История изучения и объяснение вихревых токов
Ток Фуко или вихревой ток – это индукционный объемный вихревой электрический ток, который может возникать в электрических проводниках в случае изменения во времени вихревого потока действующего на них магнитного поля.
В первый раз токи Фуко были обнаружены ученым из Франции Домиником Араго в 20-x годах 19 века в диске из меди, который располагался на оси под вращающейся магнитной стрелкой. Через несколько лет Фарадей объяснил это явление благодаря открытому им закону электромагнитной индукции: вращаемое магнитное поле наводит в диске из меди вихревые токи, взаимодействующие с магнитной стрелкой. В середине 19 века их подробно изучил ученый-физик Фуко. Им также было открыто явление нагревания металлического тела, которое вращается магнитном поле, вихревыми токами. В 1855 году Фуко обнаружил, что сила, которая необходима для вращение медного диска, становится больше, если его заставить вращаться своим ободом между полюсами магнита.
!Токи Фуко. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ](https://a24.biz/assets/files/handbook/images/2e/6f/2e6f5b87acd30303bc2c063644a87a9f)
Электроны в диске из металла двигаются с листом вправо, поэтому магнитное поле оказывает на них боковую силу, благодаря силе Лоренца. Так как вектор скорости электронов v направлен вправо, а магнитное поле B вниз, то согласно правилу буравчика сила Лоренца положительных зарядов F=qvB, направлена к задней части диаграммы - рисунок выше. Ито является причиной возникновения тока I по направлению к задней части под магнитом, который вращается по частям листа вне границ магнитного поля, по часовой стрелке право и против часовой стрелки слева, опять к передней части магнита. На самом деле электроны обладают отрицательным зарядом - q меньше 0, а их движение противоположно направлению показанного обычного тока. Магнитное поле создает силу Лоренца, которая направлена назад и противоположна скорости листа из металла. При столкновении электронов с атомами металлической решетки сила передается листу, оказывая на него силу сопротивления, пропорциональную его скорости. Кинетическая энергия, потребляемая на преодоление данной силы рассеивается в виде тепла благодаря токам, которые протекают через сопротивление металла, то есть металл получает тепло под магнитом.
Сила Лоренца – это сила, оказываемая электромагнитным полем на заряженную частицу.
Вихревые токи, которые появляются под действием переменного магнитного поля и по своей физической природе никак не отличающиеся от токов индукции, которые возникают во вторичных обмотках трансформаторов и проводах.
Способы уменьшения и применение вихревых токов
Мощность, которая затрачивается на нагрев сердечника вырезами токами, снижает коэффициент полезного действия устройств электромагнитного типа. Для того, чтобы уменьшить мощность токов Фуко, увеличивают сопротивление магнитопровода. С этой целью сердечники набирают из тонких пластин, которые изолированы друг от друга окалинами или при помощи специального лака. Магнитопроводы всех аппаратов и машин переменного тока, а также сердечники машин постоянного тока собираются из изолированных пластин, которые штампуются из листовой электротехнической стали. Плоскость данных пластин параллельна направлению магнитного потока. В данном случае вихревые токи значительно ослабляются, потому что уменьшаются магнитные потоки, которые сцепляют контуры токов Фуко, поэтому снижаются индуктированные данными потоками электродвижущие силы, создающие вихревые токи.
Еще один способ уменьшения токов Фуко заключается в вводе специальных добавок, которые увеличивают электрическое сопротивление. Для увеличения электрического сопротивления ферромагнетика электротехническая сталь изготавливается с присадкой кремния. Сердечники бобин набираются из кусков отожженной железной проволоки. Полоски из железа располагаются параллельно линиям магнитного потока. Таким образом, токи Фуко, которые протекают в плоскостях, перпендикулярных направлению магнитного потока, ограничивают изолирующие прокладки. Для магнитопроводов устройств, которые работают на высокой частоте, применяются магнитные диэлектрики. Для снижения вихревых токов в проводах, их изготавливают из отдельных жил, которые изолированы друг от друга. Литцендрат представляет собой систему переплетенных медных проводов, где каждая жила изолирована от соседних. Такая система используется на высокочастотных токах с целью предотвращения возникновения токов Фуко и паразитных токов.
Токи Фуко могут быть и полезны, они используются:
- для торможения вращающихся массивных деталей,
- для успокоения движения подвижных частей электрических измерительных приборов,
- при изготовлении вакуумных устройств и приборов,
- в работе электрических индукционных печей.
