Вихревые токи и их применение

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 3

Ворос к студентам: На уроках физики вы уже изучили что собой представляют вихревые токи. Так что же собой представляют вихревые токи? Где они применяются? Дополнения к ответам студентов:

Вихревые токи или токи Фуко́ (в честь Ж. Б. Л. Фуко) — вихревые индукционные токи, возникающие в проводниках при изменении пронизывающего их магнитного поля.

Впервые вихревые токи были обнаружены французским учёным Д. Ф. Араго (1786—1853) в 1824 г. в медном диске, расположенном на оси под вращающейся магнитной стрелкой. За счёт вихревых токов диск приходил во вращение. Это явление, названное явлением Араго, было объяснено несколько лет спустя M. Фарадеем с позиций открытого им закона электромагнитной индукции: вращаемое магнитное поле наводит в медном диске токи (вихревые), которые взаимодействуют с магнитной стрелкой. Вихревые токи были подробно исследованы французским физиком Фуко (1819—1868) и названы его именем. Он открыл явление нагревания металлических тел, вращаемых в магнитном поле, вихревыми токами.

Токи Фуко возникают под воздействием переменного электромагнитного поля и по физической природе ничем не отличаются от индукционных токов, возникающих в линейных проводах. Они вихревые, то есть замкнуты в кольце.

Электрическое сопротивление массивного проводника мало, поэтому токи Фуко достигают очень большой силы.

В соответствии с правилом Ленца они выбирают внутри проводника такое направление и путь, чтобы противиться причине, вызывающей их. Поэтому движущиеся в сильном магнитном поле хорошие проводники испытывают сильное торможение, обусловленное взаимодействием токов Фуко с магнитным полем. Это свойство используется для демпфирования подвижных частей гальванометров, сейсмографов и т. п., а также в некоторых конструкциях поездов, для торможения.

Тепловое действие токов Фуко используется в индукционных печах — в катушку, питаемую высокочастотным генератором большой мощности, помещают проводящее тело, в нём возникают вихревые токи, разогревающие его до плавления.

С помощью токов Фуко осуществляется прогрев металлических частей вакуумных установок для их дегазации.

Во многих случаях токи Фуко могут быть нежелательными. Для борьбы с ними принимаются специальные меры: с целью предотвращения потерь энергии на нагревание сердечников трансформаторов, эти сердечники набирают из тонких пластин, разделённых изолирующими прослойками. Появление ферритов сделало возможным изготовление этих проводников сплошными.

Намагничивание ферромагнитных материалов

Вопрос к студентам:

- Какие вещества называют ферромагнетиками?

Ферромагнетики – материалы, обладающие большой магнитной проницаемостью. К ним относят: сталь, железо, никель, кобальт, их сплавы и др. Отличительной особенностью ферромагнетиков является наличие макроскопических объёмов вещества — доменов, в которых магнитные моменты атомов (ионов) ориентированы одинаково. Домены обладают самопроизвольной намагниченностью (магнитными моментами) даже при отсутствии внешнего намагничивающего поля. В ферромагнетике, не подвергавшемся воздействию внешних магнитных полей, магнитные моменты различных доменов обычно взаимно скомпенсированы, и их результирующее магнитное поле близко к нулю.

Для ферромагнетиков характерен гистерезис при перемагничивании внешним магнитным полем, то есть запаздывание изменений намагниченности вещества от изменений намагничивающего поля. На рис. 1 приведена основная характеристика ферромагнетиков — зависимость магнитной индукции В от напряжённости Н намагничивающего поля (так называемая петля гистерезиса).

Под воздействием внешнего магнитного поля происходит ориентация элементарных магнитных полей, создаваемых круговым движением электронов в атомах и молекулах ферромагнетика. В результате увеличиваются размеры магнитных доменов, ориентированных по направлению внешнего поля. После прекращения внешнего воздействия изменения, происшедшие в размерах и ориентации магнитных доменов, частично сохраняются. Появляется остаточная намагниченность вещества — след, оставленный в ферромагнетике внешним воздействием.

Из рис.1 видно, что при значении +Н наступает магнитное насыщение – намагниченность образца достигает максимального значения.

Если теперь уменьшать напряженность магнитного поля и довести ее вновь до нулевого значения, то ферромагнетик сохранит остаточную намагниченность – поле внутри образца будет равно B_r. Остаточная намагниченность образцов позволяет создавать постоянные магниты. Для того, чтобы полностью размагнитить образец, необходимо, изменив знак внешнего поля, довести В до пересечения с осью -Н. Эту точку принято называть коэрцитивной силой. Далее процесс перемагничивания может быть продолжен.

У магнито-мягких материалов значения коэрцитивной силы невелико – петля гистерезиса таких материалов достаточно «узкая».

Эти материалы обладают высокой магнитной проницаемостью и малыми удельными потерями: техническое железо, низкоуглеродистые стали, листовые электротехнические стали, некоторые железо-никеливые сплавы (пермаллои) и оксидные ферромагнетики.

Такие материалы широко применяются для сердечников трансформаторов, для сердечников аппаратуры проводной и радиосвязи, в вычислительных устройствах, в автоматике и др.

Материалы с большим значением коэрцитивной силы, то есть имеющие «широкую» петлю гистерезиса, относятся к магнито-твердым.

Они характеризуются большой остаточной индукцией и поэтому используются для изготовления постоянных магнитов самого различного назначения.

Магнитная цепь

Магнитной цепью называется устройство, отдельные участки которого выполнены из ферромагнитных материалов, по которым замыкается магнитный поток. Примерами простейших цепей могут служить магнитопроводы кольцевой катушки и электромагнита, изображенного на рис.7, а. Электрические машины и трансформаторы, электромагнитные аппараты и приборы имеют обычно магнитные цепи более сложной формы.

Рис.7. Магнитные цепи (а — неразветвленная, б — разветвленная, в- простая, д- сложная)

Если магнитная цепь выполнена из одного и того же материала и имеет по всей длине одинаковое сечение, то цепь называется однородной.

Если же отдельные участки цепи изготовлены из различных ферромагнитных материалов и имеют различные длины и сечения, то цепь — неоднородная.

Магнитные цепи, так же как и электрические,

бывают неразветвленные (рис. 7, а), разветвленные (рис. 7, б), простые и сложные. Простые обычно имеют одну катушку. Сложная магнитная цепь обычно имеет несколько катушек, участки с разными сечениями и магнитными материалами (рис.7,д) .

В неразветвленных цепях (рис. 7, а и 7, в) магнитный поток Ф во всех сечениях имеет одно и то же значение.

В разветвленных - для рис. 7 б : Ф₃= Ф₁+ Ф₂

Расчет магнитной цепи

При расчетах разветвленных магнитных цепей пользуются двумя законами Кирхгофа, аналогичными законам Кирхгофа для электрической цепи.

Первый закон Кирхгофа непосредственно вытекает из непрерывности магнитных линий, т.е. и магнитного потока; алгебраическая сумма магнитных потоков в точке разветвления равна нулю:

Второй закон Кирхгофа для магнитной цепи основывается на законе полного тока: алгебраическая сумма магнитных напряжений на отдельных участках цепи равна алгебраической сумме МДС:

где U_м – магнитное напряжение , [A],

- длина магнитной линии;

Н - напряженность магнитного поля.

Магнитодвижущая сила F = I W,

где I – ток в обмотке (А)

W – число витков обмотки.

Расчет магнитной цепи сводится к определению электрического тока (I) в катушках, индуктивности катушек и др.

Контрольные вопросы

1.Зависит ли возникновение ЭДС в проводнике от того, что будет изменяться: магнитное поле относительно проводника или проводник будет перемещаться в магнитном поле?

2. Как определить направление индуцируемого в катушке тока?

3.Что общего и различного в явлениях самоиндукции и взаимоиндукции?

4. Кроссворд:

				3.


		1.	2.
	1.




	2.

3.					4.
	4.

По горизонтали:

Явление возникновения э.дс. в катушке под действием собственного переменного магнитного поля.
Фамилия ученого, который установил, что направление наведенной э.д.с. таково, что вызванный ею электрический ток противодействует причине появления э.д.с.
Единица измерения индуктивности (L).
Суммарный магнитный поток.

По вертикали:

Величина, характеризующая интенсивность магнитного поля в вакууме.
Величина, которая определяется отношением потокосцепления к величине тока в

катушке.

Поле, которое проявляет себя через механическое взаимодействие электрических

токов и через возникновение э.д.с. в проводниках, движущихся в этом поле.

4. Единица измерения магнитного потока и потокосцепления.

Критерии оценивания ответов на контрольные вопросы

Оценка «5» ставится, если обучающийся: дал полный и правильный ответ на все вопросы, включая решение кроссворда.

Оценка «4» ставится, если обучающийся: дал ответ на вопросы, но допустил незначительные ошибки и недочеты при ответах, или ответил на 3 вопроса, включая решение кроссворда.

Оценка «3» ставится, если обучающийся: ответил на 2 вопроса, включая решение кроссворда.

Оценка «2» ставится, если обучающийся: не ответил на контрольные вопросы.

Список литературы

1. Попов В.С., Николаев С.А. Общая электротехника с основами электроники.

- М. Энергия, 1976, - 568 с., стр.78-84..

2. Григораш О.В., Султанов Г.А. Электротехника и электроника.- Ростов-на-

Дону. Феникс..2008.-462 с.

Дата добавления: 2020-12-22; просмотров: 70; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 23

Мы поможем в написании ваших работ!