяются не только в промышленности, но и в бытовом секторе. Однако не обходится и без проблем.

Так, следует приложить усилия для оптимизации конструкции преобразователя мощности с несколькими выходами и передовые алгоритмы управления. Другая проблема для внимательного рассмотрения, — это эффект связи между отдельными катушками.

Совершенство процесса управления и расширение применения

Усовершенствованное управление требует внедрения надёжных алгоритмов управления для обеспечения правильной работы преобразователя мощности под различные нагрузки индукционного нагрева и рабочих точек.

Управление системами, где используются несколько катушек, является еще одной проблемой. Ожидается повышение производительности и оптимизация переходных процессов за счёт внедрения блоков управления идентификацией в реальном времени с адаптивными алгоритмами.

Ожидается, что диапазон применения индукционного нагрева будет увеличиваться с ростом технологий. Прогрев материалов с низким удельным сопротивлением, а также прогрев биологических тканей, используемых для медицинских целей, являются вопросами, представляющими особый интерес.

Есть ещё другие применения, которые нуждаются в дальнейших исследованиях для оптимизации параметров процесса.

При помощи информации: UltraFlexPower

КРАТКИЙ БРИФИНГ

Z-Сила — публикации материалов интересных полезных для социума. Новости технологий, исследований, экспериментов мирового масштаба. Социальная мульти-тематическая информация — СМИ .