Вихревые токи

Определение "Вихревые токи" в Большой Советской Энциклопедии

Вихревые токи в диске электрического счётчика

Вихревые токи, токи Фуко, замкнутые электрические токи в массивном проводнике, которые возникают при изменении пронизывающего его магнитного потока. Вихревые токи являются индукционными токами (см. Индукция электромагнитная) и образуются в проводящем теле либо вследствие изменения во времени магнитного поля, в котором находится тело (рис. 1), либо вследствие движения тела в магнитном поле, приводящего к изменению магнитного потока через тело или какую-либо его часть (рис. 2). Величина Вихревые токи тем больше, чем быстрее меняется магнитный поток.

Вихревые токи в цепи переменного тока

В отличие от электрического тока в проводах, текущего по точно определённым путям, Вихревые токи замыкаются непосредственно в проводящей массе, образуя вихреобразные контуры. Эти контуры тока взаимодействуют с породившим их магнитным потоком. Согласно Ленца правилу, магнитное поле Вихревые токи направлено так, чтобы противодействовать изменению магнитного потока, индуцирующего эти Вихревые токи

Возникновение электрического скин-эффекта

Вихревые токи приводят к неравномерному распределению магнитного потока по сечению магнитопровода. Это объясняется тем, что в центре сечения магнитопровода намагничивающая сила Вихревые токи, направленная навстречу основному потоку, является наибольшей, так как эта часть сечения охватывается наибольшим числом контуров Вихревые токи Такое «вытеснение» потока из середины сечения магнитопровода выражено тем резче, чем выше частота переменного тока и чем больше магнитная проницаемость ферромагнетика. При высоких частотах поток проходит лишь в тонком поверхностном слое сердечника. Это вызывает уменьшение кажущейся (средней по сечению) магнитной проницаемости. Явление вытеснения из ферромагнетика магнитного потока, изменяющегося с большой частотой, аналогично электрическому скин-эффекту и называемому магнитным скин-эффектом.

Уменьшение контуров вихревых токов

В соответствии с Джоуля — Ленца законом Вихревые токи нагревают проводники, в которых они возникли. Поэтому Вихревые токи приводят к потерям энергии (потери на Вихревые токи) в магнитопроводах (в сердечниках трансформаторов и катушек переменного тока, в магнитных цепях машин).

Для уменьшения потерь энергии на Вихревые токи (и вредного нагрева магнитопроводов) и уменьшения эффекта «вытеснения» магнитного потока из ферромагнетиков магнитопроводы машин и аппаратов переменного тока делают не из сплошного куска ферромагнетика (электротехнической стали), а из отдельных пластин, изолированных друг от друга (например, специальным лаком). Такое деление на пластины, расположенные перпендикулярно направлению Вихревые токи, ограничивает возможные контуры путей Вихревые токи (рис. 3), 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 (рис. 2). В машинах переменного тока с вращающимся полем сплошной металлический ротор увлекается полем из-за возникающих в нём Вихревые токи Взаимодействие Вихревые токи с переменным магнитным полем лежит в основе различных типов насосов для перекачки расплавленного металла.
К той же группе механических эффектов, вызванных Вихревые токи, относится выталкивание неферромагнитных металлических тел из поля катушки переменного тока.

Вихревые токи возникают и в самом проводнике, по которому течёт переменный ток, что приводит к неравномерному распределению тока по сечению проводника. В моменты увеличения тока в проводнике индукционные Вихревые токи направлены у поверхности проводника по первичному электрическому току, а у оси проводника — навстречу току (рис. 4). 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. Чтобы уменьшить потери энергии на Вихревые токи, провода большого сечения для переменного тока делают из отдельных жил, изолированных друг от друга.

Вихревые токи применяются для плавки и поверхностной закалки металлов, а их силовое действие используется в успокоителях колебаний подвижных частей приборов и аппаратов, в индукционных тормозах (в которых массивный металлический диск вращается в поле электромагнитов) и т.п.
  Лит.: Нейман Л. Р., Калантаров П. Л., Теоретические основы электротехники, 5 изд., М., 1959.

I — переменный ток." href="/a_pictures/18/10/291906461.jpg">I — переменный ток." src="a_pictures/18/10/th_291906461.jpg">
Рис. 3. Уменьшение контуров вихревых токов в сердечнике из изолированных друг от друга пластин (по сравнению с сердечником из сплошной массы металла); I — переменный ток.

I в некоторый момент времени; пунктирные контуры — вихревые токи." href="/a_pictures/18/10/233103517.jpg">I в некоторый момент времени; пунктирные контуры — вихревые токи." src="a_pictures/18/10/th_233103517.jpg">
Рис. 4. Возникновение электрического скин-эффекта в проводнике с переменным током. Стрелка указывает направление тока I в некоторый момент времени; пунктирные контуры — вихревые токи.

I; указанное направление вихревых токов соответствует моменту увеличения магнитной индукции В, создаваемой в сердечнике током." href="/a_pictures/18/10/241256410.jpg">I; указанное направление вихревых токов соответствует моменту увеличения магнитной индукции В, создаваемой в сердечнике током."http://iodine.atomistry.com/">I; указанное направление вихревых токов соответствует моменту увеличения магнитной индукции В, создаваемой в сердечнике током." src="a_pictures/18/10/th_241256410.jpg">
Рис. 1. Вихревые токи (показаны пунктиром) в сердечнике катушки, включенной в цепь переменного тока I; указанное направление вихревых токов соответствует моменту увеличения магнитной индукции В, создаваемой в сердечнике током.