Блуждающие токи фуко что это
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.
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.
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.
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.
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.
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!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Вихревые токи
Детали из металла у автомобиля или разнообразных электрических устройствах, имеют способность двигаться в магнитном поле и пересекаться с силовыми линиями. Благодаря этому образовывается самоиндукция. Предлагаем рассмотреть аномальные вихревые токи фуко, потоки воздуха, их определение, применение, влияние и как уменьшить потери на вихревые токи в трансформаторе.
Из закона Фарадея следует, что изменение магнитного потока производит индуцированное электрическое поле даже в пустом пространстве.
Если металлическая пластина вставляется в это пространство, индуцированное электрическое поле приводит к появлению электрического тока в металле. Эти индуцированные токи называются вихревые токи.
Фото: Вихревые токи
Токи Фуко – это потоки, индукция которых проводится в проводящих частях разнообразных электрических приборах и машинах, блуждающие токи Фуко особенно опасны для пропуска воды или газов, т.к. их направление невозможно контролировать в принципе.
Если индуцированные встречные токи создаются изменяющимся магнитным полем, то токи вихревые будут перпендикулярны к магнитному полю, и их движение будет производиться по кругу, если данное поле однородно. Эти индуцированные электрические поля очень сильно отличаются от электростатических электрических полей точечных зарядов.
Практическое применение вихревых токов
Вихревые токи полезны в промышленности для рассеивания нежелательной энергии, например у поворотного кронштейна механического баланса, особенно если сила тока очень высокая. Магнит в конце опоры настраивает вихревые токи в металлической пластине, прикрепленной к концу кронштейна, скажем, ansys.
Вихревые потоки, как учит физика, могут быть также использованы в качестве эффективного тормозного усилия в двигателях транзитного поезда. Электромагнитные приспособления и механизмы на поезде около рельсов специально настроены для создания вихревых токов. Благодаря движению тока, получается плавный спуск системы и поезд останавливается.
Закрученные токи вредны в измерительных трансформаторах и для человека. Металлический сердечник используется в трансформаторе, чтобы увеличить поток. К сожалению, вихревые токи, полученные в якоре или сердечнике, могут увеличить потери энергии. Построив металлическую сердцевину чередующихся слоев из проводящих и не проводящих энергию, материалов, размер индуцированных петель уменьшается, таким образом, уменьшая потери энергии. Шум, который производит трансформатор при работе, является следствием именно такого конструктивного решения.
Видео: вихревые токи Фуко
Еще один интересный использования вихревой волны – применение их в электросчетчиках или медицине. В нижней части каждого счетчика расположен тонкий алюминиевый диск, который всегда вращается. Это диск движется в магнитном поле, так что там всегда есть вихревых токи, цель которых замедлить движения диска. Благодаря этому датчик работает точно и без перепадов.
Вихри и скин-эффект
В том случае, когда возникают очень сильные вихревые токи (при высокочастотном токе), в телах плотность тока становится значительно меньше, чем на их поверхностях. Это так называемый скин эффект, его методы используются для создания специальных покрытий для проводов и в трубах, которые разрабатываются специально для вихре-токов и тестируются в экстремальных условиях.
Это доказал еще ученый Эккерт, который исследовали ЭДС и трансформаторные установки.
Схема индукционного нагрева
Принципы вихревых токов
Катушка из медной проволоки является распространенным методом для воспроизведения индукции вихревых токов. Переменный ток, проходящий через катушку, создает магнитное поле внутри и вокруг катушки. Магнитные поля образуют линии вокруг провода и соединяются, образуя более крупные петли. Если ток увеличивается в одной петле, магнитное поле будет расширяться через некоторые или все из петель проволоки, которые находятся в непосредственной близости. Это наводит напряжение в соседних петлях гистерезис, и вызывает поток электронов или вихревые токи, в электропроводящем материале. Любой дефект в материале, включая изменения в толщине стенки, трещин, и прочих разрывов, может изменить поток вихревых токов.
Закон Ома
Закон Ома является одним из самых основных формул для определения электрического потока. Напряжение, деленное на сопротивление, Ом, определяет электрический ток, в амперах. Нужно помнить, что формулы для расчета токов не существует, необходимо пользоваться примерами расчета магнитного поля.
Индуктивность
Переменный ток, проходящий через катушку, создает магнитное поле внутри и вокруг катушки. С увеличением тока, катушка индуцирует циркуляцию (вихревых) потоков в проводящем материале, расположенном рядом с катушкой. Амплитуда и фаза вихревых токов будет меняться в зависимости от загрузки катушки и ее сопротивления. Если поверхность или под поверхностью возникнет разрыв в электропроводном материале, поток вихревых токов будет прерван. Для его налаживания и контроля существуют специальные приборы с разной частотой каналов.
Магнитные поля
На фото показано, как вихревые электрические токи образуют магнитное поле в катушке. Катушки, в свою очередь, образуют вихревые токи в электропроводном материале, а также создавают свои собственные магнитные поля.
Магнитное поле вихревых токов
Дефектоскопия
Изменение напряжения на катушке будет влиять на материал, сканирование и исследование вихревых токов позволяет производить прибор для измерения поверхностных и подповерхностных разрывов. Несколько факторов будут влиять на то, какие недостатки могут быть обнаружены:
Обнаружение контура дефектоскопом
Существуют сотни стандартных и специальных зондов, которые производятся для конкретных типов поверхностей и контуров. Края, канавки, контуры, и толщина металла вносят свой вклад в успех или провал испытаний. Катушка, которая расположена слишком близко к поверхности проводящего материала будет иметь наилучшие шансы на обнаружение разрывов. Для сложных контуров катушка вставляется в специальной блок и прикрепляется к арматуре, что позволяет пройти ток через неё и проконтролировать его состояние. Многие устройства требуют специальных формованных изделий зонда и катушки, чтобы приспособиться к неправильной форме детали. Катушка также может иметь специальную (универсальную) форму, чтобы соответствовать конструкции детали.
Уменьшаем вихревые токи
Для того чтобы уменьшить вихревые токи катушек индуктивности нужно увеличить сопротивление в этих механизмах. В частности рекомендуется использовать лицендрат и изолированные провода.
Блуждающие токи: причина возникновения и защита от них
Отправим материал на почту
Электрическая энергия активно используется на каждом шагу. Однако в некоторых случаях её действие происходит скрыто. Поскольку почва способна проводить ток, то он возникает каждый раз, когда имеется разность потенциалов. В некоторых ситуациях блуждающие токи могут приводить к разрушительным последствиям. Чтобы этого избежать, важно знать, что такое блуждающий ток и эффективные методы защиты, применяемые в таких случаях.
Что представляют собой блуждающие токи
Люди используют электроэнергию для различных целей:
Повсеместное использование электричества порождает дополнительные проблемы для человека. Одной из них является появление блуждающих токов. Каждый раз, когда электричество попадает в почву, оно создаёт возможность для их возникновения и разрушительного воздействия.
Обычно в грунте присутствует влага с растворёнными в ней веществами. Она является хорошим проводником. Как только на участке земли образуется в силу тех или иных причин разность потенциалов, то через землю начинает течь ток. Его силу и направление предугадать трудно, так как он носит случайный характер.
Как известно из курса физики, ток протекает там, где сопротивление минимально. Поскольку в земле находится большое количество металлических труб различного назначения, то ток часто протекает через их различные участки. Это способно привести к существенному разрушению трубопроводных магистралей. Например, за год может неожиданно образоваться дыра размером с ладонь даже в крепкой и качественной трубе.
Блуждающие токи так называются потому, что они протекают по случайным участкам грунта. Сложно заранее предвидеть, где именно пройдёт их путь. Схема прохождения выглядит следующим образом.
Существуют разного рода источники электрической энергии, непосредственно контактирующие с грунтом. Если в непосредственной близости имеется трубопровод, то ток сначала пройдёт через почву, затем через трубу и после этого в определённой точке выйдет из неё. Далее по почве он пройдёт к предмету с меньшим потенциалом, установленному на земле.
Нужно учитывать, что ток проходит от более высокого к меньшему потенциалу. В описанной схеме начало и окончание пути — это места, где произошла протечка электроэнергии.
Особое внимание нужно обратить на участки, где блуждающие токи входят в трубу и выходят из неё. Первый называют анодным, второй — катодным. В этих местах к процессу коррозии добавляется электролитическое воздействие тока.
При этом нужно помнить, что анодный участок является более опасным для трубы по сравнению с катодным. Дело в том, что на нём из-за блуждающего тока произойдёт перенос молекул металла в окружающий грунт. В результате оболочка быстро станет более тонкой, а затем образуется отверстие.
Предвидеть, в каком конкретно месте образуется анодный участок, практически невозможно. Это существенно зависит от химического состава и влажности почвы. На практике для борьбы с этим явлением применяются различные методы пассивного или активного характера. Вред, который приносят блуждающие токи, состоит также в том, что они представляют собой утечки электроэнергии, которые иногда могут достигать значительных размеров.
О каких утечках электроэнергии идёт речь
В сетях электропитания используются фазный и нулевой провод. Последний многими рассматривается как заземление, но на самом деле он устроен более сложно. Этот провод соединён не с грунтом, а с питающей подстанцией. На ней он в конечном счёте подключается к заземлению. К нему подсоединены нулевые провода всех потребителей подстанции.
Такое заземление имеет ненулевой потенциал и непосредственно соединено с грунтом. Оно может стать одним из источников блуждающих токов.
Другой широко распространённый вариант — это электротранспорт. При его движении вверху расположен фазный провод. Разность потенциалов создаётся между ним и рельсами, непосредственно контактирующими с землёй. Этот грунт является ещё одним источником электроэнергии для блуждающих токов.
Если потенциал нулевого проводника одинаковый на всём протяжении пути, то разность потенциалов не возникнет. Когда это не так, возникает блуждающий ток. На рельсах образуются анодные и катодные участки. В первых из них активно разрушаются рельсы вследствие электролитических реакций. Если не контролировать такие ситуации, они могут приводить к катастрофам.
В земле проходят кабели электропитания. Они имеют мощную изоляцию. Однако с течением времени она может начать разрушаться. В результате через оголённые участки энергия станет уходить в почву. Иногда в таких кабелях имеется очень высокое напряжение, которое может достигать нескольких тысяч вольт.
Здесь рассказано о наиболее важных видах утечек. Однако существуют также и другие варианты.
Блуждающие токи в быту
Это явление обладает сходным действием, но имеет другие причины появления. В квартире или частном доме обязательно используется водопроводная система и отопление. Случайным образом в трубах и окружающих их стенах может накапливаться статическое электричество. Здесь также существуют блуждающие токи, и могут возникать анодные и катодные зоны, которые приводят к разрушению труб.
Возникновение таких проблем связано с отсутствием заземления в некоторых случаях. Если используются металлопластиковые трубы, то они изолируют металлическую часть системы от контакта с почвой. При этом статическое электричество не уходит, а оказывает разрушительное воздействие. Для защиты от блуждающих токов необходимо принимать соответствующие меры.
Иногда такие трубы появляются у соседей вследствие проведённого ими ремонта. В некоторых случаях в подъезде с самого начала установлены металлопластиковые стояки. В таком случае образование блуждающих токов — это вопрос времени. В таких ситуациях важно обеспечить заземление всех труб, используемых в квартире или частном доме. При этом соединяют все имеющиеся металлические элементы таких систем: батареи, полотенцесушители, краны, смесители и другие. Блуждающие токи — это может стать серьёзной проблемой, если с ними не бороться.
Какие объекты подвергаются максимальной опасности
Полностью контролировать образование блуждающих токов невозможно. Для защиты от их воздействия необходимо в первую очередь обращать внимание на наиболее уязвимые для них объекты:
Фактически рассматриваемая опасность может угрожать любым металлическим элементам, непосредственно контактирующим с землёй. Понимание того, что же такое «блуждающие токи», поможет понять, как избежать их появления.
Способы защиты
Для защиты могут применяться различные методы Их разделяют на две основных разновидности: пассивные и активные. В первом случае речь идёт о надёжной изоляции труб от окружающего грунта. Для этого можно использовать несколько слоёв защиты.
Когда нужно исключить блуждающие токи в водопроводных трубах, могут применяться битумные мастики, специальные оболочки, изоляционные ленты. Работы нужно проводить с осторожностью, так как механические повреждения защитного слоя могут стать местами, где происходит активное разрушение объекта.
Эффективным способом защиты является замена металлических труб на пластиковые. После этого они перестанут быть местом, где протекает ток. В результате прекратятся электролитические процессы, разрушающие конструкцию.
Для изоляции рельсов от грунта прокладывают специальную защиту. В результате пути располагаются выше, чем обычно. Обычно для этой цели используются насыпи из не проводящего электричество материала. Это приводит к увеличению затрат и не всегда приемлемо для электротранспорта, маршрут которого находится в городской черте.
При проектировании трубопроводов, расположения электрических кабелей, маршрутов электротранспорта стараются по возможности разнести их на значительное расстояние.
На практике редко удаётся сделать пассивную защиту от блуждающих токов достаточно надёжной. Поэтому наибольшее распространение получили активные методы. Их использование требует установки дополнительных рабочих конструкций и связано с дополнительными затратами электроэнергии. Действие такой защиты охватывает всего несколько десятков метров.
Принцип работы таких методов связан с ликвидацией анодных зон на защищаемых объектах. При этом разрушительное воздействие тока переключается на специальные объекты, разрушение которых не причинит вреда защищаемой конструкции. Для этого в нужных местах устанавливают станции катодной защиты. Знание того, что такое блуждающие токи, позволяет выстроить эффективную защиту от них.
Стоимость их использования пренебрежимо мала по сравнению с возможными проблемами. Поэтому их применение считается очень выгодным.
При использовании катодных станций подают положительный потенциал на защищаемый объект. Недалеко от него располагают катоды. На них дают отрицательный. Вследствие перераспределения энергии анодные зоны создаются на дополнительно установленных катодах. Металлические молекулы с них активно испарятся, постепенно приводя детали в негодность. В этом случае их сразу заменяют.
На объекте из-за блуждающих токов исключается образование анодных зон и разрушение не происходит. При установке защиты важно правильно произвести расчёты. При ошибке конструкция станет действовать противоположным образом — станет источником разрушения защищаемого объекта. Поэтому для каждого объекта планирование нужно производить с учётом его особенностей.
Защита от блуждающих токов может быть создана следующим образом. Для этого нужно подать определённый потенциал на защищаемый объект. В результате прекратится протекание через него блуждающих токов.
Для защиты может быть использован электродренажный метод. В этом случае в месте, где ожидается появление анодной зоны трубу соединяют проводником с местом, которой является источником проблемы и создаёт соответствующий потенциал. В этом месте исчезает разность потенциалов, которая была причиной для образования анодной зоны.
Методы измерения
Для того чтобы определить места, где наиболее вероятно образование блуждающих токов, необходимо выполнять измерения. Полученная информация о блуждающих постоянных токах позволяет более эффективно построить защитные мероприятия. Измерения представляют собой систему мероприятий, включающую такие элементы:
При выполнении замеров на путях электротранспорта нужно выбирать время наибольшей активности. Используемые приборы должны иметь класс точности не менее 1,5.
При прокладке подземных трубопроводов измерения блуждающих токов проводят через каждые 1000 м. Если аналогичные конструкции расположены параллельно, то измерения выполняют с промежутком 200 м. В этом случае проводят сравнение показателей вдоль каждого трубопровода. Дополнительно проводят измерение разности потенциалов между ними.
Заключение
Образование блуждающих токов приводит к ускоренному разрушению металлических конструкций. Для того, чтобы их защитить, необходимо комплексно применять методы пассивной или активной защиты. Необходимо регулярно проводить измерения для определения степени опасности рассматриваемой проблемы.