Į kintamąjį magnetinį lauką pastatykime vielos ritę. Ritė uždaryta, o grandinėje nėra galvanometro, kuris galėtų parodyti, kad mūsų grandinėje yra indukcinė srovė. Tačiau srovę galima aptikti, nes laidininkas įkais, kai srovė praeis per jį. Jei nekeisdami likusių ritės matmenų padidinsime tik laido, iš kurio sudaryta grandinė, storį, tada sukeltas emf($\varepsilon_i\sim \frac(\Delta Ф)(\Delta t)$) nepasikeis, nes magnetinio srauto kitimo greitis išliks toks pat. Tačiau ritės varža ($R\sim \frac(1)(S)$) sumažės. Dėl to padidės indukcijos srovė ($I_i$). Galia, kuri išsiskiria grandinėje šilumos pavidalu, yra tiesiogiai proporcinga $I_i\varepsilon_i$, todėl padidės laidininko temperatūra. Taigi, patirtis rodo, kad metalo gabalas, patekęs į magnetinį lauką, įkaista, o tai rodo indukuotų srovių atsiradimą masyviuose laiduose, kai keičiasi magnetinis srautas. Tokios srovės vadinamos sūkurinėmis arba Foucault srovėmis.
Foucault srovių apibrėžimas
Apibrėžimas
Tokamis Fuko vadinamos sūkurinėmis indukcinėmis tūrinėmis elektros srovėmis, kurios atsiranda laidininkuose, kai laidininkai yra patalpinti į kintamąjį magnetinį lauką.
Foucault srovių savybės
Iš prigimties sūkurinės srovės nesiskiria nuo indukcinių srovių, atsirandančių laiduose.
Foucault srovių kryptis ir stiprumas priklauso nuo metalinio laidininko formos, kintamo magnetinio srauto krypties, metalo savybių ir magnetinio srauto kitimo greičio. Foucault srovių pasiskirstymas metale gali būti labai sudėtingas.
Dirigentuose, kurie turi dideli dydžiai indukcinės srovės krypčiai statmena kryptimi sūkurinės srovės gali būti labai didelės, dėl to smarkiai pakyla kūno temperatūra.
Savybės sūkurinės srovės laidininko kaitinimas naudojamas indukcinėse krosnyse metalams lydyti.
Foucault srovės, kaip ir kitos indukcijos srovės, paklūsta Lenco taisyklei, tai yra, turi tokią kryptį, kad jų sąveika su pirminiu magnetiniu lauku slopina judėjimą, sukeliantį indukciją.
Problemų su sprendimais pavyzdžiai
1 pavyzdys
Pratimai. Kas yra „magnetinis slopinimas“, naudojamas elektriniuose matavimo prietaisuose?
Sprendimas. Apsvarstykite toliau pateiktą eksperimentą. Lengvą magnetinę adatą pakabiname iš siūlo (1 pav.).
Jei ši rodyklė paliekama sau, ji yra pusiausvyros padėtyje, nustatyta kryptimi iš šiaurės į pietus. Kai jis nukrypsta nuo pusiausvyros padėties, jis ilgai svyruos, jei pakabos trintis yra maža. Po rodykle nedideliu atstumu nuo jos pastatykime didelę reikšmingos masės varinę plokštę. Rodyklės svyravimų slopinimas tokiu atveju įvyks labai greitai, padarius vieną ar du siūbavimus rodyklė pasieks pusiausvyros padėtį. Priežastis ta, kad judant magnetinei adatai, variniame laidininke indukuojamos Foucault srovės, kurių sąveika su magnetiniu lauku, pagal Lenco taisyklę, slopina magneto judėjimą. Kinetinė energija, kuris stūmimo momentu buvo perduotas magnetinei adatai, sūkurinių srovių dėka virsta vidinė energija vario, didinant jo temperatūrą. Šis reiškinys vadinamas „magnetiniu tylėjimu“.
2 pavyzdys
Pratimai. Metalinė moneta patenka tarp elektromagneto polių. Pirmą kartą magnetas išjungtas, antrą kartą magnetas įjungtas. Kuriuo atveju moneta kris lėčiau?
Sprendimas. Jei tarp elektromagneto polių yra magnetinis laukas, moneta lėtai kris žemyn, tarsi judėtų klampiame skystyje, o ne viduje. atmosferos oras. Moneta sulėtina jėgų, veikiančių iš išorės magnetinis laukasį sūkurines sroves, sukeltas monetoje, kai ji patenka į magnetinį lauką. Jo judėjimo greitis bus žymiai mažesnis nei išjungus magnetinį lauką.
Atsakymas. Kritimo greitis yra lėtesnis, kai įjungtas magnetas.
Sūkurinės arba ciklinės srovės žmonėms turi tiek teigiamų, tiek neigiamų reikšmių. Viena vertus, jie sukelia energijos nuostolius masyviame laidininke arba ritėje. Tuo pačiu metu sūkurinės srovės reiškinys gali būti panaudotas naudingai - pavyzdžiui, kuriant indukcines krosnis. Bet pirmiausia pirmiausia.
Sūkurinių srovių atradimas
Sūkurines elektros sroves atrado prancūzų mokslininkas Arago D.F. Mokslininkas eksperimentavo su variniu disku ir adata, kuri buvo įmagnetinta.
Jis sukosi aplink diską, tam tikru metu pradėjo kartoti rodyklės judesius. To meto mokslininkai nerado reiškinio paaiškinimo - šis keistas judėjimas buvo vadinamas „Arago fenomenu“. Paslaptis laukė savo laiko.
Po kelerių metų šiuo klausimu susidomėjo Maxwellas Faradėjus, kuris tuo metu atrado savo garsųjį įstatymą elektromagnetinė indukcija.
Pagal įstatymą M. Faradėjus iškėlė prielaidą, kad judantis magnetinis laukas turi įtakos vario laidininko atominei metalinei gardelei.
Elektros srovė, atsirandanti dėl nukreipto elektronų judėjimo, visada sukuria magnetinį lauką per visą laidininko perimetrą. Eksperimentinis fizikas Foucault išsamiai aprašė sūkurines sroves, remdamasis Arago ir Faradėjaus darbais, iš kurių jie gavo antrąjį pavadinimą.
Kokia sūkurinių srovių prigimtis?
Uždarosios ciklinės srovės gali atsirasti laidininkuose tais atvejais, kai magnetinis laukas aplink šiuos laidininkus nėra stabilus, tai yra nuolat kintantis laikui bėgant arba dinamiškai besisukantis.
Taigi sūkurinės srovės stiprumas tiesiogiai priklauso nuo laidininką perveriančio magnetinio srauto kitimo greičio. Yra žinoma, kad elektronai laidininke dėl potencialų skirtumų juda tiesiškai, todėl elektros srovė nukreipta tiesiogiai.
Foucault srovės pasireiškia skirtingai ir užsidaro tiesiai laidininko korpuse, sudarydamos į sūkurį panašias ciklines grandines. Jie gali sąveikauti su magnetiniu lauku, dėl kurio jie atsirado. (1 pav.)
Sūkurinės srovės laidininke Paveiksle aiškiai matome, kaip mus dominančios srovės didėja didėjant indukcijos lygiui (rodomi taškiniais kreiptuvais) ritės viduryje, kuri yra prijungta prie kintamosios srovės.
Tyrinėdamas Foucault sūkurines sroves, rusų mokslininkas Lencas padarė išvadą, kad nuosavas šių srovių magnetinis laukas neleidžia keistis magnetiniam srautui, kurio priežastis jos yra. Krypties prigimtis elektros linijos sūkurys elektros srovė sutampa su indukcijos srovės krypties vektoriumi.
Reikšmė ir taikymas
Šiuo metu kūnas juda sukurtuose magnetiniuose laukuose, Foucault srovės sukelia organizmo fizinį sulėtėjimą šiuose laukuose. Šis gebėjimas jau seniai buvo įgyvendintas kuriant buitinį elektros skaitiklį. Idėja ta, kad aliuminio diskas, besisukantis veikiant magnetui, sulėtėja. (2 pav.)
Nuotraukoje parodytas skaitiklio diskas elektros energija, kur vientisa rodyklė rodo paties disko sukimosi kryptį, o taškinės rodyklės rodo sūkurius
Tos pačios sąveikos padėjo įgyvendinti idėją sukurti siurblį išlydytam metalui siurbti. Foucault srovės išprovokuoja odos efekto atsiradimą. Dėl jų veikimo laidininko efektyvumas mažėja, nes laidininko skerspjūvio viduryje srovės faktiškai nėra, bet jos periferijoje vyrauja.
Siekiant sumažinti elektros nuostolius, ypač perduodant dideliais atstumais, naudojamas daugiakanalis kabelis, kurio kiekviena šerdis turi savo izoliaciją. Sūkurinės srovės, būtent jų pagrindu sukurtos indukcinės krosnys, plačiai pritaikytos metalurgijoje.
Juos naudoju metalų lydymui, pumpavimui ir paviršiaus grūdinimui. Taip pat sūkurinių srovių savybės yra naudojamos sulėtinti ir sustabdyti metalinį diską indukciniuose stabdžiuose. Šiuolaikiniuose skaičiavimo įrenginiuose ir aparatuose Foucault srovės padeda sulėtinti judančias daleles.
1824 m. prancūzų fizikas Danielis Arago pirmą kartą pastebėjo sūkurinių srovių poveikį variniame diske, esančiame po magnetine adata vienoje ašyje. Kai adata sukasi, diske buvo sukeltos sūkurinės srovės, dėl kurių jis judėjo. Šis reiškinys jo atradėjo garbei vadinamas „Arago efektu“.
Sūkurinės srovės tyrimai buvo tęsiami prancūzų fizikas Jeanas Foucault. Jis išsamiai aprašė jų prigimtį ir veikimo principą, taip pat pastebėjo feromagneto, besisukančio statiniame magnetiniame lauke, šildymo reiškinį. Srovės nauja gamta taip pat buvo pavadinti tyrinėtojo vardu.
Sūkurinių srovių prigimtis
Foucault srovės gali atsirasti, kai laidininkas yra veikiamas kintamo magnetinio lauko arba kai laidininkas juda statiniame magnetiniame lauke. Sūkurinių srovių pobūdis yra panašus į indukcines sroves, kurios atsiranda tiesiniuose laiduose, kai per juos praeina elektros srovė. Sūkurinių srovių kryptis yra uždara apskritime ir priešinga jas sukeliančiai jėgai.Foucault srovės žmogaus ūkinėje veikloje
Paprasčiausias Foucault srovių pasireiškimo pavyzdys kasdienybė- jų poveikis apvijos transformatoriaus magnetinei grandinei. Dėl indukuotų srovių įtakos atsiranda žemo dažnio vibracija (transformatorius dūzgia), o tai prisideda prie stipraus šildymo. Tokiu atveju eikvojama energija ir sumažėja įrenginio efektyvumas. Siekiant išvengti didelių nuostolių, transformatorių šerdys nėra pagamintos iš vientiso gabalo, o surenkamos iš plonų mažo laidumo elektrinio plieno juostelių. Juostos tarpusavyje izoliuojamos elektriniu laku arba apnašų sluoksniu. Ferito elementų atsiradimas leido pagaminti mažo dydžio magnetines šerdis iš vieno gabalo.Sūkurinių srovių poveikis naudojamas visoje pramonėje ir mechaninėje inžinerijoje. Magnetinės levitacijos traukiniuose stabdymui naudojamos Foucault srovės, o didelio tikslumo prietaisai turi rodyklės slopinimo sistemą, pagrįstą sūkurinių srovių veikimu. Indukcinės krosnys plačiai naudojamos metalurgijoje, turinčios daugybę pranašumų, palyginti su panašiais įrenginiais. Indukcinėje krosnyje galima įdėti šildomą metalą beorė erdvė, pasiekus visišką degazavimą. Indukcinis juodųjų metalų lydymas taip pat paplito metalurgijoje dėl didelio įrenginių efektyvumo.
Iki šiol svarstėme indukuotos srovės V tiesiniai laidininkai. Bet indukuotos srovės atsiras ir kietųjų laidininkų storyje, kai juose pasikeis magnetinės indukcijos vektoriaus srautas . Jie cirkuliuos laidininko medžiagoje (atminkite, kad linijos - uždarytas). Kadangi elektrinis laukas yra sūkurinis, srovės vadinamos sūkurinėmis srovėmis arba Foucault srovės.
Jei varinė plokštelė atitraukiama iš pusiausvyros padėties ir atleidžiama taip, kad ji greičiu v patektų į tarpą tarp magnetinių juostų, tai plokštelė praktiškai sustos tuo momentu, kai patenka į magnetinį lauką (3.8 pav.).
Ryžiai. 3.8 pav. 3.9
Judėjimo sulėtėjimas yra susijęs su sūkurinių srovių sužadinimu plokštelėje, kurios neleidžia keistis magnetinės indukcijos vektoriaus srautui. Kadangi plokštė turi ribotą varžą, indukcijos srovės palaipsniui išnyksta ir plokštė lėtai juda magnetiniame lauke. Jei elektromagnetas išjungtas, varinė plokštė atliks įprastus švytuoklei būdingus svyravimus.
Sūkurinių srovių stiprumas ir vieta yra labai jautrūs plokštės formai. Jei kietą varinę plokštę pakeisite „šukomis“ - varine plokšte su įpjovomis, tada sūkurinės srovės kiekvienoje plokštės dalyje sužadinamos mažesnėmis srovėmis. Mažėja indukcinės srovės, mažėja stabdymas (3.9 pav.). Šukos formos švytuoklė svyruoja magnetiniame lauke beveik nesipriešindama. Ši patirtis paaiškina, kodėl elektromagnetų ir transformatorių šerdys yra pagamintos ne iš vientiso geležies gabalo, o iš plonų plokščių, izoliuotų viena nuo kitos. Dėl to sumažėja Foucault srovės ir jų sukuriama šiluma.
Jei paimate 5 cm skersmens ir 5 mm storio varinį diską ir numetate jį tarp elektromagneto polių, tada, kai magnetas išjungiamas, diskas krenta normaliu pagreičiu. Kai įjungiamas » 1 Tesla magnetinis laukas, disko kritimas smarkiai sulėtėja ir jo judėjimas primena kūno kritimą labai klampioje terpėje.
Foucault srovės stabdymo efektas naudojamas kuriant magnetinius amortizatorius – amortizatorius. Jei po siūbavimu horizontali plokštuma padėkite masyvią varinę plokštę magnetine adata, tuomet varinėje plokštelėje sužadintos Foucault srovės sulėtins adatos svyravimą. Tokio tipo magnetiniai amortizatoriai naudojami seismografuose, galvanometruose ir kituose prietaisuose.
Foucault srovės naudojamos elektrometalurgijoje metalams lydyti. Metalas dedamas į kintamąjį magnetinį lauką, kurį sukuria srovė, kurios dažnis yra 500 - 2000 Hz. Dėl indukcinio šildymo metalas išsilydo, tačiau tiglis, kuriame jis yra, lieka šaltas. Pavyzdžiui, esant 600 kW maitinimo šaltiniui, tona metalo išsilydo per 40–50 minučių.
Foucault srovės yra srovės, kylančios masyviame laidininke, esančiame kintamajame magnetiniame lauke. Foucault srovės turi sūkurio charakteris. Jei įprastos indukcinės srovės juda plonu uždaru laidininku, sūkurinės srovės yra uždarytos masyviojo laidininko storio viduje. Nors tuo pačiu metu jie nebesiskiria nuo įprastų indukcijos srovių.
Foucault srovės yra uždarytos formos laidininko storyje apskriti kontūrai maži sūkuriai. Kuo didesnis magnetinio srauto kitimo greitis, tuo didesnis šių srovių dydis. Tai gali būti kintamasis magnetinis laukas arba pats masyvus laidininkas gali judėti pastoviame magnetiniame lauke.
Foucault srovių kryptį lemia Lenco taisyklė, taip pat įprastų srovių, atsirandančių dėl elektromagnetinės indukcijos, kryptis. Jie visada nukreipti prieš juos sukėlusį srautą ir stengiasi jam atremti.
Galite atlikti tokį eksperimentą. Sukurti nuolatinį magnetinis srautas. Pavyzdžiui, tarp dviejų nuolatiniai magnetai. Ir į lauką tarp jų atsineškite varinę ar aliuminio plokštę. Bus matyti, kad plokštė juda su jėga. Mat judant jame kyla Foucault srovės, kurios sąveikauja su magnetų lauku. Kadangi šių srovių laukas bus nukreiptas skaitikliu išorinis laukas, tada jie atstums vienas kitą. Rekomenduojama paimti vario arba aliuminio plokštes, nes šios medžiagos turi mažai varža. Vadinasi, srovės stiprumas juose bus didesnis ir efektas pasireikš aiškiau.
1 paveikslas – eksperimento diagrama
Šis sūkurinių srovių pasireiškimas naudojamas technikoje. Pavyzdžiui, asinchroniniame elektros variklyje. Statorius, kurį sukuria besisukantis magnetinis laukas. O rotorius pagamintas masyvaus ruošinio pavidalu. Dėl to, kai magnetinis laukas pradeda suktis aplink ruošinį, jis tarsi prilimpa prie jo ir taip pat pradeda suktis paskui jį.
Kadangi laidininko varža yra baigtinė, jo storiu tekančios srovės sukelia laidininko kaitinimą. Šis reiškinys naudojamas metalų lydymui metalurgijoje. Metalas dedamas į tiglį, aplink kurį yra induktorius AC didelė jėga. Magnetinis laukas, atsirandantis grandinėje, prasiskverbia į metalą, kuris savo ruožtu tirpsta.
Tačiau be naudingos šilumos lydymosi metu, Foucault srovės taip pat kenkia kitoms elektrinėms mašinoms. Pavyzdžiui, transformatoriuose ar elektros varikliuose. Kuriame magnetinio lauko energija neturėtų būti išleista šilumai. Siekiant kovoti su sūkurinėmis srovėmis, feromagnetinės šerdys yra laminuotos, tai yra, jos surenkamos iš plonų plokščių, izoliuotų viena nuo kitos. Tokiu atveju magnetinis srautas turi būti nukreiptas statmenai plokščių plokštumai. Taigi energijos nuostoliai dėl šildymo yra minimalūs.
