Вихревые токи (токи Фуко). Скин-еффект

Индукционный ток возникает не только в линейных проводниках, но и в массивных проводниках, помещенных в переменное магнитное поле. Эти токи оказываются замкнутыми в толще проводника и потому называются вихревыми. Их также называют токами Фуко – по имени первого исследователя.

Вихревые токи подчиняются правилу Ленца: их магнитное поле направлено так, чтобы противодействовать измению магнитного потока, индуцирующего вихревые токи. Например, если между полюсами невключеного электромагнита массивный медный маятник совершает практически незатухающие колебания, то при включении тока он очень сильно тормозится и бысчтро останавливается. Это объясняется тем, что возникающие токи Фуко имеют такое направление, что действующие на них со стороны магнитного поля силы тормозят движение маятника. Этот факт используется для успокоения подвижных частей различных приборов (демпфинг). Если в описанном маятнике сделать радиальные вырезы, то вихревые токи ослабляются и торможение практически отсутствует.

Вихревые токи кроме торможения (как правило, нежелательного эффекта) вызывают также нагревание проводников. Поэтому для уменьшения потерь на нагревание якоря генераторов и сердечники трансформаторов делают не сплошными, а изготовляют из пластин, отделенных друг от друга слоями диэлектрика, и устанавливают их так, чтобы вихревые токи были направлены поперек пластин. Джоулево тепло, выделяемое токами Фуко, используется в индукционных металлургических печах. Индукционная печь является тиглем, помещенным в середину катушки, по которой проходит ток высокой частоты. В металле возникают интенсивные вихревые токи, способные разогреть его до плавления. Такой способ позволяет плавить металлы у вакууме, вследствие чего получают сверхчистые материалы.

Вихревые токи возникают и в проводах, по которым протекает переменный ток. Направление этих токов можно определить по правилу Ленца. На рис. 17.1,а показано направление вихревых токов при увеличении первичного стока в проводнике, а на рис. 17.1,б – при его уменьшении.

Рис. 17.1

В обоих случаях направление вихревых токов таково, что они противодействуют изменению первичного тока в середине проводника и способствуют его изменению вблизи поверхности. Таким образом, вследствие возникновения вихревых токов быстро изменяющийся ток оказывается распределенным по сечению проводника неравномерно – он как бы вытесняется на поверхность проводника. Это явление получило название скин-еффекта (от англ. skin – кожа) или поверхностного эффекта. Так как токи высокой частоты протекают практически только в тонком поверхностном слое, то проводники для них изготавливают пустотелыми.

Если сплошные проводники нагревать токами высокой частоты, то в результате скин-эффекта происходит нагрев только их поверхностного слоя. На этом основан метод поверхностного закаливания металлов. Изменяя частоту поля, можно производить закаливание на любой необходимой глубине.

Дата добавления: 2014-01-04