На чем основан вихретоковый контроль токи фуко токи тесла вихрях эффекте фарадея
Вихревые или еще так называемые цикличные токи могут нести в себе помимо вреда еще и пользу. С одной стороны, вихревые токи - это непосредственная причина потерь электроэнергии в проводнике либо же катушке. В то же самое время на этом эффекте построены современные индукционные печи, так что польза от таких токов есть. Давайте поговорим о пользе и вреде немного по подробней.
Краткое определение
Для начала давайте дадим определение озвученному явлению. Вихревые токи - это такие токи, которые начинают протекать по причине воздействия переменного магнитного поля. При этом может изменяться не само поле, а положение проводника в этом поле, то есть если проводник начнет перемещаться в статичном поле, то в нем все равно образуются токи Фуко.
И траекторию протекания таких токов определить невозможно. Известно лишь то, что ток проходит в том месте, где сопротивление минимально.
Как открыли это явление
Изначально вихревые токи были зафиксированы в 1824 году ученым
Д.А. Араго во время проведения следующего опыта:
На одной оси были смонтированы медный диск и магнитная стрелка, диск располагался внизу, а стрелка несколько выше. Так вот, когда стрелку вращали, то медный диск также начинал вращаться, так как протекающие токи формировали магнитное поле, которое и вступало во взаимодействие с магнитной стрелкой.
Наблюдаемый эффект получил название – явление Араго .
По истечении нескольких лет этот вопрос стал изучать Максвелл Фарадей , который как раз открыл закон электромагнитной индукции. Так вот, согласно открытому закону было сделано предположение, что магнитное поле оказывает непосредственное воздействие на атомарную решетку проводника.
И образующийся в результате данного воздействия электрический ток, всегда формирует магнитное поле во всем проводнике.
А подробно описал вихревые токи уже экспериментатор Фуко , именно поэтому второе название вихревых токов – токи Фуко. С историей немного познакомились, теперь давайте узнаем природу вихревых токов.
Природа вихревых токов
Замкнутые циклические токи могут образоваться в проводнике только в том варианте, когда магнитное поле, в котором находится проводник, имеет нестабильную структуру, то есть имеет вращение или изменяется со временем.
Из этого следует, что сила вихревых токов имеет прямую связь со скоростью изменения магнитного потока, проходящего через проводник.
По общепринятой теории электроны перемещаются в проводнике линейным образом из-за разности потенциалов, а это значит, что ток имеет прямое направление.
Токи Фуко ведут себя совершенно по-другому и образуют вихревой замкнутый контур прямо в проводнике. При этом данные токи способны на взаимодействие с магнитным полем, которое их и создало.
Проводя исследование этих токов, ученый Ленц сделал вывод, что сгенерированное вихревыми токами магнитное поле не позволяет магнитному потоку, который и создал эти токи, измениться. При этом направленность силовых линий вихревого тока идентично вектору направления индукционного тока.
Вихревые токи и их вред
Давайте вспомним, как выглядит обычный трансформатор.
Так вот, если вы внимательно посмотрите на сердечник, то вы увидите, что он собран из отдельных пластин. А вам не кажется, что гораздо проще его было выполнить цельным?
Как же они появляются в трансформаторе? Его работа и основана на принципах взаимодействия магнитных полей переменного характера, а как мы уже знаем переменное поле неизбежно порождает вихревые токи.
Получается, что вихревой ток нагревает сердечник. А нагрев ведет к снижению КПД и сильный перегрев приведет к оплавлению изоляции, а значит разрушению трансформатора.
Как снижают потери
Данные потери могут быть описаны следующей формулой:
Как вы знаете, верно следующее утверждение: проводник с маленьким сечением обладает большим сопротивлением, а чем больше сопротивление проводника, тем меньший ток проходит через него.
Именно поэтому сердечник выполнен из цельного куска стали, а не собран из тонких пластин, которые изолированы друг от друга окалиной или слоем лака. Такой способ сборки сердечника максимально уменьшает потери в сердечнике, то есть сводят вихревые токи до минимума.
Полезное использование вихревых токов
Данные токи не только несут негатив. Их давно научились использовать с пользой. Так, например, свойства вихревых токов используются в индукционных счетчиках. Данные токи замедляют вращение алюминиевого диска, который вращается под действием магнитного поля.
Так же создание индукционных сталеплавильных печей оказало несоизмеримый вклад в развитие всей современной индустрии производства стали.
Такие печи работают следующим образом: металл, который будут подвергать плавлению, помещают внутрь катушки, через которую начинают пропускать ток повышенной частоты. При этом магнитное поле формирует большие токи внутри металла, и последующий нагрев расплавляет металл.
В многоквартирных домах вы сможете увидеть индукционные плитки, принцип работы которых также основан на использовании эффекта образования вихревых токов.
Заключение
Это все, что я хотел вам рассказать о вихревых токах (токах Фуко). Если статья оказалась вам полезна или интересна, то оцените ее лайком. Спасибо за ваше внимание!
Индукционный ток возникает не только в линейных проводниках, но и в массивных сплошных проводниках, помещенных в магнитное поле. Эти токи оказываются замкнутыми в толще проводника и поэтому называются вихревыми. Их также называют токами Фуко - по имени первого исследователя.
Токи Фуко, как и индукционные токи в линейных проводниках, подчиняются правилу Ленца: их магнитное поле направлено так, чтобы противодейст-вовать изменению магнитного потока, индуцирующего вихревые токи. Например, если между полюсами невключенного электромагнита массивный медный маятник совершает практически незатухающие колебания (рис. 51), то при включении тока он испытывает сильное торможение и очень быстро останавливается. Это объясняется тем, что возникшие токи Фуко имеют такое направление, что действующие на них со стороны магнитного поля силы тормозят движение маятника. Этот факт используется для успокоения (демпфирования) подвижных частей различных приборов. Если в описанном маятнике сделать радиальные вырезы, то вихревые токи ослабляются, и торможение почти отсутствует.
 Рис. 51 | Вихревые токи вызывают нагревание проводников. Поэтому для уменьшения потерь на нагревание якоря генераторов сердечники трансформаторов делают не сплошными, а изготовляют из гонких пластин, отделенных одна от другой слоями изолятора, и устанавливают так, чтобы вихревые токи были направлены поперек пластин. Джоулева теплота, выделяемая токами Фуко, используется в индукционных металлургических печах. Индукционная печь представляет собой тигель, помещаемый внутрь катушки, в которой пропускается ток |
высокой частоты. В металле возникают интенсивные вихревые токи, способные разогреть его до плавления. Такой способ позволяет плавить металлы в вакууме, в результате чего получаются сверхчистые материалы.
Вихревые токи возникают и в проводах, по которым течет переменный ток. Направление этих токов можно определить по правилу Ленца. На рис.52,а показано направление вихревых токов при возрастании первичного тока в проводнике, а на рис.52,б - при его убывании. В обоих случаях направление вихревых токов таково, что они противодействуют изменению первичного тока внутри проводника и способствуют его изменению вблизи поверхности. Таким образом, вследствие возникновения вихревых токов быстропеременный ток оказывается распределенным по сечению провода неравномерно - он как бы вытесняется на поверхность проводника. Это явление получило название скин-эффекта или поверхностного эффекта. Так как токи высокой частоты практически текут в тонком поверхностном слое, то провода для них делаются полыми.
Если сплошные проводники нагреть током высокой частоты, то в результате скин-эффекта происходит нагревание только их поверхностного слоя. На этом основан метод поверхностной закалки металлов. Меняя частоту поля, он позволяет производить закалку на любой требуемой глубине.
Вихретоковый неразрушающий контроль основан на возбуждении в контролируемой детали вихревых токов и анализе взаимодействия внешнего возбуждающего магнитного поля с магнитным полем вихревых токов, наводимых в объекте контроля этим полем.
Особенность вихретокового контроля заключается в том, что его можно проводить без контакта преобразователя и объекта. Их взаимодействие происходит обычно на расстояниях, достаточных для свободного движения преобразователя относительно объекта: от долей миллиметра до нескольких миллиметров. Поэтому этим методом можно получать хорошие результаты контроля даже при высоких скоростях движения преобразователей по детали.
Еще одна из особенностей метода состоит в том, что на сигналы преобразователя практически не влияют влажность, давление, загрязненность газовой среды, радиоактивные излучения и загрязнение поверхности объекта контроля непроводящими веществами.
Простота конструкции вихретокового преобразователя (ВП) – еще одно преимущество метода. В большинстве случаев катушки помещают в предохранительный корпус и заливают компаундами. Благодаря этому они устойчивы к механическим и атмосферным воздействиям, могут работать в агрессивных средах, в широком интервале температур и давлений.
Поскольку вихретоковые методы контроля основаны на возбуждении вихревых токов, применяется он для контроля качества электропроводящих объектов: металлов, сплавов, графита, полупроводников. Ему свойственна малая глубина зоны контроля, определяемая глубиной проникновения электромагнитного поля в контролируемую среду. Вихретоковые методы контроля широко применяют для дефектоскопии, определения размеров и структуроскопии материалов и изделий.
В дефектоскопии с помощью данного метода обнаруживают дефекты типа несплошностей, выходящих на поверхность или залегающих на небольшой глубине в электропроводящих листах, прутках, трубах, проволоке, деталях железнодорожных вагонов, мелких деталях и т.д. Выявляются разнообразные трещины, расслоения, закаты, плены, раковины, неметаллические включения и т.д. При благоприятных условиях и малом влиянии мешающих факторов при использовании накладного преобразователя удается выявить трещины глубиной 0,1-0,2 мм, протяженностью 1-2 мм.
Поскольку структурное состояние металлов и сплавов влияет на их электрические и магнитные характеристики, оказывается возможным контролировать не только однородность химического состава, но и структуру металлов и сплавов, а также определять механические напряжения. С другой стороны этот фактор может оказаться мешающим при обнаружении трещин и других дефектов.
Ограничение применения вихретокового метода контроля состоит в невозможности обнаружения дефектов на глубине больше глубины проникновения вихревых токов.
Вихревые токи создаются и регистрируются с помощью специальных вихретоковых преобразователей (ВП).
Вихретоковый преобразователь представляет собой катушку (несколько катушек) индуктивности, которая подключена к источнику переменного тока. Ток создает вокруг катушки переменное магнитное поле. При размещении преобразователя вблизи поверхности токопроводящей детали указанное поле возбуждает в поверхностном слое вихревые токи. Вихревые токи создают собственное поле, которое наводит в катушке дополнительную ЭДС, несущую информацию о наличии или отсутствии дефектов. При наличии трещины контур вихревых токов разрывается (рис. 1.7), меняется магнитное поле создаваемое ими и соответственно меняется амплитуда и фаза сигнала измерительной катушки преобразователя.
Рис. 1.7. Изменение контура вихревых токов при наличии трещины на поверхности детали
Дефекты обнаруживаются в той части детали, по которой протекают вихревые токи.
По способу извлечения информации о наличии дефектов вихретоковые преобразователи делятся на параметрические и трансформаторные.
В параметрических преобразователях, обычно содержащих одну катушку, информацию о дефектах получают по изменению характеристик (параметров) этой катушки: сопротивление, индуктивность и др.
Трансформаторные преобразователи содержат не менее двух катушек. Одна из них – возбуждающая служит для создания переменного магнитного поля и, следовательно, вихревых токов в детали. Вторая – измерительная служит для регистрации переменных магнитных полей, создаваемых вихревыми токами. Так как на дефектной и бездефектной поверхностях вихревые токи различны, измеряя амплитуду и (или) фазу результирующего напряжения на измерительной катушке, можно судить о том, есть или нет в детали дефект. Для повышения чувствительности обычно используется третья обмотка – компенсационная, которая включается встречно измерительной, рис. 1.8.
Рис. 1.8. Преобразователь трансформаторного типа с компенсационной катушкой и сердечником (а), схема его включения (б)
Принцип работы ВП с фазовым детектированием
Когда преобразователь удален от детали (при фазовом анализе) прибор балансируется так, чтобы сигнал был минимальным, рис. 1.9, а. При установке преобразователя на деталь измеряемый сигнал рис. 1.9, б) сдвинут относительно возбуждающего сигнала с генератора (рис. 1.9, в) на некоторое значение Dj0. При наличии дефекта этот сдвиг изменяется DjД (рис. 1.9, г), что и фиксируется дефектоскопом.
В зависимости от формы детали применяют три основных типа трансформаторных преобразователей, отличающиеся расположением катушек: накладные, проходные и экранные, рис. 1.9, а, б и в соответственно, которые отличаются взаимным расположением катушек и контролируемой детали.
В накладном вихретоковом преобразователе все катушки (или одна катушка) располагаются на одной стороне детали (рис. 1.9, а). Применяются для контроля деталей сложной формы. Часто в накладных вихретоковых преобразователях применяют ферритовые сердечники, что приводит к повышению локальности и чувствительности контроля.
Рис. 1.9. Накладной (а), проходной (б) и экранный (в)
вихретоковые преобразователи: 1 – возбуждающая, 2 – измерительная обмотки, 3 – объект контроля
В проходном вихретоковом преобразователе либо катушки охватывают в целом деталь (рис. 1.9, б), либо деталь охватывает все катушки. Применяются для контроля протяженных деталей, типа прутков, проволоки, труб.
В экранном вихретоковом преобразователе катушки располагаются по разные стороны детали (рис. 1.9, в) Такие преобразователи можно использовать для контроля проката, пластин, лент и деталей подобной формы.
Катушки преобразователя по отношению друг к другу могут быть подвижными и неподвижными. Дефектоскопы с неподвижными катушками фиксируют трещины только при движении преобразователя над дефектом, такой режим называется динамическим.
Подвижные катушки вращаются внутри или вокруг неподвижных катушек. Преобразователи, у которых вращающиеся катушки находятся внутри неподвижных катушек, называются роторными. Режим работы с вращающимися катушками называется статическим. Он применяется при контроле плоских поверхностей для уточнения положения трещин, обнаруженных в динамическом режиме. Для этого преобразователь останавливается в области предполагаемой трещины и срабатывание сигнализации происходит в момент перемещения вращающейся катушки над трещиной.
Дефектоскопы с роторными ВП имеют две особенности. Первая особенность заключается в том, что сканирование (круговое) поверхности детали вращающимися катушками осуществляется даже в том случае, когда ВП по поверхности детали не перемещается. Это позволяет в процессе контроля замедлять движение или останавливать ВП для уточнения характера и положения дефекта, что повышает удобство и оперативность контроля.
Вторая особенность заключается в том, что в процессе контроля вращение катушек приводит к дополнительной модуляции сигнала преобразователя, которая различна для помех и дефектов. Это различие используется в тракте обработки сигнала так, чтобы снизить влияние помех и повысить порог чувствительности достоверность контроля.
Порог чувствительности вихретокового дефектоскопа определяется минимальной глубиной трещины, которая может выявляться с заданными вероятностями ошибок. К ошибкам относятся пропуск и ложное обнаружение дефектов. Ошибки обусловлены помехами.
К помехам относятся:
· шероховатость поверхности детали;
· локальные изменения электромагнитных свойств металла;
· изменение зазора между преобразователем и металлической поверхностью детали;
· наклон оси преобразователя;
· изменение кривизны контролируемой поверхности и т.п.
Порог чувствительности также зависит от способа обработки сигналов ВП.
В зависимости от способа соединения обмоток, различают абсолютные и дифференциальные методы. Выходной сигнал при абсолютном методе определяется абсолютным значением параметров измерительной катушки, а дифференциального – разностью значений параметров двух катушек, одна из которых находится на заведомо бездефектном участке детали, а вторая – на контролируемом. Использование дифференциального метода позволяет повысить помехоустойчивость и чувствительность контроля.
Индукционный ток возникает не только в линейных проводниках, но и в массивных сплошных проводниках, помещенных в переменное магнитное поле. Эти токи оказываются замкнутыми в толще проводника и поэтому называются вихревыми или токами Фуко.
Токи Фуко, как и индукционные токи в линейных проводниках, подчиняются правилу Ленца: их магнитное поле направлено так, чтобы противодействовать изменению магнитного потока, индуцирующему вихревые токи.
Вихревые токи помимо торможения вызывают нагревание проводников. Поэтому для уменьшения потерь на нагревание якоря генераторов и сердечники трансформаторов делают не сплошными, а изготовляют из тонких пластин, отделенных одна от другой слоями изолятора, и устанавливают их так, чтобы вихревые токи были направлены поперек пластин. Джоулева теплота, выделяемая токами Фуко, используется в индукционных металлургических печах. Индукционная печь представляет собой тигель, помещаемый внутрь катушки, в которой пропускается ток высокой частоты. В металле возникают интенсивные вихревые токи, способные разогреть его до плавления. Такой способ позволяет плавить металлы в вакууме, в результате чего получаются сверхчистые материалы.
Вихревые токи возникают и в проводах, по которым течет переменный ток. Направление этих токов можно определить по правилу Ленца. На рис.а показано направление вихревых токов при возрастании первичного тока в проводнике, а на рис б — при его убывании. В обоих случаях направление вихревых токов таково, что они противодействуют изменению первичного тока внутри проводника и способствуют его изменению вблизи поверхности. Таким образом, вследствие возникновения вихревых токов быстропеременный ток оказывается распределенным по сечению провода неравномерно — он как бы вытесняется на поверхность проводника. Это явление получило название скин-эффекта или поверхностного эффекта. Так как токи высокой частоты практически текут в тонком поверхностном слое, то провода для них делаются полыми.
Если сплошные проводники нагревать токами высокой частоты, то в результате скин-эффекта происходит нагревание только их поверхностного слоя. На этом основан метод поверхностной закалки металлов. Меняя частоту поля, он позволяет производить закалку на любой требуемой глубине.
Вихревые токи
В электрических аппаратах, приборах и машинах металлические детали иногда движутся в магнитном поле или неподвижные металлические детали пересекаются силовыми линиями меняющегося по величине магнитного поля. В этих металлических деталях индуктируется ЭДС самоиндукции.
Под действием этих э. д. с. в массе металлической детали протекают вихревые токи (токи Фуко) , которые замыкаются в массе, образуя вихревые контуры токов.
Вихревыми токами (также токами Фуко) называются электрические токи, возникающие вследствие электромагнитной индукции в проводящей среде (обычно в металле) при изменении пронизывающего ее магнитного потока.
Вихревые токи порождают свои собственные магнитные потоки, которые, по правилу Ленца, противодействуют магнитному потоку катушки и ослабляют его. Кроме того, они вызывают нагрев сердечника, что является бесполезной тратой энергии.
Пусть имеется сердечник из металлического материала. Поместим на этот сердечник катушку, по которой пропустим переменный ток. Вокруг катушки окажется переменный магнитный ток, пересекающий сердечник. При этом в сердечнике станет наводиться индуцированная ЭДС, которая, в свою очередь, вызывает в сердечнике токи, называемые вихревыми. Эти вихревые токи нагревают сердечник. Так как электрическое сопротивление сердечника невелико, то наводимые в сердечниках индуцированные токи могут оказываться достаточно большими, а нагрев сердечника - значительным.
Возниконвение токов Фуко (вихревых токов)
Впервые вихревые токи были обнаружены французским учёным Д.Ф. Араго (1786 - 1853) в 1824 г. в медном диске, расположенном на оси под вращающейся магнитной стрелкой. За счёт вихревых токов диск приходил во вращение. Это явление, названное явлением Араго, было объяснено несколько лет спустя M. Фарадеем с позиций открытого им закона электромагнитной индукции.
Вихревые токи были подробно исследованы французским физиком Фуко (1819 - 1868) и названы его именем. Он назвал явление нагревания металлических тел, вращаемых в магнитном поле, вихревыми токами.
В качестве примера на рис унке показаны вихревые токи, индуктируемые в массивном сердечнике, помещенном в катушку, обтекаемую переменным током. Переменное магнитное поле индуктирует токи, которые замыкаются по путям, лежащим в плоскостях, перпендикулярных направлению поля.
Вихревые токи: а - в массивном сердечнике, б - в пластинчатом сердечнике
Способы уменьшения токов Фуко
Мощность, затрачиваемая на нагрев сердечника вихревыми токами, бесполезно снижает КПД технических устройств электромагнитного типа.
Чтобы уменьшить мощность вихревых токов, увеличивают электрическое сопротивление магнитопровода, для этого сердечники набирают из отдельных тонких (0,1- 0,5 мм) пластин, изолированных друг от друга с помощью специального лака или окалины.
Магнитопроводы всех машин и аппаратов переменного тока и сердечники якорей машин постоянного тока собирают из изолированных друг от друга лаком или поверхностной непроводящей пленкой (фосфатированных) пластин, выштампованных из листовой электротехнической стали. Плоскость пластин должна быть параллельна направлению магнитного потока.
При таком делении сечения сердечника магнитопровода вихревые токи существенно ослабляются, так как уменьшаются магнитные потоки, которыми сцепляются контуры вихревых токов, а следовательно, понижаются и индуктируемые этими потоками э. д. с, создающие вихревые токи.
В материал сердечника также вводят специальные добавки, также увеличивающие его электрическое сопротивление. Для увеличения электрического сопротивления ферромагнетика электротехническую сталь приготовляют с присадкой кремния.
Шихтованный магнитопровод трансформатора
Сердечники некоторых катушек (бобин) набирают из кусков отожженной железной проволоки. Полоски железа располагают параллельно линиям магнитного потока. Вихревые же токи, протекающие в плоскостях, перпендикулярных направлению магнитного потока, ограничиваются изолирующими прокладками. Для магнитопроводов приборов и устройств, работающих на высокой частоте, применяют магнетодиэлектрики. Чтобы снизить вихревые токи в проводах, последние изготавливают в виде жгута из отдельных жил, изолированных друг от друга.
Лицендрат - это система переплетенных медных проводов, в которой каждая жила изолирована от соседних. Лицендрат предназначен для использования на высокочастотных токах для предотвращения возникновения паразитных токов и токов Фуко.
Применение токов Фуко
В ряде случаев вихревые токи используются в технике, например для торможения вращающихся массивных деталей. Электродвижущая сила, наводимая в элементах детали при пересечении магнитного поля, вызывает в ее толще замкнутые токи, которые, взаимодействуя с магнитным полем, создают значительные противодействующие моменты.
Широко применяется также такое магнитоиндукционное торможение для успокоения движения подвижных частей электроизмерительных приборов, в частности для создания противодействующего момента и торможения подвижной части электрических счетчиков.
В этих приборах диск, укрепленный на оси счетчика, вращается в зазоре постоянного магнита. Наводимые в массе диска при этом движении вихревые токи, взаимодействуя с потоком того же магнита, создают противодействующий и тормозящий моменты.
Например, вихревые токи нашли в устройстве магнитного тормоза диска электрического счетчика. Вращаясь, диск пересекает магнитные силовые линии постоянного магнита. В плоскости диска возникают вихревые токи, которые, в свою очередь, создают свои магнитные потоки в виде трубочек вокруг вихревого тока. Взаимодействуя с основным полем магнита, эти потоки тормозят диск.
В ряде случаев, применяя вихревые токи, можно использовать технологические операции, которые невозможно применить без токов высокой частоты. Например, при изготовления вакуумных приборов и устройств из баллона необходимо тщательно откачать воздух и иные газы. Однако в металлической арматуре, находящейся внутри баллона, имеются остатки газа, которые можно удалить только после заваривания баллона.
Для полного обезгаживания арматуры вакуумный прибор помещают в поле высокочастотного генератора, в результате действия вихревых токов арматура нагревается до сотен градусов, остатки газа при этом нейтрализуются.
Примером полезного применения вихревых токов, вызываемых переменным полем, могут служить электрические индукционные печи. В них магнитное поле высокой частоты, создаваемое обмоткой, которая окружает тигель, наводит вихревые токи в металле, находящемся в тигле. Энергия вихревых токов трансформируется в тепло, плавящее металл.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Читайте также: