Вихревые токи, также известные как токи Фуко - довольно распространенное в электротехнике явление, играющее как положительную, так и отрицательную роль. В этой статье мы узнаем о том, как возникают вихревые токи, какую роль они оказывают на электрические устройства, а также о том, какие полезные функции можно реализовать с их помощью.
Ненадолго обратимся к школьному курсу физики. Как мы знаем, любое изменяющееся во времени и пространстве электрическое поле порождает изменяющееся магнитное поле. Обратное тоже верно: переменное магнитное поле влечет собой возникновение переменного электрического поля. Комбинация меняющихся в пространстве и времени полей и называется электромагнитным полем.
Что мы понимаем под словами «переменный», или «изменяющийся»? Эти слова описывают поле, величина которого меняется с течением времени или от одной точки пространства к другой. Например, в сетях переменного тока напряженность электрического поля, измеряемая в В/м (вольт на метр), меняется каждые 0,02 секунды. Если источник электромагнитного поля (скажем, катушку) поднести к токопроводящему предмету (например, медной пластине), в предмете начнет течь круговой ток, называемый вихревым или током Фуко.
В каких случаях вихревые токи – нежелательное явление?
Представим себе ротор генератора. Как известно, обмотка возбуждения предназначена для создания магнитного поля. Как это работает? По обмотке возбуждения протекает постоянный ток, следовательно, создаваемое этим током магнитное поле будет тоже постоянным - поле не будет менять величину по отношению к ротору. Однако с точки зрения неподвижного наблюдателя (или с точки зрения статора), в разных точках пространства поле имеет разную величину. Раз ротор вращается, можно сказать, что с точки зрения статора магнитное поле меняется в зависимости и от времени.
На катушках, установленных внутри статора, вращающееся магнитное поле создает электродвижущую силу, грубо говоря – напряжение. Но так как магнитное поле ротора постоянно движется по отношению к пластинам статора, в них начинают протекать вихревые токи, что приводит к нагреву корпуса генератора.
Рассмотрим другой всем знакомый пример — трансформатор. Ниже схематически изображены обмотки трансформатора. Как известно, обмотка наматывается на сердечник. Переменный ток, меняющий свое направление 100 раз в секунду, создает переменное магнитное поле, которое движется в виде магнитного потока Ф, обозначенного синим, вдоль сердечника, также меняя свое направление 100 раз в секунду.
Переменный магнитный поток порождает электрическое поле. Это электрическое поле приводит к тому, что в объеме сердечника трансформатора начинает протекать электрический ток. Из-за этого такой ток иногда называют объемным. Причем направление у этого вихревого тока такое, чтобы создаваемое им магнитное поле препятствовало изменению магнитного потока, создаваемого катушками.
Как токи Фуко влияют на работу электроустановок?
Как и в случае любых других токов, протекание токов Фуко приводит к нагреву проводников, в которых они текут. Чем выше сопротивление отдельных пластин магнитопровода трансформатора или другой электрической машины, тем более слабыми будут токи Фуко и тем меньший нагрев они будут вызывать. Для этого пластины делают тонкими и изолируют их друг от друга с помощью лака, не проводящего электрический ток.
Вихревые токи могут возникать даже в токопроводящем корпусе электрооборудования, приводить к локальному нагреву корпуса, и даже создавать помехи для чувствительного оборудования, расположенного поблизости.
В каких случаях вихревые токи несут пользу?
В металлургии вихревые токи используются для плавки металлов в индукционных печах: над поверхностью разогреваемой болванки помещается источник мощного высокочастотного (50 Гц - 400 кГц) переменного магнитного поля. Величина возникающих вихревых токов достигает очень высоких значений и приводит к значительному выделению тепловой энергии, так как, по сути, в расплавляемом материале непрерывно происходит короткое замыкание.
Индукционная печь компании ECM
Индукционные кухонные плиты работают по такому же принципу: в объеме металла посуды протекают токи, приводящие к разогреву пищи.
Направление вихревых токов определяется внешним магнитным полем: токи Фуко протекают так, чтобы создать магнитное поле, которое тормозило бы изменение внешнего магнитного поля. Другими словами, «борьба» полей друг с другом приводит тому, что в материале величина магнитного поля никогда не становится равной нулю.
Этот эффект используется для предотвращения дребезжания контактов реле, контакторов, пускателей: на торце сердечника электромагнита или якоря крепят короткозамкнутый виток, в котором протекают вихревые токи. Постоянное наличие магнитного поля обеспечивает плотное примыкание контактов, что предотвращает гул. Подобным образом обеспечивается тормозящей демпфирующий эффект в аналоговых электроизмерительных приборах, из-за чего их стрелки не мечутся из стороны в сторону, а показывают среднеквадратическое значение.
Как легко и быстро убедиться в существовании вихревых токов?
Нам понадобится длинная медная трубка и мощный неодимовый магнит, который входил бы в трубку, причем размер магнита должен примерно быть равен внутреннему диаметру трубы. Если бросить магнит в расположенную вертикально трубу, время падения будет заметно отличаться от того, что вы ожидаете.
Как видно, инженерная мысль и реальная наука идут рука об руку. Именно этой отличительной чертой - знанием того, как на практике применить наши знания - отличаются специалисты лаборатории электрофизических измерений ТМРсила-М.
знакомству