Токи Фуко

ФУКО, ЖАН БЕРНАР ЛЕОН (Foucault, Jean-Bernard-L on) (1819–1868), французский физик. Родился 18 сентября 1819 в Париже. По настоянию отца изучал медицину, но увлекся экспериментальной физикой. С 1845 – научный обозреватель газеты «Журнал дискуссий» («Journal des D bats»), с 1855 – сотрудник Парижской обсерватории, с 1862 – член Бюро долгот. Основные исследования относятся к оптике, механике, электромагнетизму. Вместе с А.Физо провел ряд оптических исследований, наиболее известное – наблюдение интерференции света. В 1849–1850 измерил скорость света в воздухе и воде, используя быстро вращающееся зеркало. В 1851 провел эксперимент с маятником, доказавший вращение Земли вокруг оси. В 1852 изобрел гироскоп. В 1855 обнаружил нагревание проводящего материала

вихревыми индукционными токами (токи Фуко). Разработал прецизионный способ изготовления зеркал для больших рефлекторов и предложил использовать вместо металлических зеркал более легкие и дешевые стеклянные, покрытые пленкой серебра.

Среди других изобретений Фуко – автоматический регулятор света для дуговой лампы, фотометр, поляризационная призма, пригодная для работы в УФ-области. Фуко был членом Лондонского королевского общества, Берлинской академии наук; награжден медалью Копли. Умер Фуко в Париже 11 февраля 1868.

Переменный магнитный поток, пронизывающий материал сердечника, вызывает появление в массе материала ЭДС индукции. Так как все ферромагнетики относятся к проводникам, то под действием этой ЭДС в сердечнике возникают электрические токи (i_{F на рисунке}) протекающие по замкнутым контурам, расположенным в плоскостях перпендикулярных направлению магнитного потока, и называемые вихревыми токами или токами Фуко.

Вихревые токи создают свой магнитный поток, стремящийся, в соответствии с правилом Ленца, ослабить изменение основного потока. Поэтому они действуют размагничивающим образом, уменьшая основной поток.

Размагничивающее действие вихревых токов неодинаково вразличных частях сердечника. Наиболее сильно оно выражено в центре сечения (рис. 1), т.к. центральные части охватываются

  максимальным числом контуров тока, МДС которых и создают размагничивающий поток. Поэтому в центре сечения плотность основного магнитного потока будет меньше, чем на краях, т.е. происходит вытеснение основного магнитного потока в наружные слои магнитопровода. Это явление выражено тем резче, чем выше частота магнитного потока и больше сечение, магнитная проницаемость и удельная проводимость материала сердечника.

Протекающий по материалу сердечника электрический ток вызывает его нагрев. Если это тепло не используется, то говорят о потерях на вихревые токи. В соответствии с 

законом Джоуля-Ленца, мощность расходуемая на нагрев равна I_F²r, где I_F - действующее значение вихревых токов, а r - сопротивление контура, по которому они замыкаются. Очевиднно, что эффективно снизить эти потери можно уменьшив ток. Это достигается увеличением удельного сопротивления материала и разделением его на отдельные изолированные друг от друга слои вдоль линий магнитного потока (рис. 2). Такое разделение на слои называется шихтованием магнитопровода.Потери на вихревые токи можно определить, воспользовавшись понятием активной мощности переменного тока.Пусть магнитопровод имеет форму параллелепипеда с длиной l, высотой h и толщиной d (рис. 2) и магнитный поток распространяется в направлении l. В плоскости перпендикулярной направлению вектора индукции B выделим элементарный замкнутый контур толщиной dx, стороны которого отстоят на расстоянии x от оси симметрии плоскости. Если h >> d, то магнитный поток через поверхность, определяемую координатой x, будет Ф_x = 2xhB, а ЭДС, наводимая этим потоком в контуре dx - E_x = 4k_f fФ_{x max} = 8k_f fhxB_m², где k_f - коэффициент формы ЭДС. Сопротивление контура dx , при условии, что сопротивлением меньших сторон (вдоль d) можно пренебречь, равно , где g - удельная проводимость материала магнитопровода. Тогда активная мощность, преобразуемая в тепло вихревыми токами P_F , будет

    1)

Из выражения (1) следует, что потери на вихревые токи очень сильно (во второй степени) зависят от

• толщины листа магнитопровода d;

• частоты переменного тока f;

• амплитуды индукции (плотности магнитного потока) B_m.

Таким образом, уменьшение толщины листов пакета магнитопровода в два раза приведет к четырехкратному уменьшению потерь на вихревые токи.

Коэффициент x является константой для конкретного магнитопровода, пропорциональной удельной проводимости материала и зависящей также от геометрической формы и размеров поперечного сечения.