Teres-1t.ru

Инженерные решения
4 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Вихревые токи в сердечнике трансформатора

Вихревые токи в сердечнике трансформатора

Взаимодействие электромагнитного поля с проводниками образует вихревые токи. Это явление способно выполнять полезные и вредные функции. В определенных ситуациях энергия затрачивается попусту либо ухудшает работоспособность трансформаторов и линий электропередачи. Однако правильное применение базовых принципов данного эффекта позволяет бесконтактным образом исследовать состав материалов, решать другие практические задачи.


В индукционных варочных панелях токи Фуко разогревают посуду с экономичным потреблением электроэнергии

Объяснение явления [ | код ]

Свободные носители заряда (электроны) в металлическом листе движутся с листом вправо, поэтому магнитное поле оказывает на них боковую силу из-за силы Лоренца . Поскольку вектор скорости v зарядов направлен ​​вправо, а магнитное поле B направлено вниз, из правила буравчика сила Лоренца на положительных зарядах F = q(v × B) направлена ​​к задней части диаграммы (слева если смотреть в направлении движения v ). Это вызывает ток I по направлению к задней части под магнитом, который вращается по частям листа вне магнитного поля, по часовой стрелке вправо и против часовой стрелки влево, снова к передней части магнита. Подвижные носители заряда в металле, электроны, на самом деле имеют отрицательный заряд (q <0), поэтому их движение противоположно направлению показанного обычного тока.

Магнитное поле магнита, действующее на электроны, движущиеся вбок под магнитом, затем создает силу Лоренца, направленную назад, противоположную скорости металлического листа. Электроны при столкновении с атомами металлической решетки передают эту силу листу, оказывая на лист силу сопротивления, пропорциональную его скорости. Кинетическая энергия , которая потребляется преодоление этой силы сопротивления рассеивается в виде тепла за счет токов , протекающих через сопротивление металла, так что металл получает тепло под магнитом.

Токи Фуко возникают под действием изменяющегося во времени (переменного) магнитного поля [4] и по физической природе ничем не отличаются от индукционных токов, возникающих в проводах и вторичных обмотках электрических трансформаторов.

Читайте так же:
Проводит ли ток теплопроводная паста

Свойства

Токи Фуко могут использоваться для левитации токопроводящих объектов, движения или интенсивного торможения.

Вихревые токи также могут иметь нежелательные эффекты, например потери мощности в трансформаторах . В этом приложении они минимизируются за счет использования тонких пластин, ламинирования проводников или других деталей формы проводников. Поскольку электрическое сопротивление массивного [5] проводника может быть мало, то сила индукционного электрического тока, обусловленного токами Фуко, может достигать чрезвычайно больших значений. В соответствии с правилом Ленца токи Фуко в объеме проводника выбирают такой путь, чтобы в наибольшей мере противодействовать причине, вызывающей их протекание, что является частным случаем принцип Ле Шателье. Поэтому, в частности, движущиеся в сильном магнитном поле хорошие проводники испытывают сильное торможение, обусловленное взаимодействием токов Фуко с внешним магнитным полем. Этот эффект используется для демпфирования подвижных частей гальванометров, сейсмографов и других приборов без использования силы трения, а также в некоторых конструкциях тормозных систем железнодорожных поездов.

Самоиндуцированные вихревые токи ответственны за скин-эффект в проводниках [6] . Скин-эффект может использоваться для неразрушающего контроля материалов на предмет геометрических характеристик, таких как микротрещины. [7]

Рассеивание мощности вихревыми токами [ | ]

При определенных допущениях (однородный материал, однородное магнитное поле, отсутствие скин-эффекта и т. Д.) Потери мощности из-за вихревых токов на единицу массы для тонкого листа или проволоки можно рассчитать по следующему уравнению [8] :

P потеря мощности на единицу массы (W/kg), Bp максимальное магнитное поле (T), d толщина листа или диаметр проволоки (m), f частота (Hz), k константа, равная 1 для тонкого листа и 2 для тонкой проволоки, ρ удельное сопротивление материала (Ω m), D плотность материала (kg/m 3 ).

Это уравнение справедливо только в так называемых квазистатических условиях, когда частота намагничивания не приводит к скин-эффекту ; то есть электромагнитная волна полностью проникает в материал.

Читайте так же:
Провод теплого пола spyheat

Уравнение диффузии

Вывод полезного уравнения для моделирования эффекта вихревых токов в материале начинается с дифференциалом, магнитостатической формой закона Ампера [9] , обеспечивая выражение для намагничивающего поля Н окружающей плотности тока J:

Из закона Гаусса для магнетизма ∇ · H = 0 , тогда

Используя закон Ома, J = σE, который связывает плотность тока J с электрическим полем E с точки зрения проводимости материала σ, и предполагая изотропную однородную проводимость, уравнение можно записать как

Используя дифференциальную форму закона Фарадея ∇ × E = −∂B/∂t , получаем

По определению B = μ(H + M) где M — намагниченность материала, а μ проницаемость вакуума . Таким образом, уравнение диффузии принимает вид:

Что такое индуктотермия

Со времен открытия Майклом Фарадеем переменного магнитного поля, порождаемого электричеством, прошло еще много лет, прежде чем ученые выявили возможность его применения в лечебно-профилактических целях. Сейчас физиотерапевтические методы на основе благотворных для организма свойств магнитного поля практикуются по всему миру, особой популярностью пользуется индуктотермия.

Можно понять смысл индуктотермии, обратившись к расшифровке этого термина: от латинского «inductio» — наведение, «therme» — тепло, жар. Подробно характеризуется, что такое индуктотермия, в рамках курортологии: это форма электротерапии, которая действует посредством магнитного поля высокой частоты (от 3 до 30 МГц). Поэтому другое название индуктотермии – высокочастотная магнитотерапия. В основном для этой методики используется непрерывное магнитное поле (редко – импульсное) с частотами: 13,56, 27,12 или 40,68 МГц.

Магнитное поле создается при пропускании высокочастотного электрического тока по спиралевидному проводнику (индуктору), который подключается к специальному аппарату. Переменное магнитное поле воздействует на пациента, инициируя в электропроводниковых внутренних тканях организма соответствии с законом электромагнитной индукции высокочастотные вихревые токи (т.н. токи Фуко).

Этот процесс сопровождается активным выделением тепловой энергии, которая концентрируется в крови, лимфе и органах с повышенным кровоснабжением (легких, мышцах, почках, печени и т.д.).

Читайте так же:
Формула количества теплоты для переменного тока

Исследования показывают, что индуктотермия вызывает прогревание биологических тканей на существенную глубину – от 8 до 12 см (температура задействованных участков повышается в среднем на 3-5 градусов). Более равномерное прогревание тканей обеспечивается за счет создания воздушного зазора между телом и активными элементами (1-2 см).

Тепловой эффект индуктотермии неотделим от осцилляторного (нетеплового) действия высокочастотного переменного электромагнитного поля. Оно выражается в различных физико-химических модуляциях тканей на клеточном и молекулярном уровнях. Происходят множественные сложные процессы, в ходе которых формируются надмолекулярные белковые комплексы, меняется плотная фракция крови, модифицируются клеточные мембраны и т.д. Наиболее ярко осцилляторный эффект проявляется при низких показателях силы и мощности электрического тока.

Термическое и осцилляторное воздействие индуктотермии отражается прежде всего на регуляторной функции нервной системы. Кратковременное влияние интенсивного магнитного поля активизирует чувствительность нервных волокон, ускоряя проводимость ими биоэлектрических импульсов. Напротив, более длительное воздействие полем влечет преобладание тормозных процессов в центральной нервной системе и, как следствие, оказывает десенситивное, анальгезирующее и седативное действие, пациент ощущает расслабленность, сонливость.

Интенсивное прогревание тканей в процессе индуктотермии вызывает расширение стенок сосудов и мелких капилляров, усиливая кровоток и лимфообращение. В результате вводятся в систему кровоснабжения неактивные капилляры, налаживается кровоснабжение тканей и внутренних органов, ускоряется коллатеральное кровообращение. Увеличение проницаемости клеточных мембран способствует развитию обменно-трофических, метаболических процессов, что влечет регресс дегенеративно-дистрофических деформаций, способствует нейтрализации очагов воспаления, улучшает качественный состав крови, стимулирует фагоцитоз.

Благотворное влияние индуктотермии выражается также в общей нормализации функций внутренних органов: прочищаются и укрепляются бронхи, устраняются спазмы и патологические процессы в дыхательной системе, стимулируется выделение и сбрасывание желчи, усиливаются мочевыделительные способности почек, активизируется синтез гормонов железами внутренней секреции.

Магнитное поле характеризуется высокими регенерационными способностями – повышается скорость заживления ран, восстановления поврежденной костно-мышечной ткани, возвращается двигательная активность суставов. Обобщая, можно сказать, что основная терапевтическая ценность индуктотермии заключается в ее обезболивающем, спазмолитическом, миорелаксирующем, противовоспалительном, вазодилататорном и трофическом действии.

Читайте так же:
Вред теплового действия электрического тока

Для прохождения процедуры индуктотермии пациент ложится или садится в удобном положении на кушетку. Воздействие может осуществляться через легкую одежду, сухие повязки. При этом на теле и одежде пациента не должно быть металлических предметов (зубные коронки и вживленные протезы не представляют существенную помеху).

Дисковой индуктор закрепляют на расстоянии в 1-2 см от поверхности тела, индукторакабель устанавливают с зазором в виде полотенца или одеяла. Витки индукторной спирали должны быть расположены строго параллельно друг другу, на расстоянии 1-2 см. Для направленного воздействия на сосуды и нервы используют индуктор петлеобразной формы.

По ходу процедуры пациент ощущает приятное тепло, разливающееся по всему телу. В зависимости от степени интенсивности теплоощущений выделяются малая, средняя и большая тепловые дозировки индуктотермии. Длительность каждой процедуры индуктотермии сугубо индивидуальна, но в среднем составляет 15-30 минут. Курс лечения складывается из 10-15 процедур ежедневно или с перерывом на один день. Детям индуктотермия может назначаться с 5-летнего возраста.

Комбинации индуктотермии с другими физиотерапевтическими методиками составили основу для ее разновидностей – ультравысокочастотная индуктотермия, гальваноиндуктотермия, грязеиндуктотермия, индуктотермоэлектрофорез.

Благодаря многоспектральной направленности лечебного воздействия индуктотермии область ее применения в медицине чрезвычайно обширна: длительные, острые, хронические воспалительные заболевания внутренних органов и периферической нервной системы, болезни суставов, болевой остеохондроз позвоночника, переломы, разрывы мышц и связок, невриты слухового, лицевого нервов, хронический тонзиллит, подострые воспаления носовых пазух, гиперкинезия голосового аппарата, клонические сокращения стременной мышцы, гипертония 1-2 стадии, склеродермия, патологии мочеполовой системы.

Индуктотермия противопоказана при остротекущих воспалительных процессах, наличии новообразований, ишемической болезни сердца, выраженной гипотонии, при вживленных кардиостимуляторах.

Применение на практике

Теперь о полезных сферах применения токов Фуко. Огромный вклад был внесен в металлургию изобретением индукционных сталеплавильных печей. Они устроены таким образом, что расплавляемую массу металла помещают внутри катушки, через которую протекает ток высокой частоты. Его магнитное поле наводит большие токи внутри металла до его полного плавления.

Читайте так же:
Блуждающие токи в теплообменниках

Сталеплавная печь

Примечание автора! Развитие индукционных печей значительно повысило экологичность производства металла и изменило представление о методах плавки. Я работаю на металлургическом комбинате, где десять лет назад запустили новый высокотехнологичный цех с такими установками, а спустя несколько лет после освоения нового оборудования был закрыт классический мартен. Это говорит о продуктивности такого способа нагрева металлов. Также используются вихревые токи для поверхностной закалки металла.

Наглядное применение на практике:

Кроме металлургии они используются на производстве электровакуумных приборов. Проблемой является полное удаление газов перед герметизацией колбы. С помощью токов Фуко электроды лампы разогревают до высоких температур, таким способом деактивируя газ.

В быту вы можете встретить кухонные индукционные плиты, на которых готовят пищу, благодаря как раз применению данного явления. Как видите, вихревые токи имеют свои плюсы и минусы.

Токи Фуко несут и пользу, и вред. В некоторых случаях их влияние влечёт за собой не электрические проблемы. Например, трубопровод, проложенный около кабельных линий, быстрее сгнивает без видимых сторонних причин. В то же время устройства индукционного нагрева довольно показали себя с хорошей стороны, тем более такой прибор для бытового использования можно собрать самому. Надеемся, теперь вы знаете, что такое вихревые токи Фуко, а также какое применение нашлось им на производстве и в быту.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector