Mari kita letakkan gulungan kawat dalam medan magnet bolak-balik. Kumparannya tertutup, dan tidak terdapat galvanometer pada rangkaian yang dapat menunjukkan adanya arus induksi pada rangkaian kita. Namun arus dapat dideteksi karena penghantar akan memanas ketika arus melewatinya. Jika, tanpa mengubah dimensi kumparan yang tersisa, kita hanya menambah ketebalan kawat dari mana rangkaian dibuat, maka emf yang diinduksi($\varepsilon_i\sim \frac(\Delta Ф)(\Delta t)$) tidak akan berubah, karena laju perubahan fluks magnet akan tetap sama. Namun resistansi kumparan ($R\sim \frac(1)(S)$) akan berkurang. Akibatnya arus induksi akan meningkat ($I_i$). Daya yang dilepaskan pada rangkaian dalam bentuk panas berbanding lurus dengan $I_i\varepsilon_i$, sehingga suhu penghantar akan meningkat. Jadi, pengalaman menunjukkan bahwa sepotong logam, ketika ditempatkan di medan magnet, akan memanas, yang menunjukkan terjadinya arus induksi pada konduktor masif ketika fluks magnet berubah. Arus seperti ini disebut arus eddy atau arus Foucault.
Definisi arus Foucault
Definisi
Tokami Fuko disebut arus listrik volumetrik induksi eddy yang muncul pada konduktor ketika konduktor ditempatkan dalam medan magnet bolak-balik.
Sifat-sifat arus Foucault
Secara alami arus eddy tidak berbeda dengan arus induksi yang timbul pada kabel.
Arah dan kekuatan arus Foucault bergantung pada bentuk konduktor logam, arah fluks magnet bolak-balik, sifat logam, dan laju perubahan fluks magnet. Distribusi arus Foucault pada logam bisa sangat kompleks.
Dalam konduktor yang memiliki ukuran besar dalam arah tegak lurus dengan arah arus induksi, arus eddy bisa sangat besar, yang menyebabkan peningkatan suhu tubuh secara signifikan.
Properti arus eddy pemanasan konduktor digunakan dalam tungku induksi untuk peleburan logam.
Arus Foucault, seperti arus induksi lainnya, mematuhi aturan Lenz, yaitu mempunyai arah sedemikian rupa sehingga interaksinya dengan medan magnet primer menghambat gerakan yang menyebabkan induksi.
Contoh permasalahan yang ada solusinya
Contoh 1
Latihan. Apa yang dimaksud dengan “peredaman magnetik” yang digunakan pada alat ukur listrik?
Larutan. Perhatikan percobaan berikut. Kami menggantung jarum magnet ringan dari seutas benang (Gbr. 1).
Jika anak panah ini dibiarkan sendiri, maka ia berada pada posisi setimbang searah dari utara ke selatan. Apabila menyimpang dari posisi setimbangnya, maka akan berosilasi dalam waktu yang lama jika gesekan pada suspensi kecil. Mari kita letakkan pelat tembaga besar dengan massa yang signifikan di bawah panah pada jarak yang kecil darinya. Redaman osilasi anak panah dalam hal ini akan terjadi dengan sangat cepat, setelah melakukan satu atau dua kali ayunan anak panah akan mencapai posisi setimbang. Alasannya adalah ketika jarum magnet bergerak, arus Foucault diinduksi dalam konduktor tembaga, yang interaksinya dengan medan magnet, sesuai dengan aturan Lenz, menghambat pergerakan magnet. Energi kinetik, yang dikomunikasikan ke jarum magnet pada saat dorongan, berkat arus eddy, berubah menjadi energi dalam tembaga, meningkatkan suhunya. Fenomena ini disebut “penenangan magnetis”.
Contoh 2
Latihan. Sebuah koin logam jatuh di antara kutub elektromagnet. Pertama kali magnet mati, kedua kali magnet menyala. Dalam hal apa koin akan jatuh dengan kecepatan yang lebih lambat?
Larutan. Jika terdapat medan magnet di antara kutub-kutub elektromagnet, maka uang logam tersebut akan jatuh perlahan-lahan, seolah-olah sedang bergerak dalam cairan kental, dan bukan dalam cairan. udara atmosfer. Koin tersebut diperlambat oleh kekuatan yang bekerja dari luar medan magnet dengan arus eddy yang diinduksi pada koin saat jatuh dalam medan magnet. Kecepatan pergerakannya akan jauh lebih kecil dibandingkan saat medan magnet dimatikan.
Menjawab. Kecepatan jatuhnya lebih lambat saat magnet menyala.
Arus eddy atau siklik mempunyai arti positif dan negatif bagi manusia. Di satu sisi, hal ini menyebabkan hilangnya energi pada konduktor atau kumparan yang sangat besar. Pada saat yang sama, fenomena arus eddy dapat dimanfaatkan secara bermanfaat - misalnya, pembuatan tungku induksi. Tapi hal pertama yang pertama.
Penemuan arus eddy
Arus listrik Eddy ditemukan oleh ilmuwan Perancis Arago D.F. Ilmuwan bereksperimen dengan piringan tembaga dan jarum yang diberi magnet.
Ia berputar mengelilingi piringan itu, pada suatu saat ia mulai mengulangi gerakan panah. Para ilmuwan pada masa itu tidak menemukan penjelasan atas fenomena tersebut - gerakan aneh ini disebut “fenomena Arago”. Misteri sedang menunggu waktunya.
Beberapa tahun kemudian, Maxwell Faraday yang saat itu menemukan hukum terkenalnya menjadi tertarik dengan pertanyaan tersebut induksi elektromagnetik.
Menurut hukum, M. Faraday mengemukakan asumsi bahwa medan magnet yang bergerak berpengaruh pada kisi logam atom suatu konduktor tembaga.
Arus listrik yang dihasilkan dari pergerakan elektron yang terarah selalu menimbulkan medan magnet di sepanjang keliling konduktor. Fisikawan eksperimental Foucault menggambarkan arus eddy secara rinci, berdasarkan karya Arago dan Faraday, dari mana mereka mendapatkan nama keduanya.
Apa sifat arus eddy?
Arus siklik tertutup dapat terjadi pada konduktor jika medan magnet di sekitar konduktor tersebut tidak stabil, yaitu terus berubah seiring waktu atau berputar secara dinamis.
Jadi, kekuatan arus eddy secara langsung bergantung pada laju perubahan fluks magnet yang menembus konduktor. Diketahui elektron-elektron dalam suatu penghantar bergerak linier karena adanya beda potensial, sehingga arus listrik searah.
Arus Foucault memanifestasikan dirinya secara berbeda dan menutup langsung di badan konduktor, membentuk sirkuit siklik seperti pusaran. Mereka mampu berinteraksi dengan medan magnet, sebagai akibatnya mereka muncul. (Gambar 1)
Arus eddy pada suatu konduktor Pada gambar kita dapat dengan jelas melihat bagaimana arus yang kita minati meningkat seiring dengan meningkatnya tingkat induksi (ditunjukkan oleh panduan titik-titik) di tengah kumparan, yang dihubungkan ke arus bolak-balik.
Mempelajari arus eddy Foucault, ilmuwan Rusia Lenz menyimpulkan bahwa medan magnet arus ini tidak memungkinkan fluks magnet, yang menjadi penyebabnya, berubah. Sifat arah saluran listrik pusaran arus listrik bertepatan dengan vektor arah arus induksi.
Arti dan Penerapannya
Pada saat benda bergerak dalam medan magnet yang tercipta, arus Foucault menyebabkan tubuh melambat secara fisik di medan tersebut. Kemampuan ini sudah lama diterapkan dalam perancangan meteran listrik rumah tangga. Idenya adalah bahwa piringan aluminium yang berputar di bawah pengaruh magnet melambat. (gambar 2)
Gambar menunjukkan counter disk energi listrik, di mana panah padat menunjukkan arah putaran piringan itu sendiri, dan panah putus-putus menunjukkan aliran pusaran
Interaksi yang sama membantu mewujudkan gagasan menciptakan pompa untuk memompa logam cair. Arus Foucault memicu munculnya efek kulit. Akibat aksinya, efisiensi konduktor menurun, karena arus sebenarnya tidak ada di tengah penampang konduktor, tetapi mendominasi di pinggirannya.
Untuk mengurangi rugi-rugi listrik terutama pada transmisi jarak jauh digunakan kabel multisaluran yang masing-masing inti mempunyai insulasi tersendiri. Arus eddy, yaitu tungku induksi yang dirancang berdasarkan arus tersebut, telah banyak diterapkan dalam metalurgi.
Saya menggunakannya untuk melelehkan logam, memompanya, dan mengeraskan permukaannya. Dan juga sifat arus eddy digunakan untuk memperlambat dan menghentikan cakram logam pada rem induksi. Dalam perangkat dan peralatan komputasi modern, arus Foucault membantu memperlambat partikel yang bergerak.
Pada tahun 1824, fisikawan Perancis Daniel Arago pertama kali mengamati pengaruh arus eddy pada piringan tembaga yang terletak di bawah jarum magnet pada satu sumbu. Ketika jarum diputar, arus eddy diinduksikan pada piringan, menyebabkannya bergerak. Fenomena ini disebut “efek Arago” untuk menghormati penemunya.
Eddy melanjutkan penelitiannya saat ini fisikawan Perancis Jean Foucault. Dia menjelaskan secara rinci sifat dan prinsip operasinya, dan juga mengamati fenomena pemanasan feromagnet yang diputar dalam medan magnet statis. Arus sifat baru juga dinamai menurut nama peneliti.
Sifat arus eddy
Arus Foucault dapat terjadi ketika sebuah konduktor terkena medan magnet bolak-balik, atau ketika sebuah konduktor bergerak dalam medan magnet statis. Sifat arus eddy mirip dengan arus induksi, yang timbul pada kabel linier ketika arus listrik melewatinya. Arah arus eddy berbentuk lingkaran dan berlawanan dengan gaya yang menyebabkannya.Arus Foucault dalam aktivitas ekonomi manusia
Contoh paling sederhana dari manifestasi arus Foucault di kehidupan sehari-hari- dampaknya terhadap rangkaian magnet transformator belitan. Karena pengaruh arus induksi, getaran frekuensi rendah muncul (transformator berdengung), yang berkontribusi terhadap pemanasan yang kuat. Dalam hal ini, energi terbuang dan efisiensi instalasi menurun. Untuk mencegah kerugian yang signifikan, inti transformator tidak dibuat utuh, tetapi dirakit dari strip tipis baja listrik dengan konduktivitas listrik rendah. Strip tersebut diisolasi satu sama lain dengan pernis listrik atau lapisan kerak. Munculnya elemen ferit memungkinkan pembuatan inti magnet berukuran kecil dalam keadaan utuh.Pengaruh arus eddy digunakan di seluruh industri dan teknik mesin. Kereta levitasi magnetik menggunakan arus Foucault untuk pengereman, dan instrumen presisi tinggi memiliki sistem redaman penunjuk berdasarkan aksi arus eddy. Tungku induksi banyak digunakan dalam metalurgi dan memiliki berbagai keunggulan dibandingkan instalasi serupa. Dalam tungku induksi, logam yang akan dipanaskan dapat ditempatkan di dalamnya ruang tanpa udara, mencapai degassing lengkapnya. Peleburan logam besi secara induksi juga tersebar luas dalam metalurgi karena efisiensi instalasi yang tinggi.
Sejauh ini kami telah mempertimbangkannya arus yang diinduksi V konduktor linier. Tetapi arus induksi juga akan timbul pada ketebalan konduktor padat ketika fluks vektor induksi magnet berubah di dalamnya. . Mereka akan bersirkulasi dalam substansi konduktor (ingat bahwa garis - tertutup). Karena medan listriknya adalah pusaran arus, maka arusnya disebut arus pusaran arus, atau Arus Foucault.
Jika pelat tembaga dibelokkan dari posisi setimbang dan dilepaskan sehingga masuk dengan kecepatan v ke dalam ruang antara strip magnet, maka pelat tersebut akan berhenti pada saat memasuki medan magnet (Gbr. 3.8).
Beras. 3.8 Gambar. 3.9
Perlambatan gerakan dikaitkan dengan eksitasi arus eddy di pelat, yang mencegah perubahan fluks vektor induksi magnetik. Karena pelat memiliki resistansi yang terbatas, arus induksi berangsur-angsur padam dan pelat bergerak perlahan dalam medan magnet. Jika elektromagnet dimatikan, pelat tembaga akan melakukan osilasi yang biasa terjadi pada pendulum.
Kekuatan dan letak arus eddy sangat sensitif terhadap bentuk lempeng. Jika Anda mengganti pelat tembaga padat dengan "sisir" - pelat tembaga dengan potongan, maka arus eddy di setiap bagian pelat akan tereksitasi oleh arus yang lebih kecil. Arus induksi berkurang, dan arus pengereman berkurang (Gbr. 3.9). Pendulum berbentuk sisir berosilasi dalam medan magnet hampir tanpa hambatan. Pengalaman ini menjelaskan mengapa inti elektromagnet dan transformator dibuat bukan dari sepotong besi padat, melainkan dari pelat tipis yang diisolasi satu sama lain. Akibatnya, arus Foucault dan panas yang dihasilkannya berkurang.
Jika kita mengambil sebuah piringan tembaga yang berdiameter 5 cm dan tebal 5 mm dan menjatuhkannya di antara kutub-kutub elektromagnet, maka ketika magnet dimatikan, piringan tersebut akan jatuh dengan percepatan normal. Ketika medan magnet » 1 Tesla dihidupkan, jatuhnya piringan melambat tajam dan gerakannya menyerupai jatuhnya suatu benda dalam medium yang sangat kental.
Efek pengereman arus Foucault digunakan untuk membuat peredam – peredam magnet. Jika di bawah berayun ke dalam bidang horizontal posisikan pelat tembaga masif dengan jarum magnet, maka arus Foucault yang tereksitasi pada pelat tembaga tersebut akan memperlambat osilasi jarum tersebut. Peredam magnetik jenis ini digunakan pada seismograf, galvanometer, dan instrumen lainnya.
Arus Foucault digunakan dalam elektrometalurgi untuk melebur logam. Logam ditempatkan dalam medan magnet bolak-balik yang ditimbulkan oleh arus dengan frekuensi 500 - 2000 Hz. Akibat pemanasan induktif, logam meleleh, tetapi wadah tempatnya berada tetap dingin. Misalnya, dengan pasokan listrik 600 kW, satu ton logam meleleh dalam waktu 40–50 menit.
Arus Foucault adalah arus yang timbul pada suatu penghantar masif yang terletak pada medan magnet bolak-balik. Arus Foucault punya karakter pusaran. Jika arus induksi biasa bergerak sepanjang konduktor tertutup tipis, maka arus eddy tertutup di dalam ketebalan konduktor masif. Meskipun pada saat yang sama tidak lagi berbeda dengan arus induksi biasa.
Arus Foucault ditutup pada ketebalan konduktor dalam bentuk kontur melingkar pusaran kecil. Semakin tinggi laju perubahan fluks magnet, semakin tinggi pula besaran arusnya. Ini mungkin berupa medan magnet bolak-balik, atau konduktor masif itu sendiri mungkin bergerak dalam medan magnet konstan.
Arah arus Foucault ditentukan oleh aturan Lenz, serta arah arus biasa yang timbul akibat induksi elektromagnetik. Mereka selalu diarahkan berlawanan dengan arus yang menyebabkannya, dan berusaha untuk melawannya.
Anda dapat melakukan eksperimen seperti itu. Buat permanen fluks magnet. Misalnya antara dua magnet permanen. Dan bawalah pelat tembaga atau aluminium ke dalam bidang di antara keduanya. Akan terlihat bahwa lempeng tersebut bergerak dengan gaya. Karena ketika bergerak, timbul arus Foucault di dalamnya yang berinteraksi dengan medan magnet. Karena medan arus ini akan diarahkan berlawanan bidang luar, maka mereka akan saling tolak menolak. Disarankan untuk mengambil pelat tembaga atau aluminium, karena bahan-bahan ini jumlahnya sedikit resistivitas. Akibatnya, kekuatan arus di dalamnya akan lebih besar dan efeknya akan terlihat lebih jelas.
Gambar 1 - diagram percobaan
Manifestasi arus eddy ini digunakan dalam teknologi. Misalnya pada motor listrik asinkron. Stator, yang diciptakan oleh medan magnet yang berputar. Dan rotornya dibuat dalam bentuk blanko besar. Akibatnya, ketika medan magnet mulai berputar di sekitar benda kerja, medan magnet tersebut seolah-olah melekat padanya dan juga mulai berputar setelahnya.
Karena resistansi konduktor terbatas, arus yang mengalir dalam ketebalannya menyebabkan pemanasan konduktor. Fenomena ini digunakan untuk peleburan logam dalam metalurgi. Logam ditempatkan dalam wadah yang di sekelilingnya terdapat induktor AC kekuatan yang besar. Medan magnet yang timbul pada rangkaian menembus logam, yang kemudian meleleh.
Namun selain panas yang berguna selama peleburan, arus Foucault juga menyebabkan kerusakan pada mesin listrik lainnya. Misalnya pada trafo atau motor listrik. Dimana energi medan magnet tidak boleh dihabiskan untuk panas. Untuk memerangi arus eddy, inti feromagnetik dibuat dilaminasi, yaitu dirangkai dari pelat tipis yang diisolasi satu sama lain. Dalam hal ini, fluks magnet harus diarahkan tegak lurus terhadap bidang pelat. Dengan demikian, kehilangan energi akibat pemanasan diminimalkan.
