Sammendrag Om emnet "Fysikk" Emne: "Foucault-strømmer og deres anvendelse. Foucault virvelstrømmer

Metalldeler i en bil eller en rekke elektriske enheter har evnen til å bevege seg i et magnetfelt og krysse kraftlinjer. På grunn av dette dannes selvinduksjon. Vi foreslår å vurdere unormale Foucault-virvelstrømmer, luftstrømmer, deres definisjon, anvendelse, påvirkning og hvordan man kan redusere virvelstrømstap i en transformator.

Det følger av Faradays lov at en endring i magnetisk fluks produserer et indusert elektrisk felt selv i tomt rom.

Hvis en metallplate settes inn i dette rommet, resulterer det induserte elektriske feltet i en elektrisk strøm i metallet. Disse induserte strømmene kalles virvelstrømmer.

Foto: Virvelstrømmer

Foucault-strømmer er strømmer, hvis induksjon utføres i de ledende delene av forskjellige elektriske enheter og maskiner, forvillede Foucault-strømmer er spesielt farlige for passasje av vann eller gasser, fordi. retningen deres kan i prinsippet ikke kontrolleres.

Hvis de induserte motstrømmene skapes av et skiftende magnetfelt, vil virvelstrømmene være vinkelrett på magnetfeltet, og deres bevegelse vil bli gjort i en sirkel hvis det gitte feltet er jevnt. Disse induserte elektriske feltene er svært forskjellige fra de elektrostatiske elektriske feltene til punktladninger.

Praktisk anvendelse av virvelstrømmer

Virvelstrømmer er nyttige i industrien for å spre uønsket energi, for eksempel i en mekanisk balansesvingarm, spesielt hvis strømmen er veldig høy. Magneten på enden av støtten justerer virvelstrømmene i en metallplate festet til enden av braketten, si ansys.

Diagram: virvelstrømmer

Vortex-strømmer, som fysikken lærer, kan også brukes som en effektiv bremsekraft i motorene til et transitttog. Elektromagnetiske enheter og mekanismer på toget nær skinnene er spesielt innstilt for å skape virvelstrømmer. På grunn av strømmens bevegelse oppnås en jevn nedstigning av systemet og toget stopper.

Vridde strømmer er skadelige i instrumenttransformatorer og for mennesker. En metallkjerne brukes i en transformator for å øke strømmen. Dessverre kan virvelstrømmer generert i ankeret eller kjernen øke energitapet. Ved å bygge en metallkjerne av vekslende lag av ledende og ikke-ledende materialer, reduseres størrelsen på de induserte løkkene, og dermed reduseres energitapet. Støyen som transformatoren produserer under drift er et resultat av nettopp en slik konstruktiv løsning.

Video: Foucault virvelstrømmer

En annen interessant bruk av virvelbølger er deres bruk i strømmålere eller medisin. I bunnen av hver teller er en tynn aluminiumsskive som alltid snurrer. Denne skiven beveger seg i et magnetfelt, så det er alltid virvelstrømmer der, hvis formål er å bremse bevegelsen til skiven. Takket være dette fungerer sensoren nøyaktig og uten fall.

Virvler og hudeffekt

I tilfelle det oppstår veldig sterke virvelstrømmer (ved en høyfrekvent strøm), blir strømtettheten i kroppene mye mindre enn på overflatene deres. Dette er den såkalte hudeffekten, og dens metoder brukes til å lage spesielle belegg for ledninger og rør, som er utviklet spesielt for virvelstrømmer og testet under ekstreme forhold.

Dette ble bevist av forskeren Eckert, som undersøkte EMF og transformatorinstallasjoner.

Ordning med induksjonsoppvarming

Virvelstrømsprinsipper

En kobbertrådspole er en vanlig teknikk for å gjengi virvelstrøminduksjon. En vekselstrøm som går gjennom en spole skaper et magnetfelt i og rundt spolen. De magnetiske feltene danner linjer rundt ledningen og kobles sammen for å danne større løkker. Hvis strømmen økes i en sløyfe, vil magnetfeltet utvides gjennom noen eller alle ledningsløkkene som er i umiddelbar nærhet. Dette induserer en spenning i tilstøtende hysteresesløyfer, og induserer en strøm av elektroner, eller virvelstrømmer, i det elektrisk ledende materialet. Enhver defekt i materialet, inkludert endringer i veggtykkelse, sprekker og andre brudd, kan endre strømmen av virvelstrømmer.

Ohms lov

Ohms lov er en av de mest grunnleggende formlene for å bestemme elektrisk strømning. Spenning delt på motstand, i ohm, bestemmer den elektriske strømmen, i ampere. Det må huskes at det ikke er noen formel for å beregne strømmer, det er nødvendig å bruke eksempler på beregning av magnetfeltet.

Induktans

En vekselstrøm som går gjennom en spole skaper et magnetfelt i og rundt spolen. Når strømmen øker, induserer spolen en sirkulasjon av (virvel)strømmer i det ledende materialet ved siden av spolen. Amplituden og fasen til virvelstrømmene vil endre seg avhengig av belastningen av spolen og dens motstand. Hvis det oppstår et brudd i det elektrisk ledende materialet ved eller under overflaten, vil strømmen av virvelstrøm bli avbrutt. For å etablere og kontrollere det, er det spesielle enheter med forskjellige kanalfrekvenser.

Magnetiske felt

Bildet viser hvordan elektriske virvelstrømmer danner et magnetfelt i spolen. Spolene genererer på sin side virvelstrømmer i det elektrisk ledende materialet og lager også sine egne magnetfelt.

Magnetisk felt av virvelstrømmer

Defektoskopi

Endringen i spenning over spolen vil påvirke materialet, skanning og virvelstrømforskning tillater produksjon av et instrument for måling av overflate- og undergrunnsdiskontinuiteter. Flere faktorer vil påvirke hvilke mangler som kan bli funnet:

1. Ledningsevnen til materialet har en betydelig effekt på banen til virvelstrømmer;
2. Permeabiliteten til et ledende materiale har også en enorm innvirkning på grunn av dets evne til å magnetiseres. En flat overflate er mye lettere å skanne enn en grov.
3. Inntrengningsdybden er svært viktig i kontrollen av virvelstrømmer. En overflatesprekk er mye lettere å oppdage enn en defekt under overflaten.
4. Det samme gjelder overflateareal. Jo mindre areal, desto raskere dannes det virvelstrømmer.

Konturdeteksjon med feildetektor

Det finnes hundrevis av standard- og spesialprober som er produsert for spesifikke typer overflater og konturer. Kanter, spor, konturer og metalltykkelse bidrar alle til at en test lykkes eller mislykkes. En spole som er for nær overflaten av det ledende materialet vil ha størst sjanse for å oppdage brudd. For komplekse kretsløp settes spolen inn i en spesiell blokk og festes til ankeret, som lar strømmen passere gjennom den og kontrollere tilstanden. Mange enheter krever spesielle sonde- og spolelister for å imøtekomme den uregelmessige formen til delen. Spolen kan også ha en spesiell (universell) form for å matche utformingen av delen.

Vi reduserer virvelstrømmer

For å redusere virvelstrømmene til induktorene, er det nødvendig å øke motstanden i disse mekanismene. Spesielt anbefales det å bruke lisensgiver og isolerte ledninger.

La oss plassere en trådspole i et vekslende magnetfelt. Spolen er lukket, mens det ikke er noe galvanometer i kretsen, som kan vise tilstedeværelsen av en induksjonsstrøm i kretsen vår. Men strømmen kan oppdages, siden lederen vil varmes opp når strømmen går gjennom den. Hvis, uten å endre de andre dimensjonene til spolen, bare øker tykkelsen på ledningen som kretsen er laget av, vil induksjons-EMK ($\varepsilon_i\sim \frac(\Delta Ф)(\Delta t)$) ikke endres, siden endringshastigheten vil forbli den samme magnetiske fluksen. Imidlertid vil spolemotstanden avta ($R\sim \frac(1)(S)$). Som et resultat vil induksjonsstrømmen øke ($I_i$). Kraften som frigjøres i form av varme i kretsen er direkte proporsjonal med $I_i \varepsilon_i$, derfor vil temperaturen på lederen øke. Og så, erfaring viser at et stykke metall, når det plasseres i et magnetfelt, varmes opp, noe som indikerer forekomsten av induksjonsstrømmer i massive ledere når den magnetiske fluksen endres. Slike strømmer kalles virvelstrømmer eller Foucault-strømmer.

Definisjon av Foucault-strømmer

Definisjon

Foucault-strømmer kalt virvelinduksjon volumetriske elektriske strømmer som oppstår i ledere når lederne er plassert i et vekslende magnetfelt.

Egenskaper til Foucault-strømmer

I sin natur skiller ikke virvelstrømmer seg fra induksjonsstrømmer som oppstår i ledninger.

Retningen og styrken til Foucault-strømmene avhenger av formen på metalllederen, av retningen til den vekslende magnetiske fluksen, egenskapene til metallet og endringshastigheten til den magnetiske fluksen. Fordelingen av Foucault-strømmer i et metall kan være svært kompleks.

I ledere som er store i retningen vinkelrett på induksjonsstrømmens retning, kan virvelstrømmene være svært store, noe som fører til en betydelig økning i kroppstemperaturen.

Egenskapene til virvelstrømmer for å varme opp lederen brukes i induksjonsovner for smelting av metaller.

Foucault-strømmer, som andre induksjonsstrømmer, følger Lenz-regelen, det vil si at de har en slik retning at deres interaksjon med det primære magnetfeltet bremser bevegelsen som forårsaket induksjonen.

Eksempler på problemer med en løsning

Eksempel 1

Trening. Hva er "magnetisk beroligende", som brukes i elektriske måleinstrumenter?

Løsning. Tenk på følgende eksperiment. Vi vil henge en lett magnetisk pil til tråden (fig. 1).

Hvis denne pilen overlates til seg selv, settes den i likevektsposisjon i retning fra nord til sør. Når den avviker fra likevektsposisjonen, vil den svinge lenge dersom friksjonen i fjæringen er liten. La oss plassere en stor kobberplate med betydelig masse under pilen i liten avstand fra den. Dempningen av pilens svingninger i dette tilfellet vil skje veldig raskt, og gjør en eller to svingninger av pilen, den vil ta likevektsposisjonen. Årsaken er at når den magnetiske nålen beveger seg i kobberlederen, induseres Foucault-strømmer, hvis interaksjon med magnetfeltet, i samsvar med Lenz-regelen, bremser magnetens bevegelse. Den kinetiske energien som ble gitt til den magnetiske nålen i øyeblikket av dyttet, på grunn av virvelstrømmer, omdannes til den indre energien til kobber, og øker temperaturen. Dette fenomenet kalles "magnetisk beroligende".

Eksempel 2

Trening. En metallmynt faller mellom polene til en elektromagnet. Første gang magneten er av, andre gang magneten er på. I hvilket tilfelle vil mynten falle raskere?

Løsning. Hvis det er et magnetfelt mellom polene til elektromagneten, vil mynten sakte synke ned, som om den beveger seg i en tyktflytende væske, og ikke i atmosfærisk luft. Mynten bremses av kreftene som virker fra siden av magnetfeltet på virvelstrømmene som induseres i mynten når den faller i magnetfeltet. Hastigheten på bevegelsen vil være betydelig mindre enn når magnetfeltet er slått av.

Svar. Fallhastigheten er mindre når magneten er på.

Elektrisitet omgir oss ikke bare i produksjonen, men også i hverdagen. En person vet kanskje ikke engang hva virvelstrømmer er, men møter jobben de gjør hver dag. For eksempel har folk lenge vært vant til å slå på lyset ved å trykke på bryteren, uten å tenke på prosessene som foregår under dette. Det var det som skjedde i denne saken. Derfor, for å forstå hva som er skjult under begrepet "Foucault-virvelstrømmer" og bestemme mekanismen for deres forekomst, er det nødvendig å huske egenskapene til elektrisk strøm. Men først, la oss svare på spørsmålet "hvorfor akkurat Foucault"?

For første gang ble virvelstrømmer nevnt i skriftene til den franske fysikeren D. F. Arago. Han trakk oppmerksomheten til den merkelige oppførselen til en kobberskive, over hvilken en roterende magnetisert pil var plassert. Uten noen åpenbar grunn begynte disken å rotere sammen med pilens rotasjon. På den tiden (1824) kunne de ennå ikke forklare slik oppførsel, så fenomenet ble kalt "Arago-fenomenet". Noen år senere kom en annen vitenskapsmann, M. Faraday, som brukte loven om elektromagnetisk induksjon oppdaget av ham på Arago-fenomenet, til den konklusjon at i dette tilfellet kan bevegelsen til disken lett forklares fra synspunktet til nevnte lov. I følge den foreslåtte forklaringen virker et roterende magnetfelt på atomene til lederen (kobberskiven) og forårsaker utseendet til en rettet bevegelse av ladede (polariserte) partikler i strukturen. En av egenskapene til elektrisk strøm er at det alltid er et magnetfelt rundt en leder. Det er lett å gjette at virvelstrømmer også skaper sitt eget felt, som samhandler med den viktigste som genererer dem. Ordet "virvel" karakteriserer måten slike strømmer forplanter seg på i lederen: retningene deres er sløyfet. Basert på arbeidet til Arago og Faraday, studerte fysikeren Foucault seriøst virvelstrømmer. Derav navnet mottatt.

Disse strømmene er ikke mye forskjellig fra induksjonsstrømmene produsert av generatorer. Hvis det er et virvelmagnetisk felt (vekslende, roterende) og en nærliggende leder, induseres strømmer i det på grunn av virkningen av elektromagnetiske felt. Jo større og mer massiv lederen er, desto høyere er den effektive verdien av de genererte strømmene. Dessuten skaper virvelstrømmer alltid et magnetfelt som motsetter seg en endring i strømmen. Med en økning i grunnårsakstrømmen øker den motsatte EMF, og med en reduksjon, tvert imot, opprettholder virvelstrømfeltet hovedstrømmen. Ovenstående følger av Lenz' lov.

I andre tilfeller er noen egenskaper til virvelstrømmer etterspurt. For eksempel er driften av induksjonsstålsmelteovner basert på oppvarming av en massiv leder ved virkningen av virvelstrømmer indusert av en spesiell generator. I tillegg brukes de til å bestemme tilstedeværelsen av umerkelige defekter i metallstrukturen.

Hva er virvelstrømmer

Virvelstrømmer regnes som et av de mest fantastiske fenomenene man møter innen elektroteknikk. Det er utrolig at menneskeheten har lært å bruke de negative sidene ved virvelstrømmer for godt.

Historien om oppdagelsen av virvelstrømmer

I 1824 observerte den franske fysikeren Daniel Arago først virkningen av virvelstrømmer på en kobberskive plassert under en magnetisk nål på den ene aksen. Når pilen roterte, ble det indusert virvelstrømmer i skiven, og satte den i bevegelse. Dette fenomenet kalles "Arago-effekten" til ære for oppdageren.

Eddy nåværende forskning ble videreført av den franske fysikeren Jean Foucault. Han beskrev i detalj deres natur og operasjonsprinsipp, og observerte også fenomenet med oppvarming av en ledende ferromagnet rotert i et statisk magnetfelt. Strømmer av ny karakter ble også oppkalt etter forskeren.

Virvelstrømmenes natur

Foucault-strømmer kan oppstå når en leder blir utsatt for et vekslende magnetfelt, eller når en leder beveges i et statisk magnetfelt. Virvelstrømmens natur ligner på induksjonsstrømmer som oppstår i lineære ledninger når en elektrisk strøm passerer gjennom dem. Retningen til virvelstrømmene er lukket i en sirkel og motsatt av kraften som forårsaker dem.

Foucault-strømninger i menneskelig økonomisk aktivitet

Det enkleste eksemplet på manifestasjonen av Foucault-strømmer i hverdagen er deres effekt på magnetkretsen til en viklingstransformator. På grunn av effekten av induserte strømmer oppstår lavfrekvente vibrasjoner (transformatoren brummer), noe som bidrar til sterk oppvarming. I dette tilfellet er energi bortkastet, og effektiviteten til installasjonen synker. For å forhindre betydelige tap, er kjernene til transformatorer ikke laget i ett stykke, men rekrutteres fra tynne strimler av elektrisk stål med lav elektrisk ledningsevne. Strimlene er isolert fra hverandre med elektroteknisk lakk eller et lag av kalk. Utseendet til ferrittelementer gjorde det mulig å utføre små magnetiske kretser i ett stykke.

Effekten av virvelstrømmer brukes overalt i industri og ingeniørfag. Maglev-tog bruker Foucault-strømmer for bremsing, høypresisjonsinstrumenter har et pekepekedempingssystem basert på virvelstrømmer. I metallurgi er induksjonsovner mye brukt, som har en rekke fordeler i forhold til lignende installasjoner. I en induksjonsovn kan det oppvarmede metallet plasseres i et luftfritt rom, og oppnå fullstendig avgassing. Induksjonssmelting av jernholdige metaller har også blitt utbredt innen metallurgi på grunn av installasjonens høye effektivitet.

Hva er Foucault-strømmer, deres nyttige bruk, i hvilke tilfeller må du håndtere dem?

Virvelstrømmer eller Foucault-strømmer (til ære for J. B. L. Foucault) er virvelinduksjonsstrømmer som oppstår i ledere når den magnetiske fluksen som trenger inn i dem endres.

Nyttig bruk
.... Denne egenskapen brukes til å dempe bevegelige deler av galvanometre, seismografer, etc.
Den termiske effekten av Foucault-strømmer brukes i induksjonsovner - et ledende legeme er plassert i en spole matet av en høyfrekvent høyeffektsgenerator, det oppstår virvelstrømmer i den, og varmer den opp til smelting.
Ved hjelp av Foucault-strømmer varmes metalldelene til vakuuminstallasjoner opp for avgassing.

Yuri Masalyga

Når strømmen går gjennom en leder, dannes et magnetfelt vinkelrett på den flytende strømmen (gimlet-regelen). Dette feltet genererer Foucault-strømmer. Med tilstrekkelig strøm og tykkelse på lederen blir Foucault-strømmene betydelige og forårsaker oppvarming av lederen. Derfor er ledningene laget strandet, og de magnetiske kretsene til transformatorene rekrutteres fra separate isolerte plater - dette forhindrer overoppheting.

Kirill Gribkov

VIRELSTRØM (Foucault-strømmer) er lukkede induksjonsstrømmer i massive ledere som oppstår under påvirkning av et elektrisk virvelfelt generert av et vekslende magnetfelt. Virvelstrømmer fører til energitap for oppvarming av lederen der de oppsto; for å redusere disse tapene er de magnetiske kretsene til vekselstrømmaskiner og enheter laget av isolerte stålplater.

Sergey x

Virvelstrømmer, Foucault-strømmer, brukes til smelting og overflateherding av metaller, og deres kraftvirkning brukes i vibrasjonsdempere til bevegelige deler av instrumenter og apparater, i induksjonsbremser (der en massiv metallskive roterer i feltet av elektromagneter) , etc.

I elektriske enheter, instrumenter og maskiner beveger metalldeler seg noen ganger i et magnetfelt eller stasjonære metalldeler krysses av kraftlinjer i et magnetfelt som varierer i størrelse. I disse metalldelene er indusert.

Under påvirkning av disse f.eks. d.s. i massen til en metalldelstrøm virvelstrømmer (Foucault-strømmer), som lukker seg i massen og danner virvelstrømkretser.

Virvelstrømmer (også Foucault-strømmer) er elektriske strømmer som oppstår som følge av elektromagnetisk induksjon i et ledende medium (vanligvis i et metall) når den magnetiske fluksen som trenger inn i det endres.

Virvelstrømmer genererer sine egne magnetiske flukser, som igjen motvirker den magnetiske fluksen til spolen og svekker den. I tillegg får de kjernen til å varmes opp, noe som er sløsing med energi.

La det være en kjerne av metallisk materiale. Vi legger en spole på denne kjernen, som vi passerer gjennom. Rundt spolen vil det være en magnetisk vekselstrøm som krysser kjernen. I dette tilfellet vil en indusert EMF bli indusert i kjernen, som igjen forårsaker strømmer i kjernen, kalt virvelstrømmer. Disse virvelstrømmene varmer opp kjernen. Siden den elektriske motstanden til kjernen er liten, kan de induserte strømmene som induseres i kjernene være ganske store, og oppvarmingen av kjernen kan være betydelig.

Virvelstrømmer ble først oppdaget av den franske forskeren D.F. Arago (1786 - 1853) i 1824 i en kobberskive plassert på en akse under en roterende magnetisk nål. På grunn av virvelstrømmer kom skiven i rotasjon. Dette fenomenet, kalt Arago-fenomenet, ble forklart noen år senere av M. Faraday ut fra det han oppdaget.

Virvelstrømmer ble studert i detalj av den franske fysikeren Foucault (1819-1868) og oppkalt etter ham. Han kalte fenomenet oppvarming av metalllegemer som roterer i et magnetfelt virvelstrømmer.

Som et eksempel viser figuren virvelstrømmer indusert i en massiv kjerne plassert i en spole sirkulert av vekselstrøm. Et vekslende magnetfelt induserer strømmer som lukker seg langs baner som ligger i plan vinkelrett på feltets retning.

Virvelstrømmer: a - i en massiv kjerne, b - i en lamellær kjerne

Måter å redusere Foucault-strømmer

Kraften som brukes på å varme opp kjernen med virvelstrømmer, reduserer ubrukelig effektiviteten til tekniske enheter av elektromagnetisk type.

For å redusere kraften til virvelstrømmer økes den elektriske motstanden til den magnetiske kretsen; for dette rekrutteres kjernene fra separate tynne (0,1-0,5 mm) plater isolert fra hverandre ved hjelp av en spesiell lakk eller skala.

De magnetiske kjernene til alle AC-maskiner og -apparater og kjernene til ankrene til DC-maskiner er satt sammen fra plater isolert fra hverandre med lakk eller en ikke-ledende overflatefilm (fosfatert), stemplet fra elektrisk stålplate. Planet til platene må være parallelt med retningen til den magnetiske fluksen.

Med en slik deling av tverrsnittet av kjernen til den magnetiske kretsen, svekkes virvelstrømmene betydelig, siden de magnetiske fluksene som forbinder hvirvelstrømkretsene reduseres, og følgelig reduseres også e indusert av disse fluksene. d.s., skaper virvelstrømmer.

Spesielle tilsetningsstoffer er også introdusert i kjernematerialet, som også øker det.For å øke den elektriske motstanden til en ferromagnet, tilberedes elektrisk stål med et silisiumadditiv.

Kjernene til noen spoler (spoler) er laget av biter av glødet jerntråd. Strimler av jern er plassert parallelt med de magnetiske flukslinjene. Virvelstrømmer som flyter i plan vinkelrett på retningen til den magnetiske fluksen begrenses av isolerende pakninger. For magnetiske kretser av enheter og enheter som opererer med høy frekvens, brukes magnetoelektriske apparater. For å redusere virvelstrømmer i ledningene, er sistnevnte laget i form av en bunt med individuelle kjerner isolert fra hverandre.

Anvendelse av Foucault-strømmer

Virvelstrømmer har funnet nyttig anvendelse i enheten til en magnetisk brems på en elektrisk målerskive. Roterende, disken krysser. I skivens plan oppstår det virvelstrømmer, som igjen skaper sine egne magnetiske flukser i form av rør rundt virvelstrømmen. I samspill med hovedfeltet til magneten, bremser disse strømmene disken.

I noen tilfeller, ved bruk av virvelstrømmer, er det mulig å bruke teknologiske operasjoner som ikke kan brukes uten høyfrekvente strømmer. For eksempel, når du produserer vakuumenheter og enheter fra en sylinder, er det nødvendig å forsiktig pumpe ut luft og andre gasser. Det er imidlertid gassrester i metallbeslagene inne i sylinderen, som først kan fjernes etter at sylinderen er forseglet. For fullstendig utgassing av beslagene plasseres en vakuumanordning i feltet til en høyfrekvent generator, som et resultat av virkningen av virvelstrømmer, varmes beslagene opp til hundrevis av grader, mens den gjenværende gassen nøytraliseres.

Virvelstrømmer er også nyttige ved overflateherding med høyfrekvente strømmer.

Bruk av virvelstrømmer i induksjonsherding av metaller

Foucault-strømmer(eller virvelstrømmer) kalles strømmer av induktiv natur, som vises i massive ledere i et vekslende magnetfelt. Lukkede kretser av virvelstrømmer vises i dybden av selve lederen. Den elektriske motstanden til en massiv leder er liten, derfor kan Foucault-strømmene nå en stor verdi. Styrken til virvelstrømmer avhenger av formen og egenskapene til ledermaterialet, retningen til det vekslende magnetfeltet og hastigheten som den magnetiske fluksen endres med. Fordelingen av Foucault-strømmer i en leder kan være svært kompleks.

Mengden varme som frigjøres for $1 s$ av Foucault-strømmer er proporsjonal med kvadratet på frekvensen til endringen i magnetfeltet.

I følge Lenz sin lov velger Foucault-strømmer slike retninger for å påvirke årsaken som forårsaker dem. Dette betyr at hvis lederen beveger seg i et magnetfelt, så må den oppleve sterk bremsing, som er forårsaket av samspillet mellom Foucault-strømmene og magnetfeltet.

La oss gi et eksempel på fremveksten av Foucaults lenker. La oss tvinge en kobberskive med en diameter på $5 cm$ og en tykkelse på $6 mm$ til å falle i et smalt gap mellom polene til en elektromagnet. Hvis magnetfeltet slås av, faller disken raskt. Slå på elektromagneten. Feltet må være stort (omtrent $0,5T$). Skivens fall vil bli sakte og vil ligne bevegelse i et veldig viskøst medium.

Anvendelse av Foucault-strømmer

Foucault-strømmer spiller en nyttig rolle i rotoren til en induksjonsmotor, som drives i rotasjon av et magnetfelt. Selve implementeringen av prinsippet om drift av en asynkron motor krever utseendet til Foucault-strømmer.

Foucault-strømmer brukes til å dempe bevegelige deler av galvanometre, seismografer og en rekke andre instrumenter. Så en plate er installert på den bevegelige delen av enheten - en leder i form av en sektor. Den settes inn i gapet mellom polene til en sterk permanentmagnet. Når platen beveger seg, oppstår Foucault-strømmer i den, noe som får systemet til å bremse ned. Dessuten vises bremsing kun når platen beveger seg. Derfor forstyrrer ikke denne typen beroligende innretning den nøyaktige ankomsten til systemet i en tilstand av likevekt.

Varmen som frigjøres av Foucault-strømmer brukes i oppvarmingsprosesser. Dermed er smelting av metaller ved bruk av Foucault-strømmer svært fordelaktig sammenlignet med andre oppvarmingsmetoder. Den såkalte induksjonsovnen er en spole som en høy frekvens og høy strøm flyter gjennom. En ledende kropp er plassert inne i spolen, virvelstrømmer med høy intensitet vises i den, som varmer opp stoffet til det smelter. Dette er hvordan smelting av metaller utføres i et vakuum, noe som fører til produksjon av materialer med høy renhet.

Ved bruk av Foucault-strømmer varmes de interne metalldelene i vakuuminstallasjoner opp for å avgasse dem.

Problemer som forårsaker virvelstrømmer. Hud - effekt

Foucault-strømmer kan ikke bare spille en nyttig rolle. Virvelstrømmer er ledningsstrømmer, og en del av energien spres til frigjøring av Joule-varme. Slik energi, for eksempel i rotoren til en induksjonsmotor, som vanligvis er laget av ferromagneter, varmer opp kjernene, og forringer dermed ytelsen. For å bekjempe dette fenomenet produseres kjernene i form av tynne plater, som er adskilt av tynne lag med isolator og platene er installert slik at Foucault-strømmene blir rettet over platene. Med en liten tykkelse på platene har virvelstrømmer lav volumtetthet. Med fremkomsten av ferritter og stoffer med høy magnetoresistens ble det mulig å produsere solide kjerner.

Virvelstrømmer oppstår i ledninger der det går vekselstrøm, og retningen til Foucault-strømmene er slik at de svekker strømmen inne i ledningen og forsterker den nær overflaten. Følgelig blir den raskt skiftende strømmen ujevnt fordelt over trådtverrsnittet. Et slikt fenomen kalles hudeffekt(overflateeffekt). På grunn av dette fenomenet blir det indre av lederen ubrukelig, og rør brukes som ledere i høyfrekvente kretser. Skinneffekten kan brukes til å varme opp overflatesjiktet til metallet, noe som gjør det mulig å bruke dette fenomenet til herding av metallet, og ved å endre feltfrekvensen kan herding utføres på ønsket dybde.

Omtrentlig formler som kan beskrive hudeffekten i en homogen sylindrisk leder:

Bilde 1.

hvor $R_w$ er den effektive motstanden til en leder med radius $r$ mot vekselstrøm med en syklisk frekvens $w$. $R_0$ - lederens motstand mot likestrøm.

hvor den effektive penetrasjonsdybden til vekselstrømmen ($\delta $) (avstanden fra overflaten til lederen der strømtettheten reduseres med $e=2,7\ $ ganger sammenlignet med tettheten på overflaten) er lik:

$\mu $ - relativ magnetisk permeabilitet, $(\mu )_0$ - magnetisk konstant, $\sigma $ - likestrømslederkonduktivitet. Jo tykkere lederen er, jo mer signifikant hudeffekten er, desto mindre er $w$- og $\sigma $-verdiene som det bør tas i betraktning.

Eksempel 1

Trening: I et eksperiment med en sentrifugalmaskin ble en massiv kobberskive festet til den, og denne skiven ble brakt i rotasjon med høy hastighet. En magnetisk nål ble hengt opp (uten kontakt) over disken. Hva vil skje med pilen, hvorfor?

Løsning:

Den magnetiske nålen fungerer som en magnet som lager et magnetfelt, en kobberleder roterer i dette feltet. Følgelig oppstår induksjonsstrømmer i lederen - Foucault-strømmer. I følge Lenz sin regel har virvelstrømmer, som interagerer med magnetfeltet, en tendens til å stoppe rotasjonen av skiven eller, i samsvar med Newtons tredje lov, dra langs magnetnålen. Dette betyr at magnetnålen som henger over skiven vil snu seg etter den og snurre opphenget (tråden).

Svar: Den magnetiske nålen vil rotere, årsaken er virvelstrømmer.

Eksempel 2

Trening: Forklar hvorfor en jordkabel med vekselstrøm ikke kan legges i nærheten av metallgass- og vannrør?

Løsning:

Under påvirkning av vekselstrøm oppstår et vekselmagnetisk felt rundt kabelen, hvis en leder (metallrør) kommer inn i dette feltet, vil induksjonsvirvelstrømmer oppstå. Disse strømmene forårsaker korrosjon av metallrør. I tillegg er tilstedeværelsen av strømmer i rørene farlig, siden det er en mulighet for elektrisk støt.

Eksempel 3

Trening: Pendelen, laget av tykk kobberplate, har form som en avkortet sektor. Den er opphengt på en stang og kan fritt svinge rundt en horisontal akse i et magnetfelt mellom polene til en sterk elektromagnet. I fravær av et magnetfelt svinger pendelen nesten uten demping. Beskriv svingningene til en pendel i magnetfeltet til en elektromagnet. Hvordan få en pendel til å svinge nesten uten demping i nærvær av et magnetfelt?

Løsning:

Hvis den beskrevne massive pendelen, som utfører svingninger, er plassert i et sterkt magnetfelt, oppstår Foucault-strømmer i pendelen. Disse strømmene, i henhold til Lenz-regelen, bremser pendelens bevegelse, amplituden til oscillasjonene avtar, og selve svingningene stopper snart.

For å redusere virvelinduksjonsstrømmer i en pendel som svinger i et magnetfelt, kan dens solide sektor erstattes av en kam med langstrakte tenner. Foucault-strømmene vil reduseres og pendelen vil svinge nesten uten demping.