Вихревые токи (токи Фуко), замкнутые электрические токи в массивном проводнике, которые возникают при изменении пронизывающего его магнитного потока. Вихревые токи являются индукционными токами и образуются в проводящем теле либо вследствие изменения во времени магнитного поля, в котором находится тело, либо вследствие движения тела в магнитном поле приводящего к изменению магнитного потока через тело или какую-либо его часть. Величина вихревых токов тем больше, чем быстрее меняется магнитный поток.
В отличии от электрического тока в проводах, текущего по точно определенным путям, вихревые токи замыкаются непосредственно в проводящей массе, образуя вихреобразные контуры. Эти контуры тока взаимодействуют с проводившим их магнитным потоком. Согласно правилу Ленца, магнитное поле вихревых токов направленно так, чтобы противодействовать изменению магнитного потока, индуцирующего эти вихревые токи. Вихревые токи приводят к неравномерному распределению магнитного потока по сечению магнитопровода. Это объясняется тем, что в центре сечения магнитопровода намагничивающая сила вихревых токов направленная навстречу основному потоку, является наибольшей, так как эта часть сечения охватывается наибольшим числом контуров вихревых токов. Такое вытеснение потока из середины сечения магнитопровода выражено тем резче, тем выше частота переменного тока и чем больше магнитная проницаемость ферромагнетика. При высоких частотах поток проходит лишь в тонком поверхностном слое сердечника. Это вызывает уменьшение кажуйщейся (средней по сечению) магнитной проницаемости. Явление вытеснения из ферромагнетика магнитного потока, изменяющегося с большой частотой, аналогично электрическому Скин-эффекту и называемому магнитным скин-эффектом.
В соответствии с законом Джоуля-Ленца вихревые токи нагревают проводники, в которых они возникли. По этому вихревые токи приводят к потерям энергии в магнитопроводах (в сердечниках трансформаторов и катушек переменного тока, в магнитных цепях машин). Для уменьшения потерь энергии на вихревые токи и уменьшения эффекта вытеснения магнитного потока из ферромагнетиков магнитопроводы машин и аппаратов переменного тока делают не из сплошного куска ферромагнетика а из отдельных пластин изолированных друг от друга. Такое деление на пластины, расположенные пенпердикулярно направление вихревых токов отграничивает возможные контуры путей вихревых токов, что сильно уменьшает величину этих токов. При очень высоких частотах применение ферромагнетиков для магнитопроводов нецелесообразно в этих случаях их делают из магнитодиэлектриков в которых вихревые токи практически не возникают из-за очень большого сопротивления этих материалов. При движении проводящего тела в магнитном поле индуцированные вихревые токи обусловливают заметное механическое взаимодействие тела с полем. На этом принципе основано, например. Торможение подвижной системы в счётчиках электрической энергии, в которых алюминиевый диск вращается в поле постоянного магнита. в машинах переменного тока с вращающимся полем сплошной металлический ротор увлекается полем из-за возникающих в нём вихревых токов. Взаимодействие вихревых токов с переменным магнитным полем лежит в основе различных типов насосов для перекачки расплавленного металла. К той же группе механических эффектов, вызванных вихревыми токами относится выталкивание нефферомагнитных металлических тел из поля катушки переменного тока.
Вихревые токи возникают и в самом проводнике, по которому течет переменный ток, что приводит к неравномерному распределению тока по сечению проводника. В моменты увеличения тока в проводнике индукционные вихревые токи направлены у поверхности проводник по первичному электрическому току, а у оси проводника навстречу току. В результате внутри проводника ток уменьшится а у поверхности увеличится. Токи высокой частоты практически текут в тонком слое у поверхности проводника, внутри же проводника тока нет. Это явление называется электрическим скин-эффектом. Что бы уменьшить протериэнергии на вихревых токах провода большого сечения для переменного тока делают из отдельных жил, изолированных друг от друга.
Вихревые токи применяются для плавки и поверхности закалки металлов, а их силовое действие используется в успокоителях колебаний подвижных частей приборов и аппаратов, в индукционных тормозах.
Вихревые токи (показаны пунктиром) в сердечнике катушки, включенной в цепь переменного токаI;указанное направление вихревых токов соответствует моменту увеличения магнитной индукции в создаваемой в сердечнике током.
Взаимоиндукция
Величина ЭДС взаимоиндукции зависит прежде всего от того, с какой скоростью изменяется ток в первой катушке. Чем быстрее изменяется в ней ток, тем создается большая ЭДС взаимоиндукции. Кроме того, величина ЭДС взаимоиндукции зависит от величины индуктивности обеих катушек и от их взаимного расположения, а также от магнитной проницаемости окружающей среды. Следовательно, различные по своей индуктивности и взаимному расположению катушки и в различной среде способны вызывать одна в другой различные по величине ЭДС взаимоиндукции.
Чтобы иметь возможность различать между собой различные пары катушек по их способности взаимно индуктировать ЭДС, введено понятие о взаимоиндуктивности или коэффициенте взаимоиндукции.
Обозначается взаимоиндуктивность буквой М. Единицей ее измерения, так же как и индуктивности, служит генри.
1 Генри — это такая взаимоиндуктивность двух катушек, при которой изменение тока в одной катушке на 1 ампер в 1 секунду вызывает в другой катушке ЭДС взаимоиндукции, равную 1 вольту. На величину ЭДС взаимоиндукции влияет магнитная проницаемость окружающей среды. Чем больше магнитная проницаемость среды, по которой замыкается переменный магнитный поток, связывающий катушки, тем сильнее индуктивная связь катушек и больше величина ЭДС взаимоиндукции
Контрольные вопросы
1. Сформулируйте правило Ленца.
2. В чём заключается явление самоиндукции?
3. Что характеризует такая физическая величина, как индуктивность? В каких единицах измеряется?
4. От чего зависит величина индуктивности?
5. Приведите примеры практического применения явления самоиндукции.
6. В чем заключается негативное влияние самоиндукции в электрических цепях? Какие принимаются меры для снижения риска от негативных влияний самоиндукции?
7. Что необходимо для появления ЭДС в цепи обладающей индуктивностью? Как влияет ЭДС самоиндукции на изменение тока в цепи?
8. Что характеризует взаимоиндуктивность или коэффициент взаимоиндукции?
9. Раскройте физический смысл понятия «вихревые токи». Где в электротехнике находят применение вихревые токи?
10. К каким негативным последствиям в работе электротехнических устройств приводит влияние вихревых токов?