От каких свойств сердечника зависят вихревые токи

Иллюстрация возникновения токов Фуко в движущейся в постоянном магнитном поле проводящей (металлической) пластине C. Вектор магнитной индукции B показан зелеными стрелками, вектор V скорости движения пластин — черными стрелками, силовые линии вектора плотности электрического тока I — красным цветом (эти линии замкнутые, «вихревые»).
Источником магнитного поля является постоянный магнит, его фрагмент показан вверху рисунка серым цветом. Вектор магнитной индукции B направлен от северного (N) полюса магнита, магнитное поле пронизывает пластину. В материале пластины, входящем под магнит, т.е. слева, магнитная индукция изменяется во времени, возрастает (dBn/dt > 0), и в соответствии с законами Фарадея и Ома в материале пластины возникает (наводится, «индуцируется») замкнутый (вихревой) электрический ток. Этот ток течет против часовой стрелки и, по закону Ампера, создает свое собственное магнитное поле, вектор магнитной индукции которого показан синей стрелкой, направленной перпендикулярно плоскости протекания тока, вверх.
Справа, в материале пластины, удаляющемся от магнита, магнитное поле тоже меняется во времени, однако оно ослабевает, и силовые линии возникающего справа еще одного электрического тока направлены по часовой стрелке.
Точно под магнитом «левый» и «правый» вихри токов направлены в одну и ту же сторону, плотность суммарного электрического тока максимальна. На движущиеся в этой области электрические заряды, поток которых образует электрический ток, в сильном магнитном поле действует сила Лоренца, направленная (по правилу левой руки) против вектора скорости V. Эта сила Лоренца тормозит пластину C. Взаимодействие магнитного поля магнита и магнитного поля индуцированных токов приводит к тому, что результирующее распределение потока магнитного поля в окрестности полюса N магнита отличается от случая неподвижной пластины C (и зависит от скорости V), хотя суммарный поток вектора магнитной индукции остается неизменным (при условии, что материал магнита и пластины C не входит в насыщение).

У этого термина существуют и другие значения, см. Ток.

Вихревые токи, или токи Фуко́ (в честь Ж. Б. Л. Фуко) — вихревой[1] индукционный[2] объёмный электрический ток[3], возникающий в электрических проводниках при изменении во времени потока действующего на них магнитного поля.

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: вращаемое магнитное поле наводит в медном диске вихревые токи, которые взаимодействуют с магнитной стрелкой. Вихревые токи были подробно исследованы французским физиком Фуко (1819—1868) и названы его именем. Фуко также открыл явление нагревания металлических тел, вращаемых в магнитном поле, вихревыми токами.

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.

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. 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.

Применение[править | править код]

Тепловое действие токов Фуко используется в индукционных печах, где в катушку, питаемую высокочастотным генератором большой мощности, помещают проводящее тело, в котором возникают вихревые токи, разогревающие его до плавления. Подобным образом работают индукционные плиты, в которых металлическая посуда разогревается вихревыми токами, создаваемыми переменным магнитным полем катушки, расположенной внутри плиты.

С помощью токов Фуко осуществляется прогрев металлических частей вакуумных установок для их дегазации.

В соответствии с правилом Ленца вихревые токи протекают внутри проводника по таким путям и направлениям, чтобы своим действием возможно сильнее противиться причине, которая их вызывает. Вследствие этого при движении в магнитном поле на хорошие проводники действует тормозящая сила, вызываемая взаимодействием вихревых токов с магнитным полем. Этот эффект используется в ряде приборов для демпфирования колебаний их подвижных частей.

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 (шихтовка). Появление ферритов сделало возможным изготовление этих сердечников сплошными.

Вихретоковый контроль — один из методов неразрушающего контроля изделий из токопроводящих материалов.

Примечания[править | править код]

1. ↑ Термин вихревой означает, что силовые линии тока замкнуты.
2. ↑ Индукционным называют электрический ток, создаваемый (наводимый) в проводнике за счет взаимодействия проводника с переменным во времени магнитным (электромагнитным) полем, а не за счет действия включенных в разрыв цепи источников тока и ЭДС (гальванических элементов и т.п.).
3. ↑ Часто используется термин токи во множественном числе, поскольку токи Фуко представляют собой электрический ток в объеме проводника, и в отличие от индукционного тока во вторичной обмотке трансформатора затруднительно указать единственную «электрическую цепь» для тока, единственную замкнутую траекторию движения электрических зарядов в толще проводника.
4. ↑ Строго говоря — под действием переменного электромагнитного поля
5. ↑ То есть обладающего большой площадью поперечного току сечения

Литература[править | править код]

• Сивухин Д. В.: Общий курс физики, том 3. Электричество. 1977
• Савельев И. В.: Курс общей физики, том 2. Электричество. 1970
• Неразрушающий контроль: справочник: В 7т. Под общ. ред. В. В. Клюева. Т. 2: В 2 кн.-М.:Машиностроение, 2003.-688 с.: ил.

Ссылки[править | править код]

• Про вихревые токи в «Школе для электрика»

 ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ, ïðèáîðàõ è ìàøèíàõ ìåòàëëè÷åñêèå äåòàëè èíîãäà äâèæóòñÿ â ìàãíèòíîì ïîëå èëè íåïîäâèæíûå ìåòàëëè÷åñêèå äåòàëè ïåðåñåêàþòñÿ ñèëîâûìè ëèíèÿìè ìåíÿþùåãîñÿ ïî âåëè÷èíå ìàãíèòíîãî ïîëÿ.  ýòèõ ìåòàëëè÷åñêèõ äåòàëÿõ èíäóêòèðóåòñÿ ÝÄÑ ñàìîèíäóêöèè.

Ïîä äåéñòâèåì ýòèõ ý. ä. ñ. â ìàññå ìåòàëëè÷åñêîé äåòàëè ïðîòåêàþò âèõðåâûå òîêè (òîêè Ôóêî), êîòîðûå çàìûêàþòñÿ â ìàññå, îáðàçóÿ âèõðåâûå êîíòóðû òîêîâ.

Âèõðåâûìè òîêàìè (òàêæå òîêàìè Ôóêî) íàçûâàþòñÿ ýëåêòðè÷åñêèå òîêè, âîçíèêàþùèå âñëåäñòâèå ýëåêòðîìàãíèòíîé èíäóêöèè â ïðîâîäÿùåé ñðåäå (îáû÷íî â ìåòàëëå) ïðè èçìåíåíèè ïðîíèçûâàþùåãî åå ìàãíèòíîãî ïîòîêà.

Âèõðåâûå òîêè ïîðîæäàþò ñâîè ñîáñòâåííûå ìàãíèòíûå ïîòîêè, êîòîðûå, ïî ïðàâèëó Ëåíöà, ïðîòèâîäåéñòâóþò ìàãíèòíîìó ïîòîêó êàòóøêè è îñëàáëÿþò åãî. Êðîìå òîãî, îíè âûçûâàþò íàãðåâ ñåðäå÷íèêà, ÷òî ÿâëÿåòñÿ áåñïîëåçíîé òðàòîé ýíåðãèè.

Ïóñòü èìååòñÿ ñåðäå÷íèê èç ìåòàëëè÷åñêîãî ìàòåðèàëà. Ïîìåñòèì íà ýòîò ñåðäå÷íèê êàòóøêó, ïî êîòîðîé ïðîïóñòèì ïåðåìåííûé òîê. Âîêðóã êàòóøêè îêàæåòñÿ ïåðåìåííûé ìàãíèòíûé òîê, ïåðåñåêàþùèé ñåðäå÷íèê. Ïðè ýòîì â ñåðäå÷íèêå ñòàíåò íàâîäèòüñÿ èíäóöèðîâàííàÿ ÝÄÑ, êîòîðàÿ, â ñâîþ î÷åðåäü, âûçûâàåò â ñåðäå÷íèêå òîêè, íàçûâàåìûå âèõðåâûìè. Ýòè âèõðåâûå òîêè íàãðåâàþò ñåðäå÷íèê. Òàê êàê ýëåêòðè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå ñåðäå÷íèêà íåâåëèêî, òî íàâîäèìûå â ñåðäå÷íèêàõ èíäóöèðîâàííûå òîêè ìîãóò îêàçûâàòüñÿ äîñòàòî÷íî áîëüøèìè, à íàãðåâ ñåðäå÷íèêà — çíà÷èòåëüíûì.

Âîçíèêîíâåíèå òîêîâ Ôóêî (âèõðåâûõ òîêîâ)

Âïåðâûå âèõðåâûå òîêè áûëè îáíàðóæåíû ôðàíöóçñêèì ó÷¸íûì Ä.Ô. Àðàãî (1786 — 1853) â 1824 ã. â ìåäíîì äèñêå, ðàñïîëîæåííîì íà îñè ïîä âðàùàþùåéñÿ ìàãíèòíîé ñòðåëêîé. Çà ñ÷¸ò âèõðåâûõ òîêîâ äèñê ïðèõîäèë âî âðàùåíèå. Ýòî ÿâëåíèå, íàçâàííîå ÿâëåíèåì Àðàãî, áûëî îáúÿñíåíî íåñêîëüêî ëåò ñïóñòÿ M. Ôàðàäååì ñ ïîçèöèé îòêðûòîãî èì çàêîíà ýëåêòðîìàãíèòíîé èíäóêöèè.

Âèõðåâûå òîêè áûëè ïîäðîáíî èññëåäîâàíû ôðàíöóçñêèì ôèçèêîì Ôóêî (1819 — 1868) è íàçâàíû åãî èìåíåì. Îí íàçâàë ÿâëåíèå íàãðåâàíèÿ ìåòàëëè÷åñêèõ òåë, âðàùàåìûõ â ìàãíèòíîì ïîëå, âèõðåâûìè òîêàìè.

 êà÷åñòâå ïðèìåðà íà ðèñóíêå ïîêàçàíû âèõðåâûå òîêè, èíäóêòèðóåìûå â ìàññèâíîì ñåðäå÷íèêå, ïîìåùåííîì â êàòóøêó, îáòåêàåìóþ ïåðåìåííûì òîêîì. Ïåðåìåííîå ìàãíèòíîå ïîëå èíäóêòèðóåò òîêè, êîòîðûå çàìûêàþòñÿ ïî ïóòÿì, ëåæàùèì â ïëîñêîñòÿõ, ïåðïåíäèêóëÿðíûõ íàïðàâëåíèþ ïîëÿ.

Âèõðåâûå òîêè: à — â ìàññèâíîì ñåðäå÷íèêå, á — â ïëàñòèí÷àòîì ñåðäå÷íèêå

Ñïîñîáû óìåíüøåíèÿ òîêîâ Ôóêî

Ìîùíîñòü, çàòðà÷èâàåìàÿ íà íàãðåâ ñåðäå÷íèêà âèõðåâûìè òîêàìè, áåñïîëåçíî ñíèæàåò ÊÏÄ òåõíè÷åñêèõ óñòðîéñòâ ýëåêòðîìàãíèòíîãî òèïà.

×òîáû óìåíüøèòü ìîùíîñòü âèõðåâûõ òîêîâ, óâåëè÷èâàþò ýëåêòðè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå ìàãíèòîïðîâîäà, äëÿ ýòîãî ñåðäå÷íèêè íàáèðàþò èç îòäåëüíûõ òîíêèõ (0,1- 0,5 ìì) ïëàñòèí, èçîëèðîâàííûõ äðóã îò äðóãà ñ ïîìîùüþ ñïåöèàëüíîãî ëàêà èëè îêàëèíû.

Ìàãíèòîïðîâîäû âñåõ ìàøèí è àïïàðàòîâ ïåðåìåííîãî òîêà è ñåðäå÷íèêè ÿêîðåé ìàøèí ïîñòîÿííîãî òîêà ñîáèðàþò èç èçîëèðîâàííûõ äðóã îò äðóãà ëàêîì èëè ïîâåðõíîñòíîé íåïðîâîäÿùåé ïëåíêîé (ôîñôàòèðîâàííûõ) ïëàñòèí, âûøòàìïîâàííûõ èç ëèñòîâîé ýëåêòðîòåõíè÷åñêîé ñòàëè. Ïëîñêîñòü ïëàñòèí äîëæíà áûòü ïàðàëëåëüíà íàïðàâëåíèþ ìàãíèòíîãî ïîòîêà.

Ïðè òàêîì äåëåíèè ñå÷åíèÿ ñåðäå÷íèêà ìàãíèòîïðîâîäà âèõðåâûå òîêè ñóùåñòâåííî îñëàáëÿþòñÿ, òàê êàê óìåíüøàþòñÿ ìàãíèòíûå ïîòîêè, êîòîðûìè ñöåïëÿþòñÿ êîíòóðû âèõðåâûõ òîêîâ, à ñëåäîâàòåëüíî, ïîíèæàþòñÿ è èíäóêòèðóåìûå ýòèìè ïîòîêàìè ý. ä. ñ, ñîçäàþùèå âèõðåâûå òîêè.

 ìàòåðèàë ñåðäå÷íèêà òàêæå ââîäÿò ñïåöèàëüíûå äîáàâêè, òàêæå óâåëè÷èâàþùèå åãî ýëåêòðè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå. Äëÿ óâåëè÷åíèÿ ýëåêòðè÷åñêîãî ñîïðîòèâëåíèÿ ôåððîìàãíåòèêà ýëåêòðîòåõíè÷åñêóþ ñòàëü ïðèãîòîâëÿþò ñ ïðèñàäêîé êðåìíèÿ.

Øèõòîâàííûé ìàãíèòîïðîâîä òðàíñôîðìàòîðà

Ñåðäå÷íèêè íåêîòîðûõ êàòóøåê (áîáèí) íàáèðàþò èç êóñêîâ îòîææåííîé æåëåçíîé ïðîâîëîêè. Ïîëîñêè æåëåçà ðàñïîëàãàþò ïàðàëëåëüíî ëèíèÿì ìàãíèòíîãî ïîòîêà. Âèõðåâûå æå òîêè, ïðîòåêàþùèå â ïëîñêîñòÿõ, ïåðïåíäèêóëÿðíûõ íàïðàâëåíèþ ìàãíèòíîãî ïîòîêà, îãðàíè÷èâàþòñÿ èçîëèðóþùèìè ïðîêëàäêàìè. Äëÿ ìàãíèòîïðîâîäîâ ïðèáîðîâ è óñòðîéñòâ, ðàáîòàþùèõ íà âûñîêîé ÷àñòîòå, ïðèìåíÿþò ìàãíåòîäèýëåêòðèêè. ×òîáû ñíèçèòü âèõðåâûå òîêè â ïðîâîäàõ, ïîñëåäíèå èçãîòàâëèâàþò â âèäå æãóòà èç îòäåëüíûõ æèë, èçîëèðîâàííûõ äðóã îò äðóãà.

Ëèöåíäðàò — ýòî ñèñòåìà ïåðåïëåòåííûõ ìåäíûõ ïðîâîäîâ, â êîòîðîé êàæäàÿ æèëà èçîëèðîâàíà îò ñîñåäíèõ. Ëèöåíäðàò ïðåäíàçíà÷åí äëÿ èñïîëüçîâàíèÿ íà âûñîêî÷àñòîòíûõ òîêàõ äëÿ ïðåäîòâðàùåíèÿ âîçíèêíîâåíèÿ ïàðàçèòíûõ òîêîâ è òîêîâ Ôóêî.

Ïðèìåíåíèå òîêîâ Ôóêî

 ðÿäå ñëó÷àåâ âèõðåâûå òîêè èñïîëüçóþòñÿ â òåõíèêå, íàïðèìåð äëÿ òîðìîæåíèÿ âðàùàþùèõñÿ ìàññèâíûõ äåòàëåé. Ýëåêòðîäâèæóùàÿ ñèëà, íàâîäèìàÿ â ýëåìåíòàõ äåòàëè ïðè ïåðåñå÷åíèè ìàãíèòíîãî ïîëÿ, âûçûâàåò â åå òîëùå çàìêíóòûå òîêè, êîòîðûå, âçàèìîäåéñòâóÿ ñ ìàãíèòíûì ïîëåì, ñîçäàþò çíà÷èòåëüíûå ïðîòèâîäåéñòâóþùèå ìîìåíòû.

Øèðîêî ïðèìåíÿåòñÿ òàêæå òàêîå ìàãíèòîèíäóêöèîííîå òîðìîæåíèå äëÿ óñïîêîåíèÿ äâèæåíèÿ ïîäâèæíûõ ÷àñòåé ýëåêòðîèçìåðèòåëüíûõ ïðèáîðîâ, â ÷àñòíîñòè äëÿ ñîçäàíèÿ ïðîòèâîäåéñòâóþùåãî ìîìåíòà è òîðìîæåíèÿ ïîäâèæíîé ÷àñòè ýëåêòðè÷åñêèõ ñ÷åò÷èêîâ.

 ýòèõ ïðèáîðàõ äèñê, óêðåïëåííûé íà îñè ñ÷åò÷èêà, âðàùàåòñÿ â çàçîðå ïîñòîÿííîãî ìàãíèòà. Íàâîäèìûå â ìàññå äèñêà ïðè ýòîì äâèæåíèè âèõðåâûå òîêè, âçàèìîäåéñòâóÿ ñ ïîòîêîì òîãî æå ìàãíèòà, ñîçäàþò ïðîòèâîäåéñòâóþùèé è òîðìîçÿùèé ìîìåíòû.

Íàïðèìåð, âèõðåâûå òîêè íàøëè â óñòðîéñòâå ìàãíèòíîãî òîðìîçà äèñêà ýëåêòðè÷åñêîãî ñ÷åò÷èêà. Âðàùàÿñü, äèñê ïåðåñåêàåò ìàãíèòíûå ñèëîâûå ëèíèè ïîñòîÿííîãî ìàãíèòà.  ïëîñêîñòè äèñêà âîçíèêàþò âèõðåâûå òîêè, êîòîðûå, â ñâîþ î÷åðåäü, ñîçäàþò ñâîè ìàãíèòíûå ïîòîêè â âèäå òðóáî÷åê âîêðóã âèõðåâîãî òîêà. Âçàèìîäåéñòâóÿ ñ îñíîâíûì ïîëåì ìàãíèòà, ýòè ïîòîêè òîðìîçÿò äèñê.

 ðÿäå ñëó÷àåâ, ïðèìåíÿÿ âèõðåâûå òîêè, ìîæíî èñïîëüçîâàòü òåõíîëîãè÷åñêèå îïåðàöèè, êîòîðûå íåâîçìîæíî ïðèìåíèòü áåç òîêîâ âûñîêîé ÷àñòîòû. Íàïðèìåð, ïðè èçãîòîâëåíèÿ âàêóóìíûõ ïðèáîðîâ è óñòðîéñòâ èç áàëëîíà íåîáõîäèìî òùàòåëüíî îòêà÷àòü âîçäóõ è èíûå ãàçû. Îäíàêî â ìåòàëëè÷åñêîé àðìàòóðå, íàõîäÿùåéñÿ âíóòðè áàëëîíà, èìåþòñÿ îñòàòêè ãàçà, êîòîðûå ìîæíî óäàëèòü òîëüêî ïîñëå çàâàðèâàíèÿ áàëëîíà.

Äëÿ ïîëíîãî îáåçãàæèâàíèÿ àðìàòóðû âàêóóìíûé ïðèáîð ïîìåùàþò â ïîëå âûñîêî÷àñòîòíîãî ãåíåðàòîðà, â ðåçóëüòàòå äåéñòâèÿ âèõðåâûõ òîêîâ àðìàòóðà íàãðåâàåòñÿ äî ñîòåí ãðàäóñîâ, îñòàòêè ãàçà ïðè ýòîì íåéòðàëèçóþòñÿ.

Èñïîëüçîâàíèå âèõðåâûõ òîêîâ ïðè èíäóêöèîííîé çàêàëêå ìåòàëëîâ

Ïðèìåðîì ïîëåçíîãî ïðèìåíåíèÿ âèõðåâûõ òîêîâ, âûçûâàåìûõ ïåðåìåííûì ïîëåì, ìîãóò ñëóæèòü ýëåêòðè÷åñêèå èíäóêöèîííûå ïå÷è.  íèõ ìàãíèòíîå ïîëå âûñîêîé ÷àñòîòû, ñîçäàâàåìîå îáìîòêîé, êîòîðàÿ îêðóæàåò òèãåëü, íàâîäèò âèõðåâûå òîêè â ìåòàëëå, íàõîäÿùåìñÿ â òèãëå. Ýíåðãèÿ âèõðåâûõ òîêîâ òðàíñôîðìèðóåòñÿ â òåïëî, ïëàâÿùåå ìåòàëë.

Источник

§22. Вихревые токи

Возникновение вихревых токов. Изменяющийся магнитный поток
способен индуцировать э. д. с. не только в проводах или витках катушек, но и в массивных стальных сердечниках, кожухах и других металлических деталях электротехнических установок. Эти э. д. с. являются причиной появлений индуцированных токов, которые действуют в массивных металлических деталях, замыкаясь накоротко в их толще. Такие токи получили название вихревых. Например, при изменении магнитного потока, созданного катушкой 1 (рис. 56, а), в ее стальном сердечнике 2 индуцируются вихревые

Рис. 56. Возникновение вихревых токов

Рис. 57. Устройство сердечников электрических машин и аппаратов из отдельных изолированных стальных листов.

токи, замыкающиеся в плоскости, перпендикулярной силовым линиям магнитного поля. Вихревые токи возникают также в сердечниках 3 якорей и роторов электрических машин при вращении их в магнитном поле (рис. 56, б). Природа вихревых токов такая же, как и токов, индуцированных в обычных проводах или катушках. Благодаря очень малому сопротивлению массивных проводников вихревые токи даже при небольшой индуцированной э. д. с. достигают очень больших значений, вызывая чрезмерное нагревание этих проводников.

Способы уменьшения вредного действия вихревых токов. В электрических машинах и аппаратах вихревые токи обычно нежелательны, так как они вызывают нагрев металлических сердечников, создают потери энергии (так называемые потери от вихревых токов), снижают к. п. д. электрических машин и аппаратов и оказывают согласно правилу Ленца размагничивающее действие. Для уменьшения вредного действия вихревых токов применяют два основных способа.

1. Сердечники электрических машин и аппаратов выполняют из отдельных стальных листов 1 (рис. 57) толщиной 0,35—1,0 мм, изолированных один от другого слоем изоляции 2 (лаковой пленкой, окалиной, образующейся при отжиге листов, и пр.). Благодаря этому преграждается путь распространению вихревых токов и уменьшается поперечное сечение каждого отдельного проводника, через которое протекают эти токи, что приводит к уменьшению силы тока.

2. В состав электротехнической стали, из которой изготовляют сердечники электрических машин и аппаратов, вводят 1—5 % кремния, что обеспечивает повышение ее электрического сопротивления. Благодаря этому достигается снижение силы вихревых токов, протекающих по сердечникам электрических машин и аппаратов.

Потери мощности от вихревых токов пропорциональны квадрату индукции В магнитного поля и квадрату частоты f его изменения. При увеличении индукции и частоты изменения магнитного

Рис. 58. Расплавление металла (а), сварка и пайка (б) металлических деталей с помощью вихревых токов: 1 — тигель с металлом; 2 — высокочастотный индуктор; 3 — сжимающее усилие; 4 — свариваемые трубы; 5 — нагретый металл; 6— пластина из твердого сплава; 7 — резец

Рис. 59. Закалка металлических изделий с помощью вихревых токов: 1-шестерня; 2 – высокочастотный индуктор; 3- нагретый металл; 5 – головка рельса

поля, а также при увеличении частоты вращения роторов и якорей электрических машин эти потери резко возрастают.

Использование вихревых токов. В ряде случаев вихревые токи используют для полезных целей. Например, при помощи вихревых токов расплавляют металлы (рис. 58, а). Для этой цели тигель с металлом помешают в изменяющееся магнитное поле, которое индуцирует вихревые токи, расплавляющие металл. Таким же образом вихревые токи нагревают металлические детали при сварке, наплавке и пайке (рис. 58, б), а также осуществляют поверхностный нагрев, необходимый для закалки металлических изделий (рис. 59). Ввиду того что в этих случаях требуется увеличить тепло, выделяемое вихревыми токами, т. е. получить большие вихревые токи, для индуцирования их используют магнитные поля изменяющиеся с большой скоростью. Такие поля могут быть созданы при помощи специальных индукторов, выполненных в виде одного или нескольких витков, по которым проходят переменные быстро изменяющиеся токи — так называемые токи высокой частоты.

Вихревые токи — это… Что такое Вихревые токи?

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

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: вращаемое магнитное поле наводит в медном диске токи (вихревые), которые взаимодействуют с магнитной стрелкой. Вихревые токи были подробно исследованы французским физиком Фуко (1819—1868) и названы его именем. Он открыл явление нагревания металлических тел, вращаемых в магнитном поле, вихревыми токами.

Токи Фуко возникают под воздействием переменного электромагнитного поля и по физической природе ничем не отличаются от индукционных токов, возникающих в линейных проводах. Они вихревые, то есть замкнуты в кольца. Электрическое сопротивление массивного проводника мало, поэтому токи Фуко достигают очень большой силы. В соответствии с правилом Ленца они выбирают внутри проводника такое направление и путь, чтобы противиться причине, вызывающей их. Поэтому движущиеся в сильном магнитном поле хорошие проводники испытывают сильное торможение, обусловленное взаимодействием токов Фуко с магнитным полем. 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.

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.

Литература

1. Сивухин Д. В.: Общий курс физики, том 3. Электричество. 1977
2. Савельев И. В.: Курс общей физики, том 2. Электричество. 1970
3. Неразрушающий контроль: справочник: В 7т. Под общ. ред. В. В. Клюева. Т. 2: В 2 кн.-М.:Машиностроение, 2003.-688 с.: ил.

Ссылки

Про вихревые токив «Школе для электрика»

Токи Фуко (вихревые токи)

      До сих пор мы рассматривали индукционные токи в линейных проводниках. Но индукционные токи будут возникать и в толще сплошных проводников при изменении в них потока вектора магнитной индукции . Они будут циркулировать в веществе проводника (напомним, что линии  – замкнуты). Так как электрическое поле вихревое, то и токи называются вихревыми токами, или токами Фуко.

Если медную пластину отклонить от положения равновесия и отпустить так, чтобы она вошла со скоростью υ в пространство между полосами магнита, то пластина практически остановится в момент ее вхождения в магнитное поле (рис. 3.8).

                          

Рис. 3.8                                         Рис. 3.9

Замедление движения связано с возбуждением в пластине вихревых токов, препятствующих изменению потока вектора магнитной индукции. Поскольку пластина обладает конечным сопротивлением, токи индукции постепенно затухают и пластина медленно двигается в магнитном поле. Если электромагнит отключить, то медная пластина будет совершать обычные колебания, характерные для маятника.

Сила и расположение вихревых токов очень чувствительны к форме пластины. Если заменить сплошную медную пластину «гребенкой» – медной пластиной с пропилами, то вихревые токи в каждой части пластины возбуждаются меньшими потоками. Индукционные токи уменьшаются, уменьшается и торможение (рис. 3.9). Маятник в виде гребенки колеблется в магнитном поле почти без сопротивления. Этим опытом объясняется, почему сердечники электромагнитов, трансформаторов делают не из сплошного куска железа, а набранными из тонких пластин, изолированных друг от друга. В результате уменьшаются токи Фуко и выделяемое ими тепло.

Если взять медный диск диаметром » 5 см и толщиной » 5 мм и уронить его между полюсами электромагнита, то при выключенном магните диск падает с обычным ускорением. При включении магнитного поля » 1 Тл падение диска резко замедляется и его движение напоминает падение тела в очень вязкой среде.

Тормозящее действие тока Фуко используется для создания магнитных успокоителей – демпферов. Если под качающейся в горизонтальной плоскости магнитной стрелкой расположить массивную медную пластину, то возбуждаемые в медной пластине токи Фуко будут тормозить колебание стрелки. Магнитные успокоители такого рода используются в сейсмографах, гальванометрах и других приборах.

Токи Фуко применяются в электрометаллургии для плавки металлов. Металл помещают в переменное магнитное поле, создаваемое током частотой 500 – 2000 Гц. В результате индуктивного разогрева металл плавится, а тигль, в котором он находится, при этом остается холодным. Например, при подведенной мощности 600 кВт тонна металла плавится за 40–50 минут.

---

Вихревые токи — Знаешь как

Заменим кольцо, расположенное над катушкой с сердечником (рис. 3-16), металлическим диском. На рис. 3-19 изображен такой диск и след полюса электромагнита, расположенного под диском, но не показанного на рисунке. При всяком изменении тока в катушке электромагнита будет изменяться магнитный поток, пронизывающий диск, и в нем аналогично току в кольце будет индуктироваться кольцевой или, как его обычно называют, вихревой токи. Направление вихревого тока определяется так же, как и направление тока в кольце.

На рис. 3-20 изображен такой же диск и след полюса постоянного магнита, расположенного под диском, но не показанного на рисунке. При вращении диска участки его, расположенные над полюсом магнита, будут, пересекать магнитные линии магнита, вследствие чего в диске будет наводиться э. д. с. и под влиянием ее возникнет вихревой ток i (рис. 3-20). Направление э. д. c. наведенной на участке диска, расположенном над полюсом, и направление совпадающего с ней вихревого тока на том же участке определяются по правилу правой руки.

Рис. 3-19. Вихревые токи в диске, вызванные изменением магнитного потока

Рис. 3-20. Вихревые токи и диске при неизменном магнитном потоке и вращении диска.

При всяком изменении магнитного потока, пронизывающего проводящее тело или часть его, какую-либо деталь электрической машины аппарата или прибора, в ней наводится э. д. с, под влиянием которой возникают вихревые токи (рис. 3-21, а и 3-22, а). Вихревые токи, являясь частным случаем наведенных токов, подчиняются общим правилам и законам для токов.

В частности, вихревые токи вызывают нагревание материала, в котором они проходят, и появление магнитных потоков, которые по закону Ленца противодействуют причине, их вызывающей.

Само собой разумеется, что нагревание, вызываемое вихревыми токами, происходит за счет преобразования электрической энергии в тепловую. Таким образом, прохождение вихревых токов связано с затратой энергии, которую принято называть потерей от вихревых токов.

Рис. 3-21. Вихревые токи в стальном сердечнике.

Рис. 3-22. Вихревые токи в якоре электрической машины.

В одних случаях вихревые токи применяются в различных устройствах — нагревательных, тормозных (рис. 3-20) или для создания вращающих моментов (рис. 3-19) и приведения в действие приборов автоматики или измерительной техники; в других случаях, более многочисленных, появление их нежелательно, так как вследствие потерь на вихревые токи снижаются коэффициенты полезного действия машин и механизмов и, кроме того, они оказывают размагничивающие действия. В таких случаях стремятся уменьшить их, что достигается применением сердечников, выполненных из отдельных тонких (0,1—0,5 мм)_у изолированных друг от друга листов стали (рис. 3-21, б и 3-22, б) и применением сортов стали, обладающих большим удельным электрическим сопротивлением, — стали с содержанием 0,5—4% кремния. Мощность потерь в стали от вихревых токов выражается обычно в ваттах на килограмм. Она зависит от сорта стали, максимальной индукции (В_м), числа циклов изменения магнитной индукции в секунду (f), толщины листов стали.

Статья на тему Вихревые токи

ВИХРЕВЫЕ ТОКИ — Физический энциклопедический словарь

(токи Фуко) замкнутые электрич. токи в массивном проводнике, возникающие при изменении пронизывающего его магн. потока. В. т. явл. индукционными токами (см. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ), они образуются в проводящем теле либо вследствие изменения во времени магн. поля, в к-ром оно находится (рис. 1),

Рис. 1. Вихревые токи (пунктирные линии) в сердечнике катушки, включённой в цепь перем. тока I; указанное направление вихревых токов соответствует моменту увеличения магн. индукции В, создаваемой в сердечнике током.

либо в результате движения тела в магн. поле, приводящего к изменению магн. потока через тело или к.-л. его часть. В. т. замыкаются непосредственно в проводящей массе, образуя вихреобразные контуры. Согласно Ленца правилу, магн. поле В. т. направлено так, чтобы противодействовать изменению магн. потока, индуцирующему эти В. т.

В. т. приводят к неравномерному распределению магн. потока по сечению магнитопровода. Это объясняется тем, что в центре сечения магнитопровода напряжённость магн. поля В. т., направленная навстречу осн. магн. потоку, имеет наибольшее значение. В результате такого «вытеснения» поля при высоких частотах поток проходит лишь в тонком поверхностном слое сердечника. Это явление наз. магнитным скин-эффектом (аналогично электрич. скин-эффекту).

В соответствии с Джоуля — Ленца законом, В. т. нагревают проводники, в к-рых они возникли, что приводит к потерям энергии. Для их уменьшения и снижения эффекта «вытеснения» магн. поля магнитопроводы изготовляют не из сплошного куска, а из изолированных друг от друга отд. пластин, заменяют ферромагн. материалы магнитодиэлектриками и др.

Рис. 2. Возникновение электрич. скин-эффекта в проводнике с перем. током (Т указывает направление тока в нек-рый момент времени).

В. т. возникают и в самом проводнике, по к-рому течёт перем. ток, что приводит к неравномерному распределению тока по сечению проводника. В моменты увеличения тока в проводнике индукционные В. т. направлены у поверхности проводника по первичному току, а у оси проводника — навстречу току (рис. 2). В результате внутри проводника ток уменьшится, а у поверхности увеличится. Токи высокой частоты практически текут в тонком поверхностном слое, внутри же проводника тока нет. Это явление наз. электрическим скин-эффектом.

Вз-ствие В. т. с осн. магн. потоком приводит в движение проводящее тело. Это явление используется в измерит. технике, в машинах перем. тока и т. д.

Источник: Физический энциклопедический словарь на Gufo.me

---

Значения в других словарях

1. Вихревые токи — Токи Фуко, замкнутые электрические токи в массивном проводнике, которые возникают при изменении пронизывающего его магнитного потока. В. т. являются индукционными токами (см. Большая советская энциклопедия
2. ВИХРЕВЫЕ ТОКИ — ВИХРЕВЫЕ ТОКИ (токи Фуко) — замкнутые индукционные токи в массивных проводниках, которые возникают под действием вихревого электрического поля, порождаемого переменным магнитным полем. Большой энциклопедический словарь
3. ВИХРЕВЫЕ ТОКИ — ВИХРЕВЫЕ ТОКИ, электрический ток, движущийся по кругу; возникает в ПРОВОДНИКЕ под воздействием переменного магнитного поля. Вихревые токи вызывают потерю энергии в ГЕНЕРАТОРАХ и ДВИГАТЕЛЯХ переменного тока… Научно-технический словарь

история открытия, способы уменьшения вредного воздействия сил потоков, применение этого явления

Вихревые токи, или токи Фуко — индукционные объемные электрические токи, образующиеся в проводниках благодаря изменению по времени действующего на них потока магнитного поля. Так как сопротивление крупных проводников небольшое, то сила тока Фуко может быть довольно большой. Движение тока в проводнике, согласно правилу Ленца, осуществляется по пути наибольшего сопротивления силам, его вызвавшим.

История открытия явления

Впервые это явление открыл французский ученый Араго в двадцатых годах XIX века. На одной оси он установил медный диск, а над ним магнитную стрелку. Затем он начинал вращать стрелку, в результате чего диск тоже начинал вращаться.

Это явление получило название в честь ученого Араго. Когда Фарадей через несколько лет открыл закон электромагнитной индукции, он смог объяснить это явление. Вращаемое стрелкой магнитное поле приводит к появлению в диске вихревого тока, который и осуществлял его движение.

Более подробно исследованием этого явления занялся физик Фуко, который выявил нагревание металлических тел в результате воздействия на них магнитного поля. Российский физик Ленц также изучал и проводил эксперименты с вихревыми потоками. Он обнаружил, что они никак не влияют на изменение магнитного поля, от которого образовались.

Силы вихревых потоков

Чтобы повысить коэффициент полезного действия любого механизма, необходимо максимально уменьшить силы вихревых потоков. Для этого следует увеличить электрическое сопротивление магнитного провода. Метод снижения воздействия вихревых токов зависит от вида электрического устройства. Подавление токов Фуко осуществляют следующими способами:

1. При сборке трансформаторов сердечники набирают из тонких изолированных пластин. Это позволяет уменьшить степень нагрева от воздействия тока Фуко.
2. Металлические пластины располагают так, чтобы направление вихревого тока было перпендикулярным к их границам.
3. С появлением ферритов, которые обладают большим сопротивлением, стало возможным изготовлять цельные сердечники.

А также во время литья элементов сердечника добавляют кремний, который увеличивает электрическое сопротивление. Иногда применяют при сборке куски металлической проволоки, которые предварительно подвергают термической обработке.

Кроме того, применяют специальные прокладки для изоляции. Такие методы при сборке позволяют гораздо снизить силу токов Фуко, в результате чего увеличивается коэффициент полезного действия любого агрегата.

Магнитные провода в высокочастотном оборудовании тщательно изолируют друг от друга и скручивают в виде жгута. Каждую скрутку покрывают специальным изолирующим элементом. Для передачи электрической энергии на значительные расстояния используют многожильный кабель с изолированными проводами.

Использование в дефектоскопии

Вихретоковый метод контроля является одним из способов проверки структуры разных материалов. Основан он на анализе происходящих изменений во взаимодействии внешнего электромагнитного поля с вихревыми токами исследуемого объекта.

В качестве источника электромагнитного поля используют индуктивную катушку, на основе которой производят дефектоскопы. Этими приборами производят проверку контроля качества электропроводящих материалов:

• металлов и их сплавов;
• полупроводников;
• графитов и т. д.

Электромагнитное поле токов Фуко в проверяемом объекте воздействует на катушку прибора, наводя в ней электродвижущую силу или изменяя электрическое сопротивление. По изменению напряжения на катушке определяют свойства и качество проверяемого объекта.

Кроме дефектоскопов, которые обнаруживают разрывы в поверхности материалов, выпускают приборы для определения структуры и размеров объектов. На основе использования вихревых токов изготовляют аппарат для обнаружения электропроводящих элементов (металлоискатель).

Применение токов Фуко

Специалисты считают, что при применении токов Фуко они больше оказывают вредного воздействия, чем положительного. Но все же они нашли широкое применение в разных областях жизнедеятельности. Особенно это касается следующих сфер:

• металлургической промышленности;
• транспорта;
• вычислительной техники;
• электротехники.

На основе вихревых токов для металлургии производят агрегаты, которые позволяют транспортировать и закалять расплавленные металлы. В этой же промышленности широко используют индукционные печи. По своей производительности они гораздо превосходят аналогичные устройства, работа которых основана на других видах действия.

 

Кроме того, процессы плавления и закалки металлов возможны только с использованием этого явления. На транспорте при передвижении скоростных поездов на магнитных подушках используют тормозные системы, принцип работы которых основан на токах Фуко.

 

Создание современной вычислительной техники и трансформаторов стало возможным только благодаря применению и усовершенствованию в их конструкциях вихревых потоков. А также их используют в вакуумных устройствах, где проводят полную откачку воздуха и других газов.

Такие аппараты отличаются высокой экономичностью и производительностью. В настоящее время физики во многих странах продолжают изучать и экспериментировать с этим явлением. В результате чего удается с каждым годом совершенствовать устройства и оборудования, работающие на принципе вихревых токов.

Обнаружение поверхностных трещин в пластиковых материалах, армированных углеродным волокном, с использованием импульсного вихревого тока на основе прямоугольного дифференциального зонда

Для проверки поверхностных дефектов армированного углеродным волокном композитного материала были разработаны модели дифференциального и прямого измерения методом конечных элементов для импульсной вихретоковой дефектоскопии. встроенный. Был проанализирован принцип дифференциального импульсного обнаружения вихревых токов, и была сравнена чувствительность обнаружения дефектов с помощью двух видов измерений.Достоверность результатов моделирования подтверждена экспериментами. Результаты моделирования и экспериментов показывают, что метод обнаружения импульсных вихревых токов, основанный на прямоугольном дифференциальном датчике, может эффективно повысить чувствительность обнаружения поверхностных дефектов в композитном материале, армированном углеродным волокном.

1. Введение

В последние годы наблюдается рост интереса к использованию композитных материалов, особенно пластика, армированного углеродным волокном (CFRP), в аэрокосмической промышленности и в отраслях возобновляемой энергетики из-за малого веса и улучшенных механических свойств. по сравнению с металлами.Компоненты, изготовленные из углепластика, такие как лопасти ветряных турбин и фюзеляж самолета, должны быть испытаны для оценки качества после изготовления и контроля во время эксплуатации, чтобы продлить срок службы компонентов. Для этого используются методы неразрушающего контроля и оценки (NDT & E) [1].

Stoessel and Burrows et al. использовали метод ультразвукового контроля для обнаружения углепластика; он может четко идентифицировать дефекты. Однако этот метод обладал рядом недостатков, включая необходимость связующего вещества, необходимого для введения акустических волн, и недостаточную чувствительность к мелким поверхностным разрушающим дефектам [1, 2].Ченг, Тиан, Хе и др. применил метод импульсной вихретоковой тепловой визуализации для выявления дефектов углепластика; дефекты поверхности были идентифицированы путем сравнения температуры и теплового зазора изображения. Дефекты ударов 2 Дж и 4 Дж не обнаруживаются, горячая зона при ударах 6 Дж и 8 Дж была сосредоточена, а горячая зона при ударах 10 Дж и 12 Дж имела вид круга [3, 4]. Однако экспериментальное оборудование для импульсного вихретокового тепловидения очень дорогое, имеет высокую стоимость и плохую открытость.Так что сейчас он используется только в лаборатории. He et al. (2014) также использовали метод сканирования импульсных вихревых токов для характеристики различных типов дефектов в слоистых материалах из углепластика. Результаты показали, что низкоэнергетический удар от 4 до 12 Дж может быть эффективно обнаружен, а зависимость между энергией удара и пиковым значением напряженности магнитного поля была нелинейной [5]. Mook et al. представили метод восстановления распределения вихревых токов в углепластике и разработали высокочастотный датчик вихревых токов для обнаружения углепластика.Результаты показали, что ротационные датчики были способны обнаруживать ориентацию волокон, колебания фракции волокон, богатые смолой зоны, расслоение и ударные повреждения [6]. Schulze et al. применил анизотропный зонд с абсолютной полупрозрачностью для неразрушающего контроля углепластика на основе многочастотного вихретокового устройства. Результаты показали, что большинство дефектов углеродных волокнистых материалов (RCF) или углепластика может быть обнаружено [7]. Кояма и др. предложил зонд для вихретокового контроля, названный theta, который может обнаруживать ударные повреждения углепластика, вызванные энергией 0.25 Дж при высоком отношении сигнал / шум [8]. Инь и др. использовали три многочастотных датчика вихревых токов для определения характеристик углепластика. Три датчика были разработаны для измерения объемной проводимости, определения характеристик направленности и обнаружения неисправностей. Результаты показали, что проводимость углепластика была анизотропной; полярные диаграммы импеданса на поврежденных участках и без повреждений различались [9, 10]. Angani et al. изучили распределение магнитного поля по оси цилиндрической катушки при разработке цифровой системы вихретокового контроля.Это указывало на то, что сигнал вершины центральной оси цилиндрической катушки можно рассматривать как магнитное поле возбуждения; составляющая вихретокового сигнала может быть улучшена за счет вычитания верхнего и нижнего сигнала обнаружения [11]. Zhang et al. сравнили эффект обнаружения дефектов алюминиевого зубчатого диска с помощью абсолютного цилиндрического датчика и дифференциального цилиндрического датчика. Результаты показали, что дифференциальный зонд лучше обнаруживает дефекты [12]. В литературе [5–12] в основном описывается применение цилиндрического зонда в области неразрушающего контроля и электротехники.

Теодулидис и Криезис рассчитали импеданс прямоугольных испытательных катушек. Они обнаружили, что, когда прямоугольные датчики размещаются горизонтально, распределение вихревых токов становится более интенсивным по обеим сторонам катушки, и влияние эффекта отрыва становится меньше, поэтому это было полезно для обнаружения небольших дефектов [13]. Итая и др. изучили влияние обнаружения дефектов цилиндрического зонда, квадратного и прямоугольного зонда, сравнив скорость совпадения кривой теоретического вывода и распределения точек дефектов.Он обнаружил, что прямоугольный зонд имеет уникальное преимущество в обнаружении дефектов, а угол размещения прямоугольного зонда относительно направления дефектов имеет большее влияние на эффект обнаружения дефектов [14]. He et al. применен прямоугольный импульсный вихретоковый датчик для выявления поверхностных и подповерхностных дефектов. Они обнаружили, что, когда датчик находится в другом положении относительно дефекта, пиковые волны ответных сигналов имели одинаковую форму в направлении потока магнитной индукции, в то время как они имели разные формы в направлении возбуждающего тока, что улучшало эффективность классификации дефектов [15].

Из ранее опубликованной литературы было четко установлено, что свойства прямоугольного зонда точно могут быть использованы для проверки проводимости углепластика из-за того, что он относится к анизотропным материалам. В лаборатории авторов Zhou et al. использовал импульсный вихретоковый прямоугольный датчик для исследования проводимости углепластика и обнаружения дефектов углепластика. Результаты показали, что импульсный вихретоковый прямоугольный зонд может эффективно идентифицировать дефекты в определенном направлении [16]. Они (2014) также использовали прямоугольный импульсный вихретоковый зонд для обнаружения поверхностных дефектов углепластика.Результаты показали, что прямоугольный зонд может эффективно определять различную ширину и глубину трещинных дефектов, и с увеличением глубины или ширины надреза пиковое значение дифференциального сигнала дефекта увеличивается [17]. Однако импульсный вихретоковый прямоугольный дифференциальный испытательный зонд, применяемый для обнаружения углепластика, не очень распространен. Основная цель данной статьи — применить этот метод для обнаружения дефектов углепластика.

Остальная часть статьи организована следующим образом. Во-первых, направление размещенной прямоугольной катушки определяется моделированием.Во-вторых, дифференциальный принцип обнаружения импульсных вихревых токов анализируется с помощью моделирования методом конечных элементов, и чувствительность дифференциальной импульсной модели вихревых токов сравнивается с прямым измерением. В-третьих, точность результатов моделирования подтверждается экспериментами. Наконец, проводится исследование по распознаванию дефектов.

2. Создание имитационной модели и анализа

2.1. Создание имитационной модели

В этой статье была создана трехмерная модель прямоугольного зонда для вихретокового контроля с использованием Comsol Multiphysics 4.4. Для сравнения чувствительности обнаружения дефектов при дифференциальном и прямом измерении используются модель дифференциального обнаружения и модель прямого измерения, соответственно. На рисунке 1 показана конструкция датчика дифференциального вихретокового контроля. Разница между двумя моделями заключается в положении разреза. Положение разреза на армированной углеродным волокном пластине модели для прямого измерения находится в центре. Настройки параметров модели следующие: геометрический размер образца армированного углеродным волокном композитного материала 100 мм × 50 мм × 5 мм, на котором отдельно выгравированы насечки шириной (2 мм) с разной глубиной (1 мм, 2 мм, 3 мм. и 4 мм) и глубиной (2 мм) с различной шириной (1 мм, 2 мм, 3 мм и 4 мм) в образцах.Поскольку электропроводность армированного углеродным волокном композитного материала является анизотропным, продольная проводимость установлена ​​на уровне 10 ⁴ См / м, поперечная проводимость установлена ​​на уровне 10 ² См / м, а проводимость в поперечном направлении установлена ​​на уровне 10 ^2. См / м [18]. Длина, ширина и высота прямоугольной катушки возбуждения соответственно равны 50, 45 и 45 мм [19], частота прямоугольной волны установлена ​​на 100 Гц, диаметр эмалированного провода установлен на 0,3 мм, а количество витков катушки установлен на 1000 витков.

2.2. Имитационный анализ

2.2.1. Выберите направление размещения прямоугольных зондов.

Поскольку композиты, армированные углеродным волокном, являются анизотропными материалами, электропроводность каждого слоя разная. Электропроводность в направлении волокон является наибольшей, а направление волокон в каждом слое неодинаково. Изменение направления размещения катушки вызовет вихревой ток в разных слоях волокна. Следовательно, испытательная катушка, расположенная под другим углом, имеет большое влияние на эффект обнаружения дефектов углеродного волокна.Поэтому выбор подходящего направления особенно важен.

Поскольку направление разреза — направление, будет рассматриваться как продольное, так и поперечное размещение, как показано на Рисунке 2. Две модели рассчитываются соответственно. Результаты показаны на рисунке 3. Максимальное значение плотности вихревого тока на композитной пластине, армированной углеродным волокном, соответственно составляет 73,7 А / м ² , 55,7 А / м ² . Очевидно, что максимальное значение плотности вихревого тока при продольном размещении больше.Поэтому направление испытательного щупа будет рассматриваться по продольным направлениям.

.

3 Строение ядер | Ядерная физика: ядро ​​материи, топливо звезд

Ядерное вещество

Хотя тяжелые и даже сверхтяжелые ядра обсуждались выше, природа также дает ядра практически бесконечного размера в плотных ядрах нейтронных звезд, где адронная материя существует как однородная среда, а не сгруппирована в отдельные ядра. Многое из того, что мы узнаем из конечных ядер — природа нуклон-нуклонной силы, роль многонуклонных взаимодействий, коллективные возбуждения и т. Д. — имеет решающее значение для объяснения свойств бесконечной материи.Но многим новым объектам, например материи, почти полностью состоящей из нейтронов, нет аналогов в обычных ядрах.

В отсутствие кулоновских сил основное состояние адронной материи представляет собой однородную жидкость с равным числом протонов и нейтронов. Плотность этой жидкости составляет около 2,5 × 10 ¹⁴ г / см3 или, что эквивалентно, 0,16 нуклонов на кубический фемтометр. На самом деле такая жидкость имеет непомерно большую кулоновскую энергию и, следовательно, не существует. Однако ядра часто можно рассматривать как относительно стабильные маленькие капли холодной ядерной материи, и некоторые из их свойств можно отнести к свойствам однородной ядерной материи.

В космосе протяженная ядерная материя, имеющая большой избыток нейтронов над протонами и содержащая электроны для нейтрализации электрического заряда протонов, возникает в недрах нейтронных звезд и на короткое время в массивных звездах, которые коллапсируют, а затем взрываются как сверхновые. Исследования ядерной материи получили большой импульс после обнаружения нейтронных звезд в 1968 году и последующего интереса к пониманию сверхновых.

Зависимость давления от плотности и температуры, уравнение состояния, является одним из основных свойств материи.При малых значениях нейтронного избытка (т. Е. Когда числа нейтронов и протонов близки) холодное ядерное вещество представляет собой квантовую жидкость. Он расширяется при нагревании и претерпевает фазовый переход жидкость-газ с расчетной критической температурой примерно 18 МэВ. Напротив, вещество, состоящее только из нейтронов, считается газом даже при нулевой температуре.

Энергии связи и распределения плотности средних и больших ядер дают информацию об уравнении состояния холодной ядерной материи при плотностях вплоть до его равновесной плотности и при значениях отношения нейтронов к протонам до 1.5. Имеющихся в настоящее время данных недостаточно для определения уравнения состояния вещества с большим нейтронным избытком, что представляет интерес для астрофизики. Следовательно, экстраполяция полагается на теоретические предсказания уравнения состояния чистого нейтронного вещества. В следующем десятилетии будут предприняты большие усилия по изучению нестабильных ядер, богатых нейтронами, с использованием радиоактивных пучков, как обсуждалось в предыдущем разделе. Эти усилия предоставят важную дополнительную информацию.

Ядра и даже большие куски ядерной материи могут подвергаться глобальным колебаниям, в которых нейтроны движутся против протонов, или, альтернативно, нейтроны и протоны движутся в унисон, вызывая колебания плотности и формы.Эти колебания, концептуально подобные фундаментальным колебаниям колокола или жидкости

,

Меняющиеся поля — Урок — TeachEngineering

Введение / Мотивация

Нам необходимо понять эти свойства изменяющихся магнитных полей, чтобы решить нашу задачу (модуль MRI Safety Grand Challenge). Вихревые токи играют важную роль в технологии МРТ, и многие инженеры обеспокоены их воздействием на людей, которые проходят МРТ.

Демонстрация класса

: вихревые токи

Цель: Эта увлекательная демонстрация позволяет учащимся увидеть и почувствовать образование вихревых токов, когда постоянный магнит перемещается рядом с проводником.

Материалы:

• 1-3 медные трубы
• 1 цилиндрический магнит (достаточно маленький, чтобы пропустить через медную трубу)
• 1 сильный магнит NdFeB
• 1 большой блок из меди или алюминия *
• (опция) 1 труба ПВХ
• 1 немагнитный железный цилиндр (достаточно маленький, чтобы провалиться через медную трубу)

* Если у вас нет в наличии больших блоков меди или алюминия, импровизируйте с медным радиатором от старого компьютера или 75-футовым рулоном алюминиевой фольги, разверните его и сложите более 75 или более раз в толстый квадрат.

Демо 1:

Попросите учащихся подержать сильный магнит (чем сильнее, тем лучше) над блоком из проводящего металла. Магнит не притягивает и не отталкивает. Попробуйте переместить магнит по поверхности металла и почувствуйте силу, замедляющую движение вниз, которая создается взаимодействием с вихревыми токами, образующимися в металле.

Демо 2:

Пропустите железный цилиндр через медные и поливинилхлоридные трубы, чтобы показать, как он быстро проваливается через них.Затем опустите магнит через трубы из ПВХ, который также беспрепятственно упадет. Опустите магнит через медную трубку и обратите внимание, что он падает намного медленнее. Если у вас есть трубы разной толщины или магнитные цилиндры разной силы, покажите, как более сильное поле или более толстая медь приводит к более медленному падению. Обсудите это явление со студентами с точки зрения закона Фарадея и того, каким будет направление тока в медной трубе. Затем объясните силу, действующую на магнит, в терминах отталкивающих токов.

Чтобы решить проблему, мы должны уметь использовать закон Фаррадея и понимать закон Ленца и то, как работают вихревые токи.

Демонстрация класса

: прыжковое кольцо

Цель: Цель этой демонстрации — помочь визуализировать закон Фарадея и закон Ленца, заставляя подвешенное кольцо внезапно «подпрыгивать» вперед и раскачиваться в воздухе из-за внезапного изменения магнитного поля. В качестве дополнения используйте эту демонстрацию, чтобы помочь студентам понять демпфированные и вынужденные колебания.Если у вас есть демонстрация прыжкового кольца, вы можете использовать его вместо этого.

Материалы:

• От 50 до 100 металлических плечиков для одежды
• 1 Источник питания 30 Вт или выше 5 В постоянного тока
• 2 лабораторных стенда
• Магнитный провод 16 калибра, 100 футов
• 3 провода с зажимом типа «крокодил»
• резьба, сколько нужно
• 1 малая петля медного провода (незамкнутая)
• 1 малая петля медного провода (замкнутая припаянная)
• 1 выключатель без фиксации

Рисунок A.Демонстрационная установка прыжкового кольца. Авторское право

Copyright © 2006 Эрик Аппельт, Университет Вандербильта

Чтобы подготовить оборудование, начните с вырезания длинных прямых частей из металлических плечиков для одежды и скрепите их связкой. Возьмите магнитный провод и намотайте примерно 100 футов вокруг одной стороны жгута. Возьмите небольшой кусок магнитной проволоки и спаяйте его в петлю, примерно в два раза превышающую диаметр пучка плечиков. Возьмите еще один кусок проволоки и согните его в аналогичную петлю, не соединяя концы.Положите пучок вешалок с катушкой на две лабораторные стойки, как показано на рисунке A. Подвесьте замкнутое кольцо вокруг спирального стержня сверху, как показано на рисунке A. Подключите катушку к источнику постоянного тока через кнопочный переключатель. Для более впечатляющего эффекта намотайте еще 100 футов и подключите параллельно, но убедитесь, что источник постоянного тока имеет достаточную мощность. Сопротивление катушки должно быть около 1 Ом, поэтому через катушку будет протекать ток 5 ампер. Низкое напряжение, используемое в демонстрации, позволяет студентам безопасно прикасаться, исследовать и взаимодействовать с ними, в отличие от более традиционных (и более впечатляющих) высоковольтных дисплеев, из-за которых кольцо взлетает в воздух.

Перед демонстрацией позвольте учащимся осмотреть устройство и обсудить изменение магнитного потока, которое произойдет в петле, а также то, в каком направлении закон Ленца будет определять, что ток в кольце будет течь. Затем обсудите, является ли ток в катушке параллельным или антипараллельным току в контуре, и какова будет сила на контуре. Также обсудите, какое усилие будет на петле при отключении тока.

Для вас безопасно разрешить учащимся управлять переключателем, а петлю можно приводить в движение и останавливать, используя силу индуцированного тока.Если ток приложен в нужное время, сила будет приводить в движение колебание маятника, что может быть использовано для обсуждения вызванных колебаний, если позволяет время.

После демонстрации с замкнутым кольцом замените его неподключенным кольцом и спросите класс, чего они ожидают. Демонстрация не сработает, поскольку кусок провода больше не создает замкнутую проводящую петлю, и ток не течет.

Чтобы решить сложную проблему безопасности МРТ, нам необходимо понять магнитные поля в материи.

Предпосылки и концепции урока для учителей

Устаревшая информация о цикле

Этот урок вписывается в фазу исследования и проверки наследия, во время которой учащимся предоставляется дополнительная информация, позволяющая им пересмотреть свои первоначальные идеи для решения задачи. Аспект исследования состоит из деятельности по индуцированной ЭДС, двух демонстраций эффектов магнитного поля и формальной лекции по магнитному потоку, закону индукции Фарадея, закону Ленца, вихревым токам, двигательной ЭДС и индуцированной ЭДС.

Информация: закон Фарадея, закон Ленца и вихревые токи

Рассмотрим прямоугольную проводящую петлю, выровненную перпендикулярно странице, движущуюся вверх в магнитное поле, указывающее вправо, как показано на рисунке B.

Рисунок B Авторское право

Авторское право © 2006 Эрик Аппельт, Университет Вандербильта

По уравнению магнитной силы

, свободные электроны в верхней части проводника будут ускоряться за пределы страницы, создавая обычный ток в верхней части петли, указывающий на страницу.Бока петли будут зажаты внутрь под действием силы. Если петля поднимается до точки, где нижний сегмент также находится в поле, свободные электроны в нижнем сегменте также будут ускоряться за пределы страницы, подавляя ток из верхнего сегмента.

Из этого мы можем сделать вывод, что, пока проводник частично находится в поле, через петлю провода будет протекать ток. Величина тока зависит от напряженности поля и резистивных свойств проводника.

Обратите внимание, что по мере того как петля поднимается в поле, количество силовых линий магнитного поля, проходящих через петлю, увеличивается. Также обратите внимание, что возникающий ток будет создавать собственное магнитное поле в направлении, противоположном однородному полю. Несмотря на то, что в проводе создается ток, магнитная сила не выполняет никакой работы , а просто меняет направление движения электронов в проводящей петле.

Если петля начинает подниматься над полем, так что верхний сегмент больше не находится в поле, магнитная сила, действующая на электроны, создает ток в противоположном направлении.В этом случае количество линий магнитного поля, проходящих через петлю, уменьшается, и ток создает собственное магнитное поле в том же направлении, что и статическое поле.

В любом случае обратите внимание, что:

• Ток возникает, когда величина магнитного поля в контуре изменяется.
• Если величина поля через петлю увеличивается, создаваемый ток создает поле, которое уменьшает общее поле через петлю (противодействует увеличению).
• Если величина поля через контур уменьшается, создаваемый ток создает поле и увеличивает общее поле через контур (противодействует уменьшению).

Теперь можно провести интересный эксперимент, оставив токовую петлю постоянным и вместо этого перемещая источник поля. В этом случае электроны не движутся, а магнитное поле движется. Если вы проведете этот эксперимент, обратите внимание на те же токи, которые получаются при перемещении проволочной петли. Это можно согласовать с уравнением магнитной силы, только если рассматривать против как относительную скорость электронов по отношению к полю, что имеет смысл, поскольку только относительная скорость действительно имеет значение в любом другом аспекте ньютоновской физики.

Следует сделать одно интересное наблюдение: в любом случае можно сделать одни и те же три вывода:

• Ток возникает, когда величина магнитного поля в контуре изменяется.
• Если величина поля через петлю увеличивается, создаваемый ток создает поле, которое уменьшает общее поле через петлю (противодействует увеличению).
• Если величина поля через контур уменьшается, создаваемый ток создает поле и увеличивает общее поле через контур (противодействует уменьшению).

В 1830-х годах Майкл Фарадей и Джозеф Генри провели множество экспериментов, перемещая петли через магнитные поля, и независимо от того, как они перемещали объекты, были применимы три вышеупомянутых вывода. Фактически, можно с таким же успехом спросить, что произойдет, если магнитное поле просто увеличится или уменьшится, и ни один объект не двинется?

Если провести этот эксперимент, вывод тот же! Однако в этом случае магнитная сила не может отвечать за ток, поскольку магнитная сила не выполняет никакой работы.Чтобы объяснить это явление, Фарадей постулировал, что изменяющееся магнитное поле создает электрическое поле, и именно это «индуцированное» электрическое поле толкает электроны по петле.

Чтобы лучше объяснить это явление математически, нам нужно формализовать понятие магнитного поля, проходящего через область, заключенную в петлю.

Магнитный поток

Рисунок Ccopyright

Copyright © 2006 Эрик Аппельт, Университет Вандербильта

где — угол между полем и нормалью к плоскости (см. Рисунок C).

Если интересующая нас область изогнута или магнитное поле неоднородно, нам нужно разрезать эту область на множество бесконечно малых плоскостей и суммировать или интегрировать потоки по всем крошечным плоскостям, то есть в более общем смысле ,

Стандартной единицей измерения магнитного потока является Вебер, где

Пример:

Плотно намотанный соленоид длиной 30 см и радиусом 2 см, имеющий 5000 витков на метр, помещается в однородное магнитное поле силой 5500 Гаусс, наклоненное под углом 30 градусов к оси соленоида (см. Рисунок D). ,Найдите магнитный поток через соленоид.

Рисунок D Авторское право

Авторское право © 2006 Эрик Аппельт, Университет Вандербильта

Решение:

Если мы рассмотрим один оборот соленоида, он имеет площадь, где r — радиус соленоида. Тогда поток на один виток

Учитывая длину L для соленоида, это всего петель нЛ , поэтому магнитный поток через все петли составляет

Обратите внимание, что мы приближаем этот соленоид как идеальный соленоид; то есть мы рассматриваем каждый цикл как полностью плоский.

Закон индукции Фарадея

Теперь, когда у нас есть четко определенное математическое понятие поля, проходящего через петлю, мы можем написать уравнение для создаваемого электрического поля. Концептуально закон Фарадея гласит, что полное поле, вращающееся вокруг петли, равно отрицательному изменению магнитного поля, то есть

Это уравнение может показаться громоздким, но вы можете заметить, что если вы интегрируете электрическое поле вдоль траектории, результатом будет изменение потенциальной энергии.Поскольку обход контура указывает на положительное изменение потенциала, мы будем использовать термин «ЭДС» для этого потенциала, как это делается для батареи:

Произведенное электрическое поле немного отличается от электрических полей, которые могут возникнуть при электростатике. В частности, поле не начинается и не заканчивается электрическим зарядом, а движется по кругу, как это делает магнитное поле. Также обратите внимание, что этот закон не предполагает наличия проводника, даже если нет провода, поле все равно будет генерироваться.

Если электрон вращается вокруг этого поля, он приобретает кинетическую энергию, перемещаясь вместе с силовыми линиями. Когда электрон возвращается в исходное положение, он будет иметь большую скорость, чем раньше. Если бы заряженная частица постоянно вращалась вокруг этой петли, она каждый раз набирала бы больше энергии, так что это индуцированное поле не является консервативным!

Электрические поля, создаваемые статическими зарядами, консервативны, то есть частица, возвращаясь в одно и то же место, вернется с тем же потенциалом и кинетической энергией.При изменении магнитного поля электрическое поле неконсервативно, поэтому заряженные частицы могут увеличивать общую энергию. Откуда эта энергия? Что ж, все, что отвечает за изменение магнитного поля, должно производить токи для создания поля, и поэтому этот агент должен быть тем, кто добавляет энергию в систему.

Пример:

Плотно намотанный соленоид длиной 30 см и радиусом 2 см, имеющий 5000 витков на метр, помещают в однородное магнитное поле, которое изначально равно нулю, но увеличивается с постоянной скоростью 500 Гаусс в секунду под углом 30 градусов. угол от оси соленоида.Соленоид соединен по замкнутой цепи и изготовлен из медного провода калибра 30, имеющего сопротивление 0,339 Ом на метр. Найдите ток через соленоид.

Решение:

Это тот же соленоид, который мы видели в предыдущем примере на рисунке D. Поток в данный момент времени должен быть:

где N — общее количество витков.

Затем

Знак минус указывает направление, но немного неясно, о каком направлении идет речь, и мы обсудим это в следующем разделе.

Общее сопротивление соленоида можно найти, определив длину. Имеется петель nL , каждая из которых имеет окружность

, поэтому длина провода и сопротивление.

По закону Ома,

Это довольно небольшой ток, и обратите внимание, что общая передаваемая мощность составляет

Это очень небольшое количество энергии. Если мы хотим получить больше энергии в цепи, нам нужно либо увеличить закрытую область с помощью более широкого поля, либо изменить поле быстрее.

Для генерации наведенного тока на практике часто создают статическое поле и вращают в нем проволочную петлю. Хотя поле не изменится, изменение угла означает, что поток через контур изменится, и, следовательно, будет индуцированный ток. Генерируемый ток будет переменным, поскольку он будет течь в одном направлении, а затем в другом по мере вращения петли. Вы можете спросить, кто делает работу по выработке энергии, и ответ — вы (человек, крутящий петлю).Если вам не хочется поворачивать рукоятку для выработки мощности, найдите водопад, чтобы повернуть колесо за вас!

Остается обсудить одну вещь, а именно то, как в первую очередь течет ток. Ответ такой же, как если бы мы индуцировали ток, перемещая петлю через поле, возникающий ток идет в направлении, которое создаст поле, противодействующее изменению потока. Это называется законом Ленца.

Закон Ленца

Ток, индуцированный изменением магнитного потока, находится в направлении, которое могло бы создать магнитное поле, противодействующее изменению магнитного потока.

Вихревые токи

Хотя мы рассматривали только проволочную петлю, вокруг любой воображаемой петли в пространстве будет индуцированное электрическое поле из-за изменяющегося магнитного поля. В случае пустого пространства или изолятора действие поля не будет движением какой-либо макроскопической величины свободного заряда. Однако в твердом проводнике свободный заряд будет перемещаться закрученными токами вокруг индуцированного поля. Этот ток приведет к джоулевому нагреву проводника, который будет рассеивать энергию в виде тепла.

Рисунок Ecopyright

Copyright © 2006 Эрик Аппельт, Университет Вандербильта

Чтобы увидеть, откуда берется эта энергия, представьте, что вы увеличиваете магнитный поток в твердом проводнике, подводя электромагнит (токовая петля) к проводнику, как показано на рисунке E. По мере приближения петли магнитный поток индуцирует вихрь. ток в проводнике, препятствующий изменению магнитного потока. Для этого он должен создавать магнитное поле в направлении, противоположном направлению электромагнита, а это означает, что вихревой ток должен течь в противоположном направлении.Как мы видели ранее, встречные токи отталкиваются, поэтому будет сила, замедляющая приближающийся магнит. Таким образом, вам нужно будет поработать, чтобы магнит двигался к проводнику, откуда исходит энергия, рассеиваемая вихревым током.

ЭДС движения и индуцированная ЭДС

Независимо от причины, если магнитный поток через проводящую петлю изменяется, возникает ЭДС в соответствии с законом Фарадея и законом Ленца. Это изменение потока может быть связано с усилением магнитного поля или с перемещением петли в магнитное поле.

Если петля движется в поле, ЭДС называется ЭДС движения .

Если само магнитное поле изменяется по величине, ЭДС называется индуцированной ЭДС . Обратитесь к упражнению «Индуцированная ЭДС в катушке провода», чтобы студенты могли испытать это на практике.

В любом случае, мы всегда можем найти величину ЭДС по уравнению: и направление по закону Ленца.

,

No related posts.