Sabit bir manyetik alanda hareket eden iletken (metal) bir plakada Foucault akımlarının oluşumunun çizimi C. Manyetik indüksiyon vektörü B yeşil oklarla gösterilen vektör V plaka hareket hızı - siyah oklar, elektrik akımı yoğunluk vektörünün güç hatları BEN- kırmızı (bu çizgiler kapalıdır, “girdap”).
Kaynak manyetik alanöyle kalıcı mıknatıs, onun parçası şeklin üst kısmında gösterilmiştir gri. Manyetik indüksiyon vektörü B kuzeyden yönlendirildi ( N) bir mıknatısın kutupları, bir manyetik alan plakaya nüfuz eder. Mıknatısın altına giren plaka malzemesinde yani. solda, manyetik indüksiyon zamanla değişir, artar (d Bn/D T> 0) ve Faraday ve Ohm yasalarına uygun olarak plaka malzemesinde kapalı bir (girdap) (indüklenmiş, “indüklenmiş”) görünür elektrik akımı. Bu akım saat yönünün tersine akar ve Ampere yasasına göre kendi manyetik alanını yaratır; bunun manyetik indüksiyon vektörü, akım akış düzlemine dik, yukarı doğru yönlendirilmiş mavi bir okla gösterilir.
Sağda mıknatıstan uzaklaşan plaka malzemesinde manyetik alan da zamanla değişiyor ancak zayıflıyor ve sağda bir başkasının alan çizgileri görünüyor elektrik akımı saat yönünde yönlendirilir.
Mıknatısın tam altında, "sol" ve "sağ" akım girdapları aynı yöne yönlendirilir; toplamın yoğunluğu elektrik akımı maksimum. Bu bölgede hareket ederken elektrik ücretleri akışı oluşan elektrik akımı, güçlü bir manyetik alanda, hız vektörüne karşı (sol el kuralına göre) yönlendirilen Lorentz kuvveti etki eder V. Bu Lorentz kuvveti plakayı yavaşlatır C. Mıknatısın manyetik alanı ile indüklenen akımların manyetik alanı arasındaki etkileşim, manyetik alan akısının kutup çevresinde ortaya çıkan dağılımının ortaya çıkmasına neden olur. N mıknatıs sabit bir plakanın durumundan farklıdır C(ve hıza bağlıdır V), ancak manyetik indüksiyon vektörünün toplam akısı değişmeden kalsa da (mıknatıs ve plakanın malzemesinin C doygunluğa dahil değildir).

Girdap akımları, veya Foucault'nun akımları(onuruna J. B. L. Foucault) - elektrikte ortaya çıkan girdap indüksiyonu hacimsel elektrik akımı iletkenler zamanla değişirken akış Onlara etki eden manyetik alan.

İlk kez girdap akımları Fransız bir bilim adamı tarafından keşfedildi DF Arago(1786-1853) tarafından 1824 yılında dönen bir manyetik iğnenin altındaki bir eksen üzerinde bulunan bakır bir diskin içinde bulunmuştur. Dolayı girdap akımları disk dönmeye başladı. Arago fenomeni olarak adlandırılan bu fenomen birkaç yıl sonra açıklandı. M. Faraday keşfettiği yasa açısından elektromanyetik indüksiyon: Dönen bir manyetik alan, bakır diskte manyetik iğne ile etkileşime giren girdap akımlarını indükler. Girdap akımları ayrıntılı olarak incelenmiştir Fransız fizikçi Foucault(1819-1868) ve onun adını almıştır. Foucault ayrıca ısınma olgusunu da keşfetti metal gövdeler girdap akımları tarafından manyetik bir alanda döndürülür.

Foucault akımları etki altında ortaya çıkıyor zamanla değişen(alternatif) manyetik alan ve İle fiziksel doğa elektrik transformatörlerinin tellerinde ve sekonder sargılarında ortaya çıkan endüksiyon akımlarından farklı değildir.

Çünkü elektrik direnci Masif iletken küçük olabilir, o zaman Foucault akımlarının neden olduğu endüksiyon elektrik akımının gücü aşırı derecede yüksek olabilir. büyük değerler. Buna göre Lenz'in kuralı Bir iletkenin hacmindeki Foucault akımları, akışlarına neden olan nedeni büyük ölçüde ortadan kaldırmak için böyle bir yol seçer. Bu nedenle özellikle güçlü bir manyetik alanda hareket eden iyi iletkenler deneyimi güçlü frenleme Foucault akımlarının harici bir manyetik alanla etkileşiminden kaynaklanır. Bu etki şunun için kullanılır: sönümleme galvanometrelerin, sismografların ve diğer aletlerin sürtünme kullanmadan hareket eden parçalarının yanı sıra demiryolu trenlerinin bazı fren sistemleri tasarımlarında.

Başvuru [ | ]

Foucault akımlarının termal etkisi, indüksiyon fırınlarıİletken bir gövdenin, yüksek güçlü, yüksek frekanslı bir jeneratör tarafından çalıştırılan bir bobine yerleştirildiği, içinde girdap akımlarının ortaya çıktığı ve onu eriyene kadar ısıttığı yer. Benzer şekilde çalışıyorlar indüksiyon ocakları metal pişirme kabının, sobanın içine yerleştirilmiş bir bobinin alternatif manyetik alanı tarafından oluşturulan girdap akımları tarafından ısıtıldığı.

Foucault akımlarının yardımıyla vakum tesislerinin metal parçaları ısıtılarak gazdan arındırılır.

Buna göre Lenz'in kuralı Girdap akımları bir iletkenin içinde öyle yollar ve yönler boyunca akar ki, eylemleri onlara neden olan nedene mümkün olduğunca güçlü bir şekilde direnebilir. Sonuç olarak, manyetik bir alanda hareket ederken iyi iletkenler, girdap akımlarının manyetik alanla etkileşiminden kaynaklanan bir frenleme kuvvetine maruz kalır. Bu etki, bir dizi cihazda hareketli parçaların titreşimlerini azaltmak için kullanılır.

Çoğu durumda Foucault akımları istenmeyebilir. Onlarla mücadele etmek için özel önlemler alınır: çekirdeklerin ısınmasından kaynaklanan enerji kayıplarını önlemek için transformatörler Bu çekirdekler, yalıtım katmanları (lamine) ile ayrılmış ince plakalardan birleştirilir. Dış görünüş

Girdap veya döngüsel akımların insanlar için hem olumlu hem de olumsuz anlamları vardır. Bir yandan büyük bir iletken veya bobinde enerji kayıplarına neden olurlar. Aynı zamanda, girdap akımı olgusu da yararlı bir şekilde kullanılabilir - örneğin, endüksiyon fırınlarının oluşturulması. Ama önce ilk şeyler.

Girdap akımlarının keşfi

girdap elektrik akımları Fransız bilim adamı Arago D.F. tarafından keşfedildi. Bilim adamı bakır bir disk ve mıknatıslanmış bir iğne ile deneyler yaptı.

Diskin etrafında döndü ve bir noktada okun hareketlerini tekrarlamaya başladı. O zamanın bilim adamları bu fenomen için bir açıklama bulamadılar - bu garip harekete "Arago fenomeni" adı verildi. Gizem zamanını bekliyordu.

Birkaç yıl sonra, o dönemde ünlü elektromanyetik indüksiyon yasasını keşfeden Maxwell Faraday bu soruyla ilgilenmeye başladı.

Yasaya göre M. Faraday, hareketli bir manyetik alanın bakır iletkenin atomik metal kafesini etkilediği varsayımını öne sürdü.

Elektronların yönlendirilmiş hareketinden kaynaklanan elektrik akımı her zaman iletkenin tüm çevresi boyunca manyetik bir alan oluşturur. Deneysel fizikçi Foucault, ikinci adını aldıkları Arago ve Faraday'ın eserlerine dayanarak girdap akımlarını ayrıntılı olarak tanımladı.

Girdap akımlarının doğası nedir?

Bu iletkenlerin etrafındaki manyetik alanın sabit olmadığı, yani zamanla sürekli değiştiği veya dinamik olarak döndüğü durumlarda iletkenlerde kapalı döngüsel akımlar meydana gelebilir.

Bu nedenle girdap akımının gücü doğrudan değişim oranına bağlıdır. manyetik akı iletkeni delmek. Bir iletkendeki elektronların potansiyel farklarından dolayı doğrusal olarak hareket ettiği, dolayısıyla elektrik akımının doğrudan yönlendirildiği bilinmektedir.

Foucault akımları kendilerini farklı şekilde gösterir ve doğrudan iletkenin gövdesinde kapanarak girdap benzeri döngüsel devreler oluşturur. Bunun sonucunda ortaya çıktıkları manyetik alanla etkileşime girebilirler. (Şekil 1)

Şekilde, alternatif akıma bağlı bobinin ortasındaki (noktalı kılavuzlarla gösterilen) indüksiyon seviyesinin artmasıyla bizi ilgilendiren akımların nasıl arttığını açıkça görebiliyoruz.

Foucault'nun girdap akımlarını inceleyen Rus bilim adamı Lenz, bu akımların kendi manyetik alanının, nedeni oldukları manyetik akının değişmesine izin vermediği sonucuna vardı. Yönün doğası elektrik hatları girdap elektrik akımı yön vektörüyle çakışıyor indüklenen akım.

Anlamı ve Uygulaması

Vücudun oluşturulan manyetik alanlar içerisinde hareket ettiği anda Foucault akımları vücudun bu alanlarda fiziksel olarak yavaşlamasına neden olur. Bu yetenek uzun zamandır ev tipi elektrik sayacının tasarımında uygulanmıştır. Buradaki fikir, bir mıknatısın etkisi altında dönen bir alüminyum diskin yavaşlamasıdır. (Şekil 2)

Resimde bir sayaç diski gösterilmektedir elektrik enerjisi, burada katı ok diskin kendisinin dönme yönünü gösterir ve noktalı oklar girdap akışlarını gösterir

Aynı etkileşimler, erimiş metalleri pompalamak için bir pompa oluşturma fikrinin hayata geçirilmesine yardımcı oldu. Foucault akımları cilt etkisinin ortaya çıkmasına neden oluyor. Etkilerinin bir sonucu olarak, iletken kesitinin ortasında akım gerçekte bulunmadığından, ancak çevresine hakim olduğundan iletken verimliliği azalır.

Özellikle uzun mesafelerde iletim yaparken elektrik kayıplarını azaltmak için, her çekirdeğin kendi yalıtımına sahip olan çok kanallı bir kablo kullanılır. Girdap akımları, yani bunlara göre tasarlanan indüksiyon fırınları, metalurjide geniş uygulama alanı bulmuştur.

Metalleri eritmek, pompalamak ve yüzeyi sertleştirmek için kullanıyorum. Ayrıca indüksiyonlu frenlerde metal diski yavaşlatmak ve durdurmak için girdap akımlarının özellikleri de kullanılır. Modern bilgi işlem cihazlarında ve aparatlarında Foucault akımları, hareket eden parçacıkların yavaşlamasına yardımcı olur.

EĞİTİM VE BİLİM BAKANLIĞI

RUSYA FEDERASYONU

FEDERAL DEVLET BÜTÇE EĞİTİM KURUMU YÜKSEK MESLEKİ EĞİTİM

"KURGAN DEVLET ÜNİVERSİTESİ"

Özet "Fizik" Konusu Konusu: "Foucault akımları ve uygulamaları"

Tamamlayan: T-10915 grubunun öğrencisi Logunova M.V.

Öğretmen Vorontsov B.S.

Kurgan 2016

Giriş 3

1. Toki Fuko 4

2.Hızlar ve cilt etkisi 7

3. Foucault akımlarının pratik uygulaması 8

4.Formüllerin türetilmesi 10

4.1. Ohm kanununa göre girdap akımı gücü 10

4.2. Foucault akımlarından kaynaklanan kayıpları hesaplamak için formüller 10

Sonuç 11

Referanslar 12

giriiş

İndüksiyon akımı yalnızca doğrusal devrelerde, yani enine boyutları uzunluklarına göre ihmal edilebilir olan iletkenlerde meydana gelebilir. İndüksiyon akımı aynı zamanda masif iletkenlerde de meydana gelir. Bu durumda iletkenin kapalı devreye dahil edilmesine gerek yoktur. İletkenin kalınlığında kapalı bir indüksiyon akımı devresi oluşur. Bu tür indüklenen akımlara denir girdap veya akıntılarFoucault.

Girdap akımları veya Foucault akımları (J. B. L. Foucault'nun onuruna), ya vücudun bulunduğu manyetik alanın zamanındaki bir değişiklik nedeniyle ya da vücudun manyetik bir alandaki hareketi nedeniyle iletkenlerde ortaya çıkan girdap endüksiyon akımlarıdır. alan, vücuttan veya herhangi bir kısmından geçen manyetik akıda bir değişikliğe yol açar.

Manyetik akı ne kadar hızlı değişirse, Foucault akımlarının büyüklüğü de o kadar büyük olur.

1. Toki Fuko

Girdap akımları ilk olarak 1824 yılında Fransız bilim adamı D. F. Arago (1786-1853) tarafından dönen bir manyetik iğnenin altındaki bir eksen üzerinde bulunan bakır bir diskte keşfedildi. Girdap akımları nedeniyle disk dönmeye başladı. Arago fenomeni olarak adlandırılan bu fenomen, birkaç yıl sonra M. Faradays, kendisi tarafından keşfedilen elektromanyetik indüksiyon yasasının konumundan: dönen bir manyetik alan, manyetik iğne ile etkileşime giren bakır diskte girdap akımlarını indükler. Eddy akımları Fransız fizikçi Foucault (1819-1868) tarafından ayrıntılı olarak incelenmiş ve onun adını almıştır. Girdap akımları ile manyetik alanda döndürülen metal gövdelerin ısıtılması olgusunu keşfetti.

Foucault akımları alternatif akımların etkisi altında ortaya çıkar. elektromanyetik alan ve fiziksel yapıları gereği doğrusal tellerde ortaya çıkan endüksiyon akımlarından farklı değildirler.

Ancak, kesin olarak tanımlanmış yollar boyunca akan tellerdeki elektrik akımının aksine, girdap akımları doğrudan iletken kütleye yaklaşarak girdap benzeri devreler oluşturur. Bu akım devreleri kendilerini oluşturan manyetik akı ile etkileşime girer. Masif bir iletkenin elektrik direnci düşüktür, dolayısıyla Foucault akımları çok yüksek kuvvete ulaşır. Lenz kuralına göre girdap akımlarının manyetik alanı, bu girdap akımlarını indükleyen manyetik akıdaki değişime karşı koyacak şekilde yönlendirilir.

Örneğin, bir bakır plaka denge konumundan eğilir ve mıknatıs şeritleri arasındaki boşluğa υ hızıyla girecek şekilde serbest bırakılırsa, o zaman plaka manyetik alana girdiği anda pratik olarak duracaktır (Şekil 1). .

Hareketteki yavaşlama, manyetik indüksiyon vektörünün akışının değişmesini önleyen plakadaki girdap akımlarının uyarılmasıyla ilişkilidir. Plakanın sonlu bir direnci olduğundan, indüksiyon akımları yavaş yavaş söner ve plaka manyetik alanda yavaş hareket eder. Elektromıknatıs kapatılırsa, bakır plaka bir sarkacın olağan salınım karakteristiğini gerçekleştirecektir.

Girdap akımları aynı zamanda manyetik çekirdeğin kesiti üzerinde manyetik akının eşit olmayan bir şekilde dağılmasına da yol açar. Bu, manyetik çekirdeğin kesitinin merkezinde, ana akışa doğru yönlendirilen girdap akımlarının mıknatıslama kuvvetinin en büyük olması, çünkü kesitin bu kısmı en fazla sayıda girdap tarafından kaplandığı gerçeğiyle açıklanmaktadır. akım devreleri. Akının manyetik devrenin orta bölümünden bu "yer değiştirmesi", alternatif akımın frekansı arttıkça ve ferromıknatısın manyetik geçirgenliği arttıkça daha belirgindir. Yüksek frekanslarda akış yalnızca çekirdeğin ince bir yüzey katmanından geçer. Bu, görünen (kesit üzerinden ortalaması alınan) manyetik geçirgenlikte bir azalmaya neden olur. Ferromıknatıstan yüksek frekansla değişen manyetik akının yer değiştirmesi olgusu, elektriksel cilt etkisine benzer ve manyetik cilt etkisi olarak adlandırılır.

Joule-Lenz yasasına göre girdap akımları, içinde oluştukları iletkenleri ısıtır. Bu nedenle girdap akımları manyetik devrelerde (transformatörlerin ve AC bobinlerin çekirdeklerinde, makinelerin manyetik devrelerinde) enerji kayıplarına (girdap akımı kayıplarına) yol açar.

Girdap akımlarından (ve manyetik devrelerin zararlı ısınmasından) kaynaklanan enerji kayıplarını azaltmak ve manyetik akının ferromanyetiklerden "yer değiştirmesinin" etkisini azaltmak için, makinelerin manyetik devreleri ve alternatif akım cihazları katı bir ferromanyetik malzemeden yapılmaz ( elektrikli çelik), ancak birbirinden izole edilmiş ayrı plakalardan. Girdap akımlarının yönüne dik olarak konumlandırılan plakalara yapılan bu bölünme, girdap akımı yollarının olası hatlarını sınırlar ve bu, bu akımların büyüklüğünü büyük ölçüde azaltır. Çok yüksek frekanslarda, manyetik devreler için ferromıknatısların kullanımı pratik değildir; bu durumlarda, bu malzemelerin çok yüksek direnci nedeniyle girdap akımlarının pratikte ortaya çıkmadığı manyetodielektriklerden yapılırlar.

İletken bir cisim manyetik alanda hareket ettiğinde, indüklenen girdap akımları, cismin alanla gözle görülür bir mekanik etkileşimine neden olur. Bu prensip, örneğin, alüminyum bir diskin kalıcı bir mıknatıs alanında döndüğü elektrik enerjisi sayaçlarındaki hareketli sistemin frenlenmesine dayanmaktadır. Dönen alana sahip alternatif akım makinelerinde, içinde oluşan girdap akımları nedeniyle sağlam bir metal rotor alan tarafından taşınır. Girdap akımının alternatif bir manyetik alanla etkileşimi, erimiş metali pompalamak için çeşitli pompa türlerinin temelini oluşturur.

Girdap akımları, içinden aktığı iletkenin kendisinde de ortaya çıkar. klima Bu, iletkenin kesiti boyunca akımın eşit olmayan dağılımına yol açar. İletkendeki akımın arttığı anlarda, indüksiyon girdap akımları iletkenin yüzeyine birincil elektrik akımı boyunca ve iletkenin ekseninde akıma doğru yönlendirilir. Sonuç olarak iletkenin içindeki akım azalacak ve yüzeyde artacaktır. Akımlar yüksek frekans pratik olarak içine akıyor ince tabaka iletkenin yüzeyine yakın, ancak iletkenin içinde akım yok. Bu olaya elektriksel cilt etkisi denir. Girdap akımlarından kaynaklanan enerji kayıplarını azaltmak için, büyük kalibreli AC kabloları birbirinden yalıtılmış ayrı tellerden yapılır.

Alternatif bir manyetik alana bir tel bobin yerleştirelim. Bobin kapalıdır ve devremizde indüksiyon akımının varlığını gösterebilecek galvanometre yoktur. Ancak iletken üzerinden akım geçtiğinde ısınacağından akım tespit edilebilir. Bobinin kalan boyutlarını değiştirmeden yalnızca devrenin yapıldığı telin kalınlığını arttırırsak, o zaman indüklenen emk($\varepsilon_i\sim \frac(\Delta Ф)(\Delta t)$) değişmeyecek çünkü manyetik akının değişim hızı aynı kalacaktır. Ancak bobin direnci ($R\sim \frac(1)(S)$) azalacaktır. Sonuç olarak, endüksiyon akımı artacaktır ($I_i$). Devrede ısı şeklinde açığa çıkan güç $I_i\varepsilon_i$ ile doğru orantılı olduğundan iletkenin sıcaklığı artacaktır. Ve böylece deneyimler, bir metal parçasının manyetik alana yerleştirildiğinde ısındığını göstermektedir; bu, manyetik akı değiştiğinde büyük iletkenlerde indüklenen akımların meydana geldiğini gösterir. Bu tür akımlara girdap akımları veya Foucault akımları denir.

Foucault akımlarının tanımı

Tanım

Tokami Fuko iletkenler alternatif bir manyetik alana yerleştirildiğinde iletkenlerde ortaya çıkan girdap indüksiyon hacimsel elektrik akımlarına denir.

Foucault akımlarının özellikleri

Doğası gereği girdap akımları, tellerde ortaya çıkan endüksiyon akımlarından farklı değildir.

Foucault akımlarının yönü ve gücü, metal iletkenin şekline, alternatif manyetik akının yönüne, metalin özelliklerine ve manyetik akının değişim hızına bağlıdır. Foucault akımlarının metaldeki dağılımı çok karmaşık olabilir.

Sahip olan iletkenlerde büyük boyutlar indüksiyon akımının yönüne dik bir yönde girdap akımları çok büyük olabilir ve bu da vücut sıcaklığında önemli bir artışa yol açar.

Bir iletkeni ısıtmak için girdap akımlarının özellikleri, metalleri eritmek için indüksiyon fırınlarında kullanılır.

Foucault akımları, diğer indüksiyon akımları gibi Lenz kuralına uyar, yani öyle bir yöne sahiptirler ki, birincil manyetik alanla etkileşimleri, indüksiyona neden olan hareketi engeller.

Çözümlü problem örnekleri

Örnek 1

Egzersiz yapmak. Elektrikli ölçü aletlerinde kullanılan “manyetik sönümleme” nedir?

Çözüm. Aşağıdaki deneyi düşünün. İpliğe hafif bir manyetik iğne asıyoruz (Şek. 1).

Bu ok kendi haline bırakılırsa kuzeyden güneye doğru ayarlanmış bir denge konumundadır. Denge konumundan saptığında süspansiyondaki sürtünme küçükse uzun süre salınım yapacaktır. Okun altına, ondan küçük bir mesafeye, önemli kütleye sahip büyük bir bakır levha yerleştirelim. Bu durumda okun salınımlarının sönümü çok hızlı bir şekilde gerçekleşecek, bir veya iki salınım yaptıktan sonra ok denge konumuna ulaşacaktır. Bunun nedeni, manyetik iğne hareket ettiğinde bakır iletkende Foucault akımlarının indüklenmesidir; bu akımların Lenz kuralına uygun olarak manyetik alanla etkileşimi mıknatısın hareketini engeller. Kinetik enerjiİtme anında manyetik iğneye iletilen girdap akımları sayesinde iç enerji bakır, sıcaklığını arttırıyor. Bu olaya "manyetik susturma" adı veriliyor.

Örnek 2

Egzersiz yapmak. Elektromıknatısın kutupları arasına metal bir para düşüyor. Mıknatıs ilk kez kapalıyken, ikinci kez mıknatıs açıktır. Hangi durumda madeni para daha yavaş düşecek?

Çözüm. Bir elektromıknatısın kutupları arasında manyetik bir alan varsa, o zaman madeni para, sanki viskoz bir sıvı içinde hareket ediyormuş gibi, yavaşça aşağı düşecektir. atmosferik hava. Madeni para, manyetik alana düştüğünde madeni paranın içinde indüklenen girdap akımları üzerinde manyetik alandan etki eden kuvvetler tarafından yavaşlatılır. Hareketinin hızı, manyetik alan kapatıldığında olduğundan önemli ölçüde daha az olacaktır.

Cevap. Mıknatıs açıkken düşme hızı daha yavaştır.