Sažetak Na predmet "Fizika" Tema: "Foucaultove struje i njihova primjena. Foucaultove vrtložne struje

Metalni dijelovi u automobilu ili raznim električnim uređajima imaju sposobnost kretanja u magnetskom polju i ukrštanja linija sile. Zbog toga se formira samoindukcija. Predlažemo da razmotrimo anomalne Foucaultove vrtložne struje, strujanja zraka, njihovu definiciju, primjenu, utjecaj i kako smanjiti gubitke vrtložnih struja u transformatoru.

Iz Faradejevog zakona slijedi da promjena magnetnog fluksa stvara indukovano električno polje čak i u praznom prostoru.

Ako se metalna ploča umetne u ovaj prostor, indukovano električno polje rezultira električnom strujom u metalu. Ove inducirane struje nazivaju se vrtložnim strujama.

Foto: vrtložne struje

Foucaultove struje su tokovi čija se indukcija vrši u provodnim dijelovima raznih električnih uređaja i strojeva, a zalutale Foucaultove struje su posebno opasne za prolaz vode ili plinova, jer. njihov pravac se u principu ne može kontrolisati.

Ako se inducirane protustruje stvaraju promjenjivim magnetskim poljem, tada će vrtložne struje biti okomite na magnetsko polje, a njihovo kretanje će se odvijati u krugu ako je dato polje uniformno. Ova indukovana električna polja se veoma razlikuju od elektrostatičkih električnih polja tačkastih naelektrisanja.

Praktična primjena vrtložnih struja

Vrtložne struje su korisne u industriji za rasipanje neželjene energije, kao što je mehanička ravnotežna zakretna ruka, posebno ako je struja vrlo visoka. Magnet na kraju nosača podešava vrtložne struje u metalnoj ploči pričvršćenoj na kraj nosača, recimo ansys.

Dijagram: vrtložne struje

Vrtložni tokovi, kako fizika uči, mogu se koristiti i kao efektivna sila kočenja u motorima tranzitnog voza. Elektromagnetski uređaji i mehanizmi u vozu u blizini šina su posebno podešeni da stvaraju vrtložne struje. Zbog kretanja struje postiže se nesmetano spuštanje sistema i voz se zaustavlja.

Uvrnute struje su štetne za instrumentalne transformatore i za ljude. Metalno jezgro se koristi u transformatoru za povećanje struje. Nažalost, vrtložne struje koje se stvaraju u armaturi ili jezgri mogu povećati gubitke energije. Izgradnjom metalnog jezgra od naizmjeničnih slojeva vodljivih i neprovodnih materijala smanjuje se veličina induciranih petlji, čime se smanjuje gubitak energije. Buka koju transformator proizvodi tokom rada rezultat je upravo takvog konstruktivnog rješenja.

Video: Foucaultove vrtložne struje

Još jedna zanimljiva upotreba vorteks valova je njihova upotreba u brojilima električne energije ili medicini. Na dnu svakog pulta nalazi se tanak aluminijumski disk koji se stalno okreće. Ovaj disk se kreće u magnetskom polju, tako da tu uvijek postoje vrtložne struje, čija je svrha da uspore kretanje diska. Zahvaljujući tome, senzor radi precizno i ​​bez padova.

Vrtlozi i efekt kože

U slučaju kada se pojave vrlo jake vrtložne struje (pri visokofrekventnoj struji), gustoća struje u tijelima postaje mnogo manja nego na njihovim površinama. Ovo je takozvani skin efekt, a njegove metode se koriste za stvaranje posebnih premaza za žice i cijevi, koji su posebno razvijeni za vrtložne struje i testirani u ekstremnim uvjetima.

To je dokazao naučnik Eckert, koji je istraživao EMF i transformatorske instalacije.

Shema indukcijskog grijanja

Principi vrtložne struje

Zavojnica od bakrene žice uobičajena je tehnika za reprodukciju indukcije vrtložne struje. Izmjenična struja koja prolazi kroz zavojnicu stvara magnetsko polje unutar i oko zavojnice. Magnetna polja formiraju linije oko žice i spajaju se kako bi formirale veće petlje. Ako se struja poveća u jednoj petlji, magnetsko polje će se proširiti kroz neke ili sve petlje žice koje su u neposrednoj blizini. To inducira napon u susjednim histerezisnim petljama i inducira protok elektrona ili vrtložnih struja u električno provodljivom materijalu. Svaki nedostatak u materijalu, uključujući promjene u debljini zida, pukotine i druge lomove, može promijeniti tok vrtložnih struja.

Ohmov zakon

Ohmov zakon je jedna od najosnovnijih formula za određivanje električnog protoka. Napon podijeljen sa otporom, u omima, određuje električnu struju, u amperima. Mora se imati na umu da ne postoji formula za izračunavanje struja, potrebno je koristiti primjere izračunavanja magnetnog polja.

Induktivnost

Izmjenična struja koja prolazi kroz zavojnicu stvara magnetsko polje unutar i oko zavojnice. Kako se struja povećava, zavojnica inducira cirkulaciju (vorteks) struja u provodljivom materijalu pored zavojnice. Amplituda i faza vrtložnih struja mijenjat će se ovisno o opterećenju zavojnice i njegovom otporu. Ako dođe do prekida u električno provodljivom materijalu na površini ili ispod nje, tok vrtložnih struja će biti prekinut. Za njegovo uspostavljanje i kontrolu postoje posebni uređaji s različitim frekvencijama kanala.

Magnetna polja

Fotografija pokazuje kako vrtložne električne struje formiraju magnetsko polje u zavojnici. Zavojnice, zauzvrat, stvaraju vrtložne struje u električno provodljivom materijalu i također stvaraju vlastita magnetna polja.

Magnetno polje vrtložnih struja

Defektoskopija

Promjena napona na zavojnici će utjecati na materijal, skeniranje i istraživanje vrtložnih struja omogućava proizvodnju instrumenta za mjerenje površinskih i podzemnih diskontinuiteta. Nekoliko faktora će uticati na to koji se nedostaci mogu pronaći:

1. Vodljivost materijala ima značajan uticaj na putanju vrtložnih struja;
2. Propustljivost provodnog materijala takođe ima ogroman uticaj zbog njegove sposobnosti magnetizacije. Ravnu površinu je mnogo lakše skenirati nego grubu.
3. Dubina prodiranja je veoma važna u kontroli vrtložnih struja. Površinsku pukotinu je mnogo lakše otkriti nego podpovršinski defekt.
4. Isto se odnosi i na površinu. Što je površina manja, to je brže formiranje vrtložnih struja.

Detekcija kontura sa detektorom grešaka

Postoje stotine standardnih i specijalnih sondi koje se proizvode za specifične vrste površina i kontura. Rubovi, žljebovi, konture i debljina metala doprinose uspjehu ili neuspjehu testa. Zavojnica koja je preblizu površini provodnog materijala imat će najbolje šanse da otkrije lomove. Za složena kola, zavojnica je umetnuta u poseban blok i pričvršćena na armaturu, što omogućava da struja prolazi kroz njega i kontrolira njegovo stanje. Mnogi uređaji zahtijevaju posebne lajsne za sondu i zavojnice kako bi se prilagodili nepravilnom obliku dijela. Zavojnica također može imati poseban (univerzalni) oblik koji odgovara dizajnu dijela.

Smanjujemo vrtložne struje

Da bi se smanjile vrtložne struje induktora, potrebno je povećati otpor u ovim mehanizmima. Posebno se preporučuje korištenje licenciranih i izoliranih žica.

Postavimo zavojnicu žice u naizmjenično magnetno polje. Zavojnica je zatvorena, dok u kolu nema galvanometra koji bi mogao pokazati prisustvo indukcijske struje u našem kolu. Ali struja se može detektovati, jer će se provodnik zagrijati kada struja prođe kroz njega. Ako se, bez promjene ostalih dimenzija zavojnice, samo poveća debljina žice od koje je sklop napravljen, tada će indukcijska EMF ($\varepsilon_i\sim \frac(\Delta F)(\Delta t)$) neće se promijeniti, jer će brzina promjene ostati ista magnetni tok. Međutim, otpor zavojnice će se smanjiti ($R\sim \frac(1)(S)$). Kao rezultat, indukcijska struja će se povećati ($I_i$). Snaga koja se oslobađa u obliku topline u kolu je direktno proporcionalna $I_i \varepsilon_i$, stoga će se temperatura provodnika povećati. I tako, iskustvo pokazuje da se komad metala, kada se stavi u magnetsko polje, zagrijava, što ukazuje na pojavu indukcijskih struja u masivnim vodičima kada se magnetski tok promijeni. Takve struje se nazivaju vrtložnim strujama ili Foucaultovim strujama.

Definicija Foucaultovih struja

Definicija

Foucaultove struje nazivaju vrtložna indukcija volumetrijske električne struje koje se pojavljuju u vodičima kada se provodnici stave u naizmjenično magnetsko polje.

Svojstva Foucaultovih struja

Vrtložne struje se po svojoj prirodi ne razlikuju od indukcijskih struja koje se javljaju u žicama.

Smjer i jačina Foucaultovih struja zavise od oblika metalnog vodiča, od smjera naizmjeničnog magnetskog fluksa, svojstava metala i brzine promjene magnetnog fluksa. Raspodjela Foucaultovih struja u metalu može biti vrlo složena.

U provodnicima koji su veliki u smjeru okomitom na smjer indukcijske struje, vrtložne struje mogu biti vrlo velike, što dovodi do značajnog povećanja tjelesne temperature.

Svojstva vrtložnih struja za zagrijavanje vodiča koriste se u indukcijskim pećima za topljenje metala.

Foucaultove struje, kao i druge indukcijske struje, poštuju Lenzovo pravilo, odnosno imaju takav smjer da njihova interakcija s primarnim magnetskim poljem usporava kretanje koje je izazvalo indukciju.

Primjeri problema sa rješenjem

Primjer 1

Vježbajte.Šta je "magnetno smirenje" koje se koristi u električnim mjernim instrumentima?

Rješenje. Razmotrite sljedeći eksperiment. Na konac ćemo okačiti laganu magnetnu strelicu (slika 1).

Ako je ova strelica prepuštena sama sebi, postavlja se u ravnotežni položaj u smjeru od sjevera prema jugu. Kada odstupi od ravnotežnog položaja, osciliraće dugo ako je trenje u suspenziji malo. Postavimo veliku bakarnu ploču značajne mase ispod strelice na maloj udaljenosti od nje. Slabljenje oscilacija strelice u ovom slučaju će se dogoditi vrlo brzo, čineći jedan ili dva zamaha strelice, ona će zauzeti ravnotežni položaj. Razlog je taj što se prilikom kretanja magnetne igle u bakrenom provodniku induciraju Foucaultove struje, čija interakcija sa magnetnim poljem, u skladu sa Lenzovim pravilom, usporava kretanje magneta. Kinetička energija koja je preneta magnetnoj igli u trenutku guranja, usled vrtložnih struja, pretvara se u unutrašnju energiju bakra, podižući njegovu temperaturu. Ovaj fenomen se naziva "magnetno smirenje".

Primjer 2

Vježbajte. Metalni novčić pada između polova elektromagneta. Prvi put kada je magnet isključen, drugi put kada je magnet uključen. U kom slučaju će novčić pasti brže?

Rješenje. Ako postoji magnetsko polje između polova elektromagneta, tada će novčić polako potonuti, kao da se kreće u viskoznoj tekućini, a ne u atmosferskom zraku. Novčić usporavaju sile koje djeluju sa strane magnetskog polja na vrtložne struje inducirane u novčiću kada padne u magnetsko polje. Brzina njegovog kretanja bit će znatno manja nego kada je magnetsko polje isključeno.

Odgovori. Brzina pada je manja kada je magnet uključen.

Struja nas okružuje ne samo u proizvodnji, već iu svakodnevnom životu. Osoba možda i ne zna šta su vrtložne struje, ali se suočava sa poslom koji radi svaki dan. Na primjer, ljudi su odavno navikli da pale svjetlo jednostavnim pritiskom na prekidač, ne razmišljajući o procesima koji se odvijaju tokom toga. To se dogodilo u ovom slučaju. Stoga, da bismo razumjeli šta se krije pod pojmom "Foucaultove vrtložne struje" i utvrdili mehanizam njihovog nastanka, potrebno je podsjetiti se na svojstva električne struje. Ali prvo, odgovorimo na pitanje "zašto baš Foucault"?

Prvi put se vrtložne struje pominju u spisima francuskog fizičara D. F. Araga koji je skrenuo pažnju na čudno ponašanje bakarnog diska, iznad kojeg se nalazila rotirajuća magnetizirana strelica. Bez očiglednog razloga, disk je počeo da se okreće zajedno sa rotacijom strelice. U to vrijeme (1824.) još nisu mogli objasniti takvo ponašanje, pa je fenomen nazvan „fenomen Arago“. Nekoliko godina kasnije, drugi naučnik, M. Faraday, primjenjujući zakon elektromagnetne indukcije koji je on otkrio na fenomen Arago, došao je do zaključka da se u ovom slučaju kretanje diska može lako objasniti sa stanovišta pomenuti zakon. Prema predloženom objašnjenju, rotirajuće magnetsko polje djeluje na atome vodiča (bakreni disk) i uzrokuje pojavu usmjerenog kretanja nabijenih (polariziranih) čestica u strukturi. Jedno od svojstava električne struje je da uvijek postoji magnetsko polje oko vodiča. Lako je pretpostaviti da vrtložne struje stvaraju i vlastito polje, koje je u interakciji s glavnim koje ih stvara. Riječ "vrtlog" karakterizira način na koji se takve struje šire u provodniku: njihovi smjerovi su petljasti. Na osnovu rada Araga i Faradaya, fizičar Foucault je ozbiljno proučavao vrtložne struje. Otuda i dobijeno ime.

Ove struje se ne razlikuju mnogo od indukcijskih struja koje proizvode generatori. Ako postoji vrtložno magnetsko polje (naizmjenično, rotirajuće) i obližnji vodič, tada se u njemu induciraju struje zbog djelovanja elektromagnetskih polja. Što je provodnik veći i masivniji, to je veća efektivna vrijednost generiranih struja. Štaviše, vrtložne struje uvijek stvaraju magnetno polje koje se suprotstavlja promjeni protoka. S povećanjem struje glavnog uzroka, suprotni EMF se povećava, a sa smanjenjem, naprotiv, polje vrtložne struje održava glavni tok. Gore navedeno proizlazi iz Lenzovog zakona.

U drugim slučajevima traže se neka svojstva vrtložnih struja. Na primjer, rad indukcijskih peći za topljenje čelika temelji se na zagrijavanju masivnog vodiča djelovanjem vrtložnih struja koje inducira poseban generator. Osim toga, koriste se za određivanje prisutnosti neprimjetnih nedostataka u metalnoj strukturi.

Šta su vrtložne struje

Vrtložne struje se smatraju jednim od najnevjerovatnijih fenomena koji se susreću u elektrotehnici. Nevjerovatno je da je čovječanstvo naučilo koristiti negativne aspekte djelovanja vrtložnih struja za dobro.

Istorija otkrića vrtložnih struja

Godine 1824. francuski fizičar Daniel Arago prvi je uočio djelovanje vrtložnih struja na bakarni disk smješten ispod magnetne igle na jednoj osi. Kada se strelica rotirala, vrtložne struje su indukovane u disku, koje su ga pokrenule. Ovaj fenomen je nazvan "Aragov efekat" u čast njegovog otkrića.

Istraživanje vrtložne struje nastavio je francuski fizičar Jean Foucault. Detaljno je opisao njihovu prirodu i princip rada, a također je uočio i fenomen zagrijavanja provodnog feromagneta koji se rotira u statičkom magnetskom polju. Po istraživaču su nazvane i struje nove prirode.

Priroda vrtložnih struja

Foucaultove struje mogu nastati kada je provodnik izložen naizmjeničnom magnetskom polju ili kada se provodnik pomiče u statičkom magnetskom polju. Priroda vrtložnih struja slična je indukcijskim strujama koje se javljaju u linearnim žicama kada električna struja prolazi kroz njih. Smjer vrtložnih struja zatvoren je u krug i suprotan sili koja ih uzrokuje.

Foucaultove struje u ljudskoj ekonomskoj aktivnosti

Najjednostavniji primjer manifestacije Foucaultovih struja u svakodnevnom životu je njihov utjecaj na magnetsko kolo transformatora namota. Zbog dejstva indukovanih struja nastaju niskofrekventne vibracije (transformator zuji), što doprinosi jakom zagrevanju. U tom slučaju se gubi energija, a efikasnost instalacije pada. Da bi se spriječili značajni gubici, jezgra transformatora se ne izrađuju u jednom komadu, već se regrutuju od tankih traka električnog čelika niske električne provodljivosti. Trake su izolovane jedna od druge elektrotehničkim lakom ili slojem kamenca. Pojava feritnih elemenata omogućila je izvođenje malih magnetnih krugova u jednom komadu.

Efekat vrtložnih struja se koristi svuda u industriji i inženjerstvu. Maglev vozovi koriste Foucaultove struje za kočenje, visoko precizni instrumenti imaju sistem prigušenja pokazivača koji se zasniva na djelovanju vrtložnih struja. U metalurgiji se široko koriste indukcijske peći, koje imaju čitav niz prednosti u odnosu na slične instalacije. U indukcijskoj peći zagrijani metal se može smjestiti u bezzračni prostor, čime se postiže njegovo potpuno otplinjavanje. Indukcijsko topljenje crnih metala je također postalo široko rasprostranjeno u metalurgiji zbog visoke efikasnosti instalacija.

Šta su Foucaultove struje, njihova korisna upotreba, u kojim slučajevima se morate nositi s njima?

Vrtložne struje ili Foucaultove struje (u čast J. B. L. Foucaulta) su vrtložne indukcijske struje koje se javljaju u vodičima kada se mijenja magnetni tok koji prodire u njih.

Korisna upotreba
.... Ovo svojstvo se koristi za prigušivanje pokretnih dijelova galvanometara, seizmografa, itd.
Toplinski učinak Foucaultovih struja koristi se u indukcijskim pećima - provodno tijelo je postavljeno u zavojnicu koju napaja visokofrekventni generator velike snage, u njemu nastaju vrtložne struje koje ga zagrijavaju do topljenja.
Uz pomoć Foucaultovih struja, metalni dijelovi vakuumskih instalacija se zagrijavaju radi njihovog otplinjavanja.

Yuri Masalyga

Kada struja prolazi kroz provodnik, stvara se magnetsko polje prependikularno struji koja teče (pravilo gimleta). Ovo polje generiše Foucaultove struje. Uz dovoljnu struju i debljinu provodnika, Foucaultove struje postaju značajne i uzrokuju zagrijavanje provodnika. Zbog toga se žice prave upredenim, a magnetni krugovi transformatora se regrutuju iz zasebnih izoliranih ploča - to sprječava pregrijavanje.

Kirill Gribkov

VRTREŽNE STRUJE (Foucaultove struje) su zatvorene indukcijske struje u masivnim provodnicima koje nastaju pod djelovanjem vrtložnog električnog polja generiranog izmjeničnim magnetskim poljem. Vrtložne struje dovode do gubitaka energije za zagrijavanje vodiča u kojem su nastale; da bi se ti gubici smanjili, magnetna kola mašina i uređaja naizmenične struje izrađuju se od izolovanih čeličnih ploča.

Sergey x

Vrtložne struje, Foucaultove struje, koriste se za topljenje i površinsko otvrdnjavanje metala, a njihovo snažno djelovanje koristi se u prigušivačima vibracija pokretnih dijelova instrumenata i aparata, u indukcijskim kočnicama (u kojima se masivni metalni disk rotira u polju elektromagneta) , itd.

U električnim uređajima, instrumentima i mašinama metalni dijelovi se ponekad kreću u magnetskom polju ili stacionarne metalne dijelove ukrštaju linije sile magnetskog polja koje varira u veličini. U ovim metalnim dijelovima se indukuje.

Pod uticajem ovih e. d.s. u masi protoka metalnog dijela vrtložne struje (Foucaultove struje), koji se zatvaraju u masi, formirajući krugove vrtložnih struja.

Vrtložne struje (također Foucaultove) su električne struje koje nastaju kao rezultat elektromagnetne indukcije u provodljivom mediju (obično u metalu) kada se mijenja magnetni tok koji prodire u njega.

Vrtložne struje stvaraju vlastite magnetne tokove, koji se, zauzvrat, suprotstavljaju magnetskom toku zavojnice i slabe ga. Osim toga, uzrokuju zagrijavanje jezgra, što je gubitak energije.

Neka postoji jezgro od metalnog materijala. Na ovo jezgro postavljamo zavojnicu kroz koju prolazimo. Oko zavojnice će biti naizmjenična magnetska struja koja prolazi kroz jezgro. U ovom slučaju, indukovana EMF će biti indukovana u jezgru, što, zauzvrat, uzrokuje struje u jezgru, koje se nazivaju vrtložnim strujama. Ove vrtložne struje zagrijavaju jezgro. Budući da je električni otpor jezgre mali, inducirane struje inducirane u jezgri mogu biti prilično velike, a zagrijavanje jezgre može biti značajno.

Vrtložne struje prvi je otkrio francuski naučnik D.F. Arago (1786 - 1853) 1824. godine u bakrenom disku koji se nalazi na osi ispod rotirajuće magnetne igle. Zbog vrtložnih struja disk je došao u rotaciju. Ovaj fenomen, nazvan fenomen Arago, nekoliko godina kasnije objasnio je M. Faraday sa stanovišta onoga što je otkrio.

Vrtložne struje detaljno je proučavao francuski fizičar Foucault (1819-1868) i dao im ime po njemu. Fenomen zagrijavanja metalnih tijela koja rotiraju u magnetskom polju nazvao je vrtložnim strujama.

Kao primjer, na slici su prikazane vrtložne struje inducirane u masivnom jezgru smještenom u zavojnici koji cirkulira naizmjeničnom strujom. Izmjenično magnetsko polje inducira struje koje se zatvaraju duž staza koje leže u ravninama okomitim na smjer polja.

Vrtložne struje: a - u masivnom jezgru, b - u lamelarnom jezgru

Načini smanjenja Foucaultovih struja

Snaga koja se troši na zagrijavanje jezgre vrtložnim strujama beskorisno smanjuje efikasnost tehničkih uređaja elektromagnetnog tipa.

Da bi se smanjila snaga vrtložnih struja, povećava se električni otpor magnetskog kruga; za to se jezgre regrutiraju iz zasebnih tankih (0,1-0,5 mm) ploča izoliranih jedna od druge pomoću posebnog laka ili skale.

Magnetna jezgra svih AC mašina i aparata i jezgra ankera DC mašina sastavljena su od ploča izolovanih jedna od druge lakom ili površinskom neprovodljivom folijom (fosfatiranom), utisnuta od elektročeličnog lima. Ravnina ploča mora biti paralelna sa smjerom magnetskog fluksa.

Takvom podjelom poprečnog presjeka jezgre magnetskog kola vrtložne struje su značajno oslabljene, jer se smanjuju magnetni tokovi koji povezuju krugove vrtložnih struja, a posljedično se smanjuje i e inducirana ovim tokovima. d.s., stvarajući vrtložne struje.

U materijal jezgre se također uvode posebni aditivi koji ga također povećavaju.Da bi se povećao električni otpor feromagneta, električni čelik se priprema s dodatkom silicija.

Jezgra nekih namotaja (bobina) su napravljena od komada žarene željezne žice. Trake gvožđa su postavljene paralelno sa linijama magnetnog fluksa. Vrtložne struje koje teku u ravninama okomitim na smjer magnetskog toka ograničene su izolacijskim brtvama. Za magnetska kola uređaja i uređaja koji rade na visokoj frekvenciji koriste se magnetodielektrici. Da bi se smanjile vrtložne struje u žicama, potonje su napravljene u obliku snopa pojedinačnih jezgri izoliranih jedna od druge.

Primjena Foucaultovih struja

Vrtložne struje našle su korisnu primjenu u uređaju magnetne kočnice diska električnog mjerača. Rotirajući, disk se ukršta. U ravnini diska nastaju vrtložne struje, koje zauzvrat stvaraju vlastite magnetne tokove u obliku cijevi oko vrtložne struje. U interakciji sa glavnim poljem magneta, ovi tokovi usporavaju disk.

U nekim slučajevima, koristeći vrtložne struje, moguće je koristiti tehnološke operacije koje se ne mogu primijeniti bez visokofrekventnih struja. Na primjer, prilikom proizvodnje vakuumskih uređaja i uređaja iz cilindra, potrebno je pažljivo ispumpati zrak i druge plinove. Međutim, u metalnim spojnicama unutar cilindra postoje ostaci plina, koji se mogu ukloniti tek nakon što je cilindar zapečaćen. Za potpuno otplinjavanje armature, u polje visokofrekventnog generatora postavlja se vakuumski uređaj, kao rezultat djelovanja vrtložnih struja, armatura se zagrijava do stotina stupnjeva, dok se preostali plin neutralizira.

Vrtložne struje su također korisne u površinskom očvršćavanju strujama visoke frekvencije.

Upotreba vrtložnih struja u indukcijskom kaljenju metala

Foucaultove struje(ili vrtložne struje) nazivaju se struje induktivne prirode, koje se pojavljuju u masivnim provodnicima u naizmjeničnom magnetskom polju. Zatvoreni krugovi vrtložnih struja pojavljuju se u dubini samog vodiča. Električni otpor masivnog vodiča je mali, stoga Foucaultove struje mogu doseći veliku vrijednost. Jačina vrtložnih struja ovisi o obliku i svojstvima materijala provodnika, smjeru naizmjeničnog magnetskog polja i brzini kojom se mijenja magnetni tok. Raspodjela Foucaultovih struja u provodniku može biti vrlo složena.

Količina topline koja se oslobađa za $1 s$ Foucaultovih struja proporcionalna je kvadratu frekvencije promjene magnetnog polja.

Prema Lenzovom zakonu, Foucaultove struje biraju takve smjerove kako bi utjecale na uzrok koji ih uzrokuje. To znači da ako se provodnik kreće u magnetskom polju, tada mora doživjeti snažno kočenje, koje je uzrokovano interakcijom Foucaultovih struja i magnetskog polja.

Navedimo primjer nastanka Foucaultovih okova. Natjerajmo bakarni disk prečnika $5 cm$ i debljine $6 mm$ da padne u usku prazninu između polova elektromagneta. Ako je magnetno polje isključeno, disk brzo pada. Uključite elektromagnet. Polje mora biti veliko (oko $0,5T$). Pad diska će postati spor i ličiće na kretanje u veoma viskoznom mediju.

Primjena Foucaultovih struja

Foucaultove struje igraju korisnu ulogu u rotoru indukcionog motora, koji se u rotaciji pokreće magnetnim poljem. Sama implementacija principa rada asinhronog motora zahtijeva pojavu Foucaultovih struja.

Foucaultove struje koriste se za prigušivanje pokretnih dijelova galvanometara, seizmografa i niza drugih instrumenata. Dakle, ploča se postavlja na pokretni dio uređaja - provodnik u obliku sektora. Ubacuje se u razmak između polova jakog trajnog magneta. Kada se ploča kreće, u njoj se pojavljuju Foucaultove struje, što uzrokuje usporavanje sistema. Štaviše, kočenje se pojavljuje samo kada se ploča kreće. Stoga ova vrsta uređaja za smirenje ne ometa tačan dolazak sistema u stanje ravnoteže.

Toplina koju oslobađaju Foucaultove struje koristi se u procesima grijanja. Stoga je topljenje metala korištenjem Foucaultovih struja vrlo povoljno u usporedbi s drugim metodama grijanja. Takozvana indukcijska peć je zavojnica kroz koju teče visoka frekvencija i velika struja. Unutar zavojnice se postavlja provodno tijelo, u njemu se pojavljuju vrtložne struje visokog intenziteta koje zagrijavaju tvar dok se ne rastopi. Tako se topljenje metala odvija u vakuumu, što dovodi do proizvodnje materijala visoke čistoće.

Kada se koriste Foucaultove struje, unutrašnji metalni dijelovi vakuumskih instalacija se zagrijavaju kako bi se otplinili.

Problemi koji uzrokuju vrtložne struje. Koža - efekat

Foucaultove struje mogu igrati ne samo korisnu ulogu. Vrtložne struje su provodne struje, a dio energije se raspršuje u oslobađanje Joule topline. Takva energija, na primjer, u rotoru indukcijskog motora, koji je obično napravljen od feromagneta, zagrijava jezgre, čime se pogoršavaju njihove performanse. Za suzbijanje ove pojave, jezgre se proizvode u obliku tankih ploča, koje su odvojene tankim slojevima izolatora i ploče se postavljaju tako da su Foucaultove struje usmjerene preko ploča. Uz malu debljinu ploča, vrtložne struje imaju nisku zapreminsku gustinu. Pojavom ferita i tvari s visokom magnetootpornošću, postalo je moguće proizvoditi čvrsta jezgra.

Vrtložne struje se javljaju u žicama u kojima teku naizmjenične struje, a smjer Foucaultovih struja je takav da slabe struju unutar žice i ojačavaju je blizu površine. Zbog toga je struja koja se brzo mijenja neravnomjerno raspoređena po poprečnom presjeku žice. Takav fenomen se zove efekt kože(površinski efekat). Zbog ovog fenomena unutrašnjost provodnika postaje beskorisna, a cijevi se koriste kao provodnici u visokofrekventnim kolima. Skin efekt se može koristiti za zagrijavanje površinskog sloja metala, što omogućava korištenje ovog fenomena za kaljenje metala, a promjenom frekvencije polja, kaljenje se može izvesti na bilo kojoj potrebnoj dubini.

Približne formule koje mogu opisati skin efekt u homogenom cilindričnom provodniku:

Slika 1.

gdje je $R_w$ efektivni otpor provodnika polumjera $r$ naizmjeničnom strujom ciklične frekvencije $w$. $R_0$ - otpor provodnika na jednosmernu struju.

gdje je efektivna dubina prodiranja naizmjenične struje ($\delta $) (udaljenost od površine vodiča na kojoj se gustina struje smanjuje za $e=2,7\ $puta u poređenju sa gustinom na njegovoj površini) jednaka:

$\mu $ - relativna magnetna permeabilnost, $(\mu )_0$ - magnetna konstanta, $\sigma $ - provodljivost jednosmjernog provodnika. Što je provodnik deblji, to je skin efekat značajniji, to su manje vrijednosti $w$ i $\sigma $ pri kojima ga treba uzeti u obzir.

Primjer 1

vježba: U eksperimentu sa centrifugalnom mašinom, na nju je pričvršćen masivni bakarni disk, koji je doveden u rotaciju velikom brzinom. Preko diska je visila (bez kontakta) magnetna igla. Šta će se desiti sa strelicom, zašto?

Rješenje:

Magnetna igla djeluje kao magnet koji stvara magnetsko polje, bakreni provodnik se rotira u tom polju. Posljedično, u provodniku nastaju indukcijske struje - Foucaultove struje. Prema Lenzovom pravilu, vrtložne struje, u interakciji sa magnetnim poljem, teže da zaustave rotaciju diska ili, u skladu sa trećim Newtonovim zakonom, vuku duž magnetne igle. To znači da će se magnetna igla koja visi iznad diska okrenuti za njim i zavrtiti suspenziju (konac).

odgovor: Magnetna igla će se okretati, razlog su vrtložne struje.

Primjer 2

vježba: Objasnite zašto se podzemni kabel koji vodi naizmjeničnu struju ne može polagati u blizini metalnih plinskih i vodovodnih cijevi?

Rješenje:

Pod djelovanjem naizmjenične struje oko kabela nastaje naizmjenično magnetsko polje, ako provodnik (metalna cijev) uđe u ovo polje, tada će se pojaviti indukcijske vrtložne struje. Ove struje uzrokuju koroziju metalnih cijevi. Osim toga, prisustvo struje u cijevima je opasno, jer postoji mogućnost strujnog udara.

Primjer 3

vježba: Klatno, izrađeno od debelog lima bakra, ima oblik skraćenog sektora. Ovješen je na šipku i može slobodno oscilirati oko horizontalne ose u magnetskom polju između polova jakog elektromagneta. U nedostatku magnetnog polja, klatno oscilira gotovo bez prigušenja. Opišite oscilacije klatna u magnetskom polju elektromagneta. Kako učiniti da klatno oscilira gotovo bez prigušenja u prisustvu magnetnog polja?

Rješenje:

Ako se opisano masivno klatno, koje vrši oscilacije, stavi u jako magnetsko polje, tada u klatnu nastaju Foucaultove struje. Ove struje, prema Lenzovom pravilu, usporavaju kretanje klatna, amplituda oscilacija se smanjuje, a same oscilacije ubrzo prestaju.

Kako bi se smanjile vrtložne indukcijske struje u klatnu koje oscilira u magnetskom polju, njegov čvrsti sektor može se zamijeniti češljem s izduženim zupcima. Foucaultove struje će se smanjiti i klatno će oscilirati gotovo bez prigušenja.