Illustration de l'apparition de courants de Foucault dans une plaque conductrice (métallique) se déplaçant dans un champ magnétique constant C. Vecteur d'induction magnétique B indiqué par des flèches vertes, vecteur V vitesse de déplacement de la plaque - noir flèches, lignes de champ du vecteur de densité de courant électrique je- en rouge (ces lignes sont fermées, « vortex »).
Source champ magnétique est aimant permanent, son fragment est montré en haut de la figure gris. Vecteur d'induction magnétique B dirigé du nord ( N) pôles d’un aimant, un champ magnétique pénètre dans la plaque. Dans le matériau de la plaque entrant sous l'aimant, c'est-à-dire à gauche, l'induction magnétique évolue avec le temps, augmente (d Bn/d t> 0), et conformément aux lois de Faraday et d'Ohm, un vortex fermé apparaît (induit, « induit ») dans le matériau de la plaque électricité. Ce courant circule dans le sens inverse des aiguilles d'une montre et, selon la loi d'Ampère, crée son propre champ magnétique dont le vecteur induction magnétique est représenté par une flèche bleue dirigée perpendiculairement au plan de circulation du courant, vers le haut.
A droite, dans le matériau de la plaque qui s'éloigne de l'aimant, le champ magnétique change également avec le temps, mais il s'affaiblit, et les lignes de champ d'un autre apparaissent à droite. courant électrique dirigé dans le sens des aiguilles d’une montre.
Exactement sous l'aimant, les tourbillons de courant « gauche » et « droite » sont dirigés dans le même sens, la densité du total courant électrique maximum. En déménageant dans cette zone charges électriques, dont le flux forme électricité, dans un champ magnétique puissant, la force de Lorentz agit, dirigée (selon la règle de gauche) contre le vecteur vitesse V. Cette force de Lorentz ralentit la plaque C. L'interaction du champ magnétique de l'aimant et du champ magnétique des courants induits conduit au fait que la répartition résultante du flux du champ magnétique à proximité du pôle N l'aimant diffère du cas d'une plaque fixe C(et cela dépend de la vitesse V), bien que le flux total du vecteur induction magnétique reste inchangé (à condition que le matériau de l'aimant et de la plaque C non inclus dans la saturation).

Courants de Foucault, ou Les courants de Foucault(en l'honneur de J.B.L. Foucault) - courant électrique volumétrique à induction vortex apparaissant dans l'électricité conducteurs en changeant avec le temps couler champ magnétique agissant sur eux.

D'abord courants de Foucault ont été découverts par un scientifique français D.F. Arago(1786-1853) en 1824 dans un disque de cuivre situé sur un axe sous une aiguille magnétique tournante. En raison de courants de Foucault le disque a commencé à tourner. Ce phénomène, appelé phénomène Arago, fut expliqué plusieurs années plus tard. M. Faraday du point de vue de la loi qu'il a découvert induction électromagnétique: Un champ magnétique tournant induit des courants de Foucault dans le disque de cuivre, qui interagissent avec l'aiguille magnétique. Les courants de Foucault ont été étudiés en détail physicien français Foucault(1819-1868) et porte son nom. Foucault a également découvert le phénomène d'échauffement carrosseries métalliques, mis en rotation dans un champ magnétique, par courants de Foucault.

Les courants de Foucault naissent sous l'influence variable dans le temps champ magnétique (alternatif) et Par nature physique ne sont pas différents des courants d'induction apparaissant dans les fils et les enroulements secondaires des transformateurs électriques.

Parce que le résistance électrique conducteur massif peut être petit, alors la force du courant électrique d'induction provoqué par les courants de Foucault peut atteindre extrêmement grandes valeurs. Conformément à La règle de Lenz Les courants de Foucault dans le volume d'un conducteur choisissent un tel chemin pour contrecarrer au maximum la cause qui provoque leur écoulement. C'est pourquoi, en particulier, les bons conducteurs se déplaçant dans un champ magnétique puissant font l'expérience fort freinage, provoquée par l'interaction des courants de Foucault avec un champ magnétique externe. Cet effet est utilisé pour amortissement parties mobiles des galvanomètres, sismographes et autres instruments sans utilisation de friction, ainsi que dans certaines conceptions de systèmes de freinage des trains ferroviaires.

Application [ | ]

L'effet thermique des courants de Foucault est utilisé dans fours à induction, où un corps conducteur est placé dans une bobine alimentée par un générateur haute fréquence de haute puissance, dans lequel apparaissent des courants de Foucault, le chauffant jusqu'à ce qu'il fonde. Ils fonctionnent de la même manière cuisinières à induction, dans lequel des ustensiles de cuisine en métal sont chauffés par des courants de Foucault créés par le champ magnétique alternatif d'une bobine située à l'intérieur du poêle.

A l'aide des courants de Foucault, les parties métalliques des installations sous vide sont chauffées pour les dégazer.

Conformément à La règle de Lenz Les courants de Foucault circulent à l’intérieur d’un conducteur le long de chemins et de directions tels que leur action peut résister le plus fortement possible à la cause qui les provoque. En conséquence, lorsqu’ils se déplacent dans un champ magnétique, les bons conducteurs sont soumis à une force de freinage provoquée par l’interaction des courants de Foucault avec le champ magnétique. Cet effet est utilisé dans un certain nombre d'appareils pour amortir les vibrations de leurs pièces mobiles.

Dans de nombreux cas, les courants de Foucault peuvent être indésirables. Pour les combattre, des mesures particulières sont prises : afin d'éviter les pertes d'énergie dues à l'échauffement des noyaux transformateurs, ces noyaux sont assemblés à partir de plaques minces séparées par des couches isolantes (laminées). Apparence

Les courants de Foucault ou cycliques ont des significations à la fois positives et négatives pour les humains. D’une part, ils provoquent des pertes d’énergie dans un conducteur ou une bobine massive. Dans le même temps, le phénomène des courants de Foucault peut être utilisé utilement - par exemple, pour créer des fours à induction. Mais tout d’abord.

Découverte des courants de Foucault

Vortex courants électriques ont été découverts par le scientifique français Arago D.F. Le scientifique a expérimenté avec un disque de cuivre et une aiguille magnétisée.

Il a tourné autour du disque, à un moment donné, il a commencé à répéter les mouvements de la flèche. Les scientifiques de l’époque n’ont pas trouvé d’explication à ce phénomène – cet étrange mouvement s’appelait le « phénomène Arago ». Le mystère attendait son heure.

Quelques années plus tard, Maxwell Faraday, qui découvre alors sa célèbre loi de l'induction électromagnétique, s'intéresse à la question.

Selon la loi, M. Faraday a avancé l'hypothèse selon laquelle un champ magnétique en mouvement affecte le réseau métallique atomique d'un conducteur en cuivre.

Le courant électrique résultant du mouvement dirigé des électrons crée toujours un champ magnétique sur tout le périmètre du conducteur. Le physicien expérimental Foucault a décrit les courants de Foucault en détail, sur la base des travaux d'Arago et Faraday, d'où ils tirent leur deuxième nom.

Quelle est la nature des courants de Foucault ?

Des courants cycliques fermés peuvent se produire dans les conducteurs dans les cas où le champ magnétique autour de ces conducteurs n'est pas stable, c'est-à-dire en constante évolution dans le temps ou en rotation dynamique.

Ainsi, la force des courants de Foucault dépend directement du taux de changement Flux magnétique percer le conducteur. On sait que les électrons dans un conducteur se déplacent de manière linéaire en raison des différences de potentiel, de sorte que le courant électrique est dirigé directement.

Les courants de Foucault se manifestent différemment et se referment directement dans le corps du conducteur, formant des circuits cycliques de type vortex. Ils sont capables d'interagir avec le champ magnétique, à la suite duquel ils sont apparus. (Figure 1)

Sur la figure, nous pouvons clairement voir comment les courants qui nous intéressent augmentent avec l'augmentation du niveau d'induction (indiqué par des guides en pointillés) au milieu de la bobine, qui est connectée au courant alternatif.

En étudiant les courants de Foucault de Foucault, le scientifique russe Lenz a conclu que le champ magnétique propre de ces courants ne permet pas de modifier le flux magnétique dont ils sont la cause. Nature de la direction les lignes électriques le courant électrique de Foucault coïncide avec le vecteur direction courant induit.

Signification et application

Au moment où le corps se déplace dans les champs magnétiques créés, les courants de Foucault provoquent un ralentissement physique du corps dans ces champs. Cette capacité est mise en œuvre depuis longtemps dans la conception d'un compteur électrique domestique. L'essentiel est qu'un disque en aluminium tournant sous l'influence d'un aimant ralentit. (fig2)

L'image montre un disque compteur énergie électrique, où la flèche pleine indique le sens de rotation du disque lui-même, et les flèches en pointillés indiquent les écoulements vortex

Ces mêmes interactions ont contribué à concrétiser l’idée de créer une pompe pour pomper les métaux en fusion. Les courants de Foucault provoquent l’apparition d’un effet cutané. En raison de leur action, l'efficacité du conducteur diminue, car au milieu de la section du conducteur, le courant est effectivement absent, mais prévaut à sa périphérie.

Pour réduire les pertes d'électricité, notamment lors de la transmission sur de longues distances, un câble multicanal est utilisé, dont chaque âme possède sa propre isolation. Les courants de Foucault, à savoir les fours à induction conçus sur cette base, ont trouvé de larges applications en métallurgie.

Je les utilise pour faire fondre les métaux, les pomper et durcir la surface. De plus, les propriétés des courants de Foucault sont utilisées pour ralentir et arrêter le disque métallique dans les freins à induction. Dans les dispositifs et appareils informatiques modernes, les courants de Foucault contribuent à ralentir les particules en mouvement.

MINISTÈRE DE L'ÉDUCATION ET DES SCIENCES

FÉDÉRATION RUSSE

BUDGET DE L'ÉTAT FÉDÉRAL INSTITUTION D'ENSEIGNEMENT PROFESSIONNEL SUPÉRIEUR

"UNIVERSITÉ D'ÉTAT DE KORGAN"

Résumé Sur le thème "Physique" Sujet : "Les courants de Foucault et leur application"

Complété par : Étudiant du groupe T-10915 Logunova M.V.

Professeur Vorontsov B.S.

Kourgan 2016

Introduction 3

1. Toki Fuko 4

2.Tourbillons et effet peau 7

3. Application pratique des courants de Foucault 8

4.Dérivation des formules 10

4.1. Intensité des courants de Foucault selon la loi d'Ohm 10

4.2. Formules de calcul des pertes dues aux courants de Foucault 10

Conclusion 11

Références 12

Introduction

Le courant d'induction peut se produire non seulement dans des circuits linéaires, c'est-à-dire dans des conducteurs dont les dimensions transversales sont négligeables par rapport à leur longueur. Le courant d'induction se produit également dans les conducteurs massifs. Dans ce cas, il n’est pas nécessaire que le conducteur soit inclus dans un circuit fermé. Un circuit fermé de courant d'induction se forme dans l'épaisseur du conducteur lui-même. De tels courants induits sont appelés vortex ou courantsFoucault.

Les courants de Foucault, ou courants de Foucault (en l'honneur de J. B. L. Foucault) sont des courants d'induction de Foucault qui surviennent dans les conducteurs soit en raison d'un changement temporel du champ magnétique dans lequel se trouve le corps, soit en raison du mouvement du corps dans un champ magnétique. champ magnétique, entraînant une modification du flux magnétique à travers le corps ou toute partie de celui-ci.

Plus le flux magnétique change rapidement, plus l'amplitude des courants de Foucault est grande.

1. Toki Fuko

Les courants de Foucault ont été découverts pour la première fois par le scientifique français D. F. Arago (1786-1853) en 1824 dans un disque de cuivre situé sur un axe sous une aiguille magnétique en rotation. En raison des courants de Foucault, le disque a commencé à tourner. Ce phénomène, appelé phénomène Arago, fut expliqué quelques années plus tard par M. Loin de la position de la loi de l'induction électromagnétique qu'il a découverte : un champ magnétique tournant induit des courants de Foucault dans le disque de cuivre, qui interagissent avec l'aiguille magnétique. Les courants de Foucault ont été étudiés en détail par le physicien français Foucault (1819-1868) et portent leur nom. Il a découvert le phénomène de chauffage de corps métalliques mis en rotation dans un champ magnétique par des courants de Foucault.

Les courants de Foucault apparaissent sous l'influence de l'alternance Champ électromagnétique et par leur nature physique, ils ne diffèrent pas des courants d'induction apparaissant dans les fils linéaires.

Mais contrairement au courant électrique dans les fils, circulant le long de chemins précisément définis, les courants de Foucault sont enfermés directement dans la masse conductrice, formant des circuits de type vortex. Ces circuits de courant interagissent avec le flux magnétique qui les a générés. La résistance électrique d’un conducteur massif est faible, les courants de Foucault atteignent donc une intensité très élevée. Selon la règle de Lenz, le champ magnétique des courants de Foucault est dirigé de manière à contrecarrer le changement de flux magnétique qui induit ces courants de Foucault.

Par exemple, si une plaque de cuivre est inclinée par rapport à sa position d'équilibre et relâchée de manière à entrer à une vitesse υ dans l'espace entre les bandes magnétiques, alors la plaque s'arrêtera pratiquement au moment où elle entre dans le champ magnétique (Fig. 1). .

Le ralentissement du mouvement est associé à l'excitation de courants de Foucault dans la plaque, qui empêchent la modification du flux du vecteur induction magnétique. Puisque la plaque a une résistance finie, les courants d’induction s’éteignent progressivement et la plaque se déplace lentement dans le champ magnétique. Si l'électro-aimant est éteint, la plaque de cuivre effectuera les oscillations habituelles caractéristiques d'un pendule.

Les courants de Foucault conduisent également à une répartition inégale du flux magnétique sur la section transversale du noyau magnétique. Ceci s'explique par le fait qu'au centre de la section transversale du noyau magnétique, la force magnétisante des courants de Foucault dirigés vers le flux principal est la plus grande, puisque cette partie de la section transversale est couverte par le plus grand nombre de courants de Foucault. circuits de courant. Ce « déplacement » du flux de la partie médiane du circuit magnétique s'exprime d'autant plus nettement que la fréquence du courant alternatif est élevée et que la perméabilité magnétique du ferromagnétique est grande. Aux hautes fréquences, le flux ne passe que dans une fine couche superficielle du noyau. Cela provoque une diminution de la perméabilité magnétique apparente (moyenne sur la section transversale). Le phénomène de déplacement d'un flux magnétique changeant à haute fréquence à partir d'un ferromagnétique est similaire à l'effet de peau électrique et est appelé effet de peau magnétique.

Conformément à la loi Joule-Lenz, les courants de Foucault échauffent les conducteurs dans lesquels ils naissent. Ainsi, les courants de Foucault entraînent des pertes d'énergie (pertes par courants de Foucault) dans les circuits magnétiques (dans les noyaux des transformateurs et les bobines AC, dans les circuits magnétiques des machines).

Pour réduire les pertes d'énergie dues aux courants de Foucault (et à l'échauffement nocif des circuits magnétiques) et réduire l'effet de « déplacement » du flux magnétique des ferromagnétiques, les circuits magnétiques des machines et des appareils à courant alternatif ne sont pas constitués d'une pièce solide de matériau ferromagnétique ( acier électrique), mais à partir de plaques distinctes isolées les unes des autres. Cette division en plaques situées perpendiculairement à la direction des courants de Foucault limite les contours possibles des trajets des courants de Foucault, ce qui réduit fortement l'ampleur de ces courants. Aux très hautes fréquences, l’utilisation de ferromagnétiques pour les circuits magnétiques n’est pas pratique ; dans ces cas, ils sont fabriqués à partir de magnétodiélectriques, dans lesquels les courants de Foucault ne se produisent pratiquement pas en raison de la très haute résistance de ces matériaux.

Lorsqu'un corps conducteur se déplace dans un champ magnétique, les courants de Foucault induits provoquent une interaction mécanique notable du corps avec le champ. Ce principe repose par exemple sur le freinage du système mobile des compteurs d'énergie électrique, dans lequel un disque en aluminium tourne dans le champ d'un aimant permanent. Dans les machines à courant alternatif à champ tournant, un rotor métallique solide est emporté par le champ en raison des courants de Foucault qui y apparaissent. L'interaction des courants de Foucault avec un champ magnétique alternatif constitue la base de divers types de pompes pour pomper le métal en fusion.

Des courants de Foucault apparaissent également dans le conducteur lui-même à travers lequel il circule. courant alternatif, ce qui conduit à une répartition inégale du courant sur la section transversale du conducteur. Aux moments d'augmentation du courant dans le conducteur, les courants de Foucault d'induction sont dirigés vers la surface du conducteur le long du courant électrique primaire et vers l'axe du conducteur - vers le courant. En conséquence, le courant à l’intérieur du conducteur diminuera et à la surface il augmentera. Courants haute fréquence couler pratiquement dans fine couche près de la surface du conducteur, mais à l'intérieur du conducteur il n'y a pas de courant. Ce phénomène est appelé effet cutané électrique. Pour réduire les pertes d'énergie dues aux courants de Foucault, les fils CA de gros calibre sont constitués de brins séparés isolés les uns des autres.

Plaçons une bobine de fil dans un champ magnétique alternatif. La bobine est fermée et il n'y a pas de galvanomètre dans le circuit, ce qui pourrait montrer la présence d'un courant d'induction dans notre circuit. Mais le courant peut être détecté car le conducteur chauffe lorsque le courant le traverse. Si, sans modifier les dimensions restantes de la bobine, on augmente uniquement l'épaisseur du fil à partir duquel le circuit est réalisé, alors FEM induite($\varepsilon_i\sim \frac(\Delta Ф)(\Delta t)$) ne changera pas, puisque le taux de variation du flux magnétique restera le même. Cependant, la résistance de la bobine ($R\sim \frac(1)(S)$) diminuera. En conséquence, le courant d'induction augmentera ($I_i$). La puissance libérée dans le circuit sous forme de chaleur est directement proportionnelle à $I_i\varepsilon_i$, donc la température du conducteur va augmenter. Ainsi, l'expérience montre qu'un morceau de métal, lorsqu'il est placé dans un champ magnétique, s'échauffe, ce qui indique l'apparition de courants induits dans des conducteurs massifs lorsque le flux magnétique change. De tels courants sont appelés courants de Foucault ou courants de Foucault.

Définition des courants de Foucault

Définition

Tokami Fuko sont appelés courants électriques volumétriques à induction de Foucault qui apparaissent dans les conducteurs lorsque les conducteurs sont placés dans un champ magnétique alternatif.

Propriétés des courants de Foucault

De par leur nature, les courants de Foucault ne diffèrent pas des courants d'induction qui surviennent dans les fils.

La direction et l'intensité des courants de Foucault dépendent de la forme du conducteur métallique, de la direction du flux magnétique alternatif, des propriétés du métal et de la vitesse de variation du flux magnétique. La distribution des courants de Foucault dans le métal peut être très complexe.

Dans les conducteurs qui ont grandes tailles dans une direction perpendiculaire à la direction du courant d'induction, les courants de Foucault peuvent être très importants, ce qui entraîne une augmentation significative de la température corporelle.

Les propriétés des courants de Foucault pour chauffer un conducteur sont utilisées dans les fours à induction pour la fusion des métaux.

Les courants de Foucault, comme les autres courants d'induction, obéissent à la règle de Lenz, c'est-à-dire qu'ils ont une direction telle que leur interaction avec le champ magnétique primaire inhibe le mouvement qui provoque l'induction.

Exemples de problèmes avec solutions

Exemple 1

Exercice. Qu’est-ce que « l’amortissement magnétique », utilisé dans les instruments de mesure électriques ?

Solution. Considérez l’expérience suivante. Nous suspendons une légère aiguille magnétique à un fil (Fig. 1).

Si cette flèche est laissée à elle-même, elle se trouve dans une position d'équilibre orientée du nord au sud. Lorsqu'il s'écarte de sa position d'équilibre, il oscillera longtemps si le frottement dans la suspension est faible. Plaçons une grande plaque de cuivre de masse importante sous la flèche à une petite distance de celle-ci. L'amortissement des oscillations de la flèche dans ce cas se produira très rapidement, après avoir effectué un ou deux oscillations, la flèche atteindra la position d'équilibre. La raison en est que lorsque l’aiguille magnétique se déplace, des courants de Foucault sont induits dans le conducteur en cuivre, dont l’interaction avec le champ magnétique, conformément à la règle de Lenz, inhibe le mouvement de l’aimant. Énergie cinétique, qui était communiquée à l'aiguille magnétique au moment de la poussée, grâce aux courants de Foucault, se transforme en énergie interne cuivre, augmentant sa température. Ce phénomène est appelé « calme magnétique ».

Exemple 2

Exercice. Une pièce de métal tombe entre les pôles d'un électro-aimant. La première fois que l'aimant est éteint, la deuxième fois, l'aimant est allumé. Dans quel cas la pièce chutera-t-elle à un rythme plus lent ?

Solution. S'il existe un champ magnétique entre les pôles d'un électro-aimant, la pièce tombera lentement, comme si elle se déplaçait dans un liquide visqueux, et non dans air atmosphérique. La pièce est décélérée par les forces qui agissent du champ magnétique sur les courants de Foucault induits dans la pièce lorsqu'elle tombe dans le champ magnétique. La vitesse de son mouvement sera nettement inférieure à celle lorsque le champ magnétique est éteint.

Répondre. La vitesse de chute est plus lente lorsque l’aimant est allumé.