Вихревые токи (токи Фуко)

Французский физик Ж.Б.Л. Фуко в 1855 г. обнаружил нагревание ферромагнитных сердечников электрических машин и других металлических тел в переменном магнитном поле и объяснил этот эффект возбуждением индукционных токов. Эти токи в настоящее время называются вихревыми токами или токами Фуко.

Токи Фуко также подчиняются правилу Ленца: их магнитное поле направлено так, чтобы противодействовать изменению магнитного потока, индуцирующему вихревые токи.

Во многих случаях токи Фуко бывают нежелательными. В частности, эти токи вызывают нагревание ферромагнитных сердечников трансформаторов и металлических частей электрических машин. Для снижения потерь электрической энергии из-за возникновения вихревых токов сердечники трансформаторов изготавливают не из сплошного куска ферромагнетика, а из отдельных металлических пластин, изолированных друг от друга диэлектрической прослойкой.

Джоулевое тепло, выделяемое токами Фуко, используют в индукционных металлургических печах для плавки металлов, для нагревания и плавления металлических заготовок, получения особо чистых сплавов и соединений металлов.

Взаимодействие вихревых токов с высокочастотным магнитным полем приводит к неравномерному распределению магнитного потока по сечению магнитопроводов – вытеснение магнитного потока из объема в приповерхностные области проводника. Это явление называется магнитным скин-эффектом.

Вихревые токи возникают и в самом проводнике, по которому течет переменный ток, что приводит к неравномерному распределению тока по сечению проводника – вытеснение токов высокой частоты в приповерхностные области проводника. Это явление называется электрическим скин-эффектом.

3.3. Индуктивность. Индуктивность соленоида.
Явление самоиндукции. ЭДС самоиндукции

Электрический ток, текущий в замкнутом контуре, создает вокруг себя магнитное поле, индукция которого по закону Био–Савара–Лапласа пропорциональна току. Следовательно, и сцепленный с контуром магнитный поток пропорционален току в контуре:

,

где – индуктивность контура.

Индуктивность бесконечно длинного соленоида

Полный магнитный поток через соленоид: ,

так как , тогда .

Выражение, стоящее перед силой тока, называется индуктивностью: ,

где – число витков соленоида; – его длина; – площадь; – магнитная проницаемость сердечника.

В общем случае индуктивность контура зависит только от геометрической формы контура, его размеров и среды, в которой он находится. Это аналог электрической емкости проводника, которая также зависит от формы проводника, его размеров и диэлектрической проницаемости среды.

Единица индуктивности – генри:

При изменении силы тока в контуре будет изменяться и сцепленный с ним магнитный поток. Следовательно, в контуре будет индуцироваться ЭДС. Возникновение ЭДС индукции в проводящем контуре при изменении в нем силы тока называется самоиндукцией.

Закон Фарадея для явления самоиндукции:

.

Если индуктивность контура не меняется , т.е. контур не деформируется и магнитная среда не изменяется, то

Знак минус, обусловленный правилом Ленца, показывает, что наличие индуктивности в контуре приводит к замедлению изменения тока в нем.

Если ток со временем возрастает, то , т.е. ток самоиндукции направлен навстречу току, обусловленному внешним источником, и замедляет его возрастание.

Если ток со временем убывает, то , т.е. ток самоиндукции имеет такое же направление, как и убывающий ток в контуре, и замедляет его убывание.

Контур, обладая определенной индуктивностью, приобретает электрическую «инертность».