Что такое вихревые токи?

Что такое вихревые токи?

До сих пор мы рассматривали индукционные токи в линейных проводниках. Но индукционные токи будут возникать и в толще сплошных проводников при изменении в них потока вектора магнитной индукции . Они будут циркулировать в веществе проводника (напомним, что линии – замкнуты). Так как электрическое поле вихревое, то и токи называются вихревыми токами, или токами Фуко.

Если медную пластину отклонить от положения равновесия и отпустить так, чтобы она вошла со скоростью υ в пространство между полосами магнита, то пластина практически остановится в момент ее вхождения в магнитное поле (рис. 3.8).

Замедление движения связано с возбуждением в пластине вихревых токов, препятствующих изменению потока вектора магнитной индукции. Поскольку пластина обладает конечным сопротивлением, токи индукции постепенно затухают и пластина медленно двигается в магнитном поле. Если электромагнит отключить, то медная пластина будет совершать обычные колебания, характерные для маятника.

Сила и расположение вихревых токов очень чувствительны к форме пластины. Если заменить сплошную медную пластину «гребенкой» – медной пластиной с пропилами, то вихревые токи в каждой части пластины возбуждаются меньшими потоками. Индукционные токи уменьшаются, уменьшается и торможение (рис. 3.9). Маятник в виде гребенки колеблется в магнитном поле почти без сопротивления. Этим опытом объясняется, почему сердечники электромагнитов, трансформаторов делают не из сплошного куска железа, а набранными из тонких пластин, изолированных друг от друга. В результате уменьшаются токи Фуко и выделяемое ими тепло.

Если взять медный диск диаметром » 5 см и толщиной » 5 мм и уронить его между полюсами электромагнита, то при выключенном магните диск падает с обычным ускорением. При включении магнитного поля » 1 Тл падение диска резко замедляется и его движение напоминает падение тела в очень вязкой среде.

Тормозящее действие тока Фуко используется для создания магнитных успокоителей – демпферов. Если под качающейся в горизонтальной плоскости магнитной стрелкой расположить массивную медную пластину, то возбуждаемые в медной пластине токи Фуко будут тормозить колебание стрелки. Магнитные успокоители такого рода используются в сейсмографах, гальванометрах и других приборах.

Токи Фуко применяются в электрометаллургии для плавки металлов. Металл помещают в переменное магнитное поле, создаваемое током частотой 500 – 2000 Гц. В результате индуктивного разогрева металл плавится, а тигль, в котором он находится, при этом остается холодным. Например, при подведенной мощности 600 кВт тонна металла плавится за 40–50 минут.

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.

Схема: вихревые токи

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:

1. Проводимость материала оказывает значительное воздействие на пути следования вихревых токов;
2. Проницаемость проводящего материала также имеет огромное влияние из-за его способности быть намагниченным. Плоскую поверхность гораздо легче сканировать, чем неровную.
3. Глубина проникновения имеет очень большое значение в контроле вихретоков. Поверхность трещины гораздо легче обнаружить, чем суб-поверхностного дефекта.
4. Это же касается и площади поверхности. Чем меньше площадь – тем быстрее происходит образование вихревых токов.

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.

Что такое вихревые токи и какие меры принимают для их уменьшения

• Краткое определение
• История открытия
• Вред от вихревых токов
• Как снизить потери
• Применение на практике

Краткое определение

Вихревые токи — это токи, которые протекают в проводниках под воздействием на них переменного магнитного поля. Не обязательно поле должно изменяться, может и тело двигаться в магнитном поле, все равно в нем начнёт течь ток.

Нельзя найти реальную траекторию движения токов для их учёта, ток протекает там, где находит путь с наименьшим сопротивлением. Вихревые токи всегда протекают по замкнутому контуру. Основные условия для его возникновения — нахождение предмета в переменном магнитном поле или его перемещение относительно поля.

История открытия

В 1824 году учёный Д.Ф. Араго проводил эксперимент. Он на одной оси смонтировал медный диск, над ним расположил магнитную стрелку. При вращении магнитной стрелки диск начинал двигаться. Так впервые наблюдали явление вихревых токов. Диск начинал вращаться из-за того, что из-за протекания токов появлялось магнитное поле, которое взаимодействовало со стрелкой. Это назвали, тогда как явление Араго.

Спустя пару лет М. Фарадей, открывший закон электромагнитной индукции, объяснял это явление таким образом: подвижное магнитное поле наводит в диске ток (как в замкнутом контуре) и он взаимодействует с полем стрелки.

Почему второе название — это токи Фуко? Потому что физик Фуко подробно исследовал явление вихревых токов. В ходе своих исследований он сделал великое открытие. Оно заключалось в том, что тела под воздействием вихревых токов нагреваются. С теорией разобрались, теперь мы расскажем о том, где применяются токи Фуко и какие вызывают проблемы.

На видео ниже предоставлено более подробное определение данного явления:

Вред от вихревых токов

Если вы рассматривали конструкцию сетевого трансформатора 50 Гц, наверняка обратили внимание, что его сердечник набран из тонких листов, хотя может показаться что проще было сделать цельную литую конструкцию.

Дело в том, что так борются с вихревыми токами. Фуко установил нагрев тел, в которых они протекают. Так как работа трансформатора и основана на принципах взаимодействия переменных магнитных полей, то вихревые токи неизбежны.

Любой нагрев тел – это выделение энергии в виде тепла. В таком случае будут возникать потери в сердечнике. Чем это опасно? В электроустановке сильный нагрев приводит к разрушению изоляции обмоток и выходу из строя машины. Вихревые токи зависят от магнитных свойств сердечника.

Как снизить потери

Потери энергии в магнитопроводе не приносят пользы, тогда как с ними бороться? Чтобы снизить их величину сердечник набирают из тонких пластин электротехнической стали — это своеобразные меры профилактики для снижения паразитных токов. Такие потери описывает формула, по которой можно произвести расчет:

Как известно: чем меньше сечение проводника, тем больше его сопротивление, а чем больше его сопротивление, тем меньше ток. Пластины изолируют друг от друга окалиной или слоем лака. Сердечники крупных трансформаторов стягиваются изолированной шпилькой. Так снижают потери сердечника, т.е. это и есть основные способы уменьшения токов Фуко.

Какие последствия от влияния этого явления? Магнитное поле, возникающее из-за протекания токов Фуко ослабляет поле, из-за которого они возникли. То есть вихревые токи уменьшают силу электромагнитов. То же самое касается и конструкции деталей электродвигателей и генератора: ротора и статора.

Применение на практике

Теперь о полезных сферах применения токов Фуко. Огромный вклад был внесен в металлургию изобретением индукционных сталеплавильных печей. Они устроены таким образом, что расплавляемую массу металла помещают внутри катушки, через которую протекает ток высокой частоты. Его магнитное поле наводит большие токи внутри металла до его полного плавления.

Примечание автора! Развитие индукционных печей значительно повысило экологичность производства металла и изменило представление о методах плавки. Я работаю на металлургическом комбинате, где десять лет назад запустили новый высокотехнологичный цех с такими установками, а спустя несколько лет после освоения нового оборудования был закрыт классический мартен. Это говорит о продуктивности такого способа нагрева металлов. Также используются вихревые токи для поверхностной закалки металла.

Наглядное применение на практике:

Кроме металлургии они используются на производстве электровакуумных приборов. Проблемой является полное удаление газов перед герметизацией колбы. С помощью токов Фуко электроды лампы разогревают до высоких температур, таким способом деактивируя газ.

В быту вы можете встретить кухонные индукционные плиты, на которых готовят пищу, благодаря как раз применению данного явления. Как видите, вихревые токи имеют свои плюсы и минусы.

Токи Фуко несут и пользу, и вред. В некоторых случаях их влияние влечёт за собой не электрические проблемы. Например, трубопровод, проложенный около кабельных линий, быстрее сгнивает без видимых сторонних причин. В то же время устройства индукционного нагрева довольно показали себя с хорошей стороны, тем более такой прибор для бытового использования можно собрать самому. Надеемся, теперь вы знаете, что такое вихревые токи Фуко, а также какое применение нашлось им на производстве и в быту.

Материалы по теме:

Вихревые токи: физический смысл, потери, поле, применение

В электрических устройствах, приборах, машинах металлические детали способны иногда перемещаться, находясь в магнитном поле. При этом в них индуцируется ЭДС самоиндукции. В результате воздействия ЭДС в толще металлических деталей будут циркулировать вихревые токи или их еще называют токи Фуко (по фамилии первого исследователя).

В свою очередь, вихревые токи индуцируют собственные магнитные потоки, замыкающиеся в проводнике, которые в соответствии с правилом Ленца препятствуют изменению магнитного потока прибора или устройства, тем самым ослабляя его.

Рассмотрим процесс формирования вихревых токов в металлическом сердечнике, помещенном в магнитное поле катушки, по которой протекает переменный ток. Вокруг катушки формируется переменный магнитный поток, пересекающий сердечник.

В сердечнике также будет индуцироваться ЭДС, вызывающая в нем так называемые вихревые токи, которые нагревают сердечник. Поскольку сопротивление сердечника незначительно, то наводимые индукционные токи могут быть достаточно большими, что приведет к сильному нагреву сердечника.

Первые исследования в области изучения вихревых токов были проведены в 1824 г. французким физиком Д.Ф. Араго, который обнаружил их наличие в медном диске, находящемся на оси под обращающейся магнитной стрелкой.

Под воздействием вихревых токов диск оборачивался.

Первые подробные исследования вихревых токов были проведены французским исследователем Фуко, и впоследствии по его имени они и получили свое название.

Методы уменьшения вихревых токов

Мощность, расходуемая на нагрев электротехнических устройств электромагнитного типа, значительно снижает их КПД. Поэтому с целью уменьшения величины вихревых токов повышают сопротивление магнитопровода.

Для этого сердечники выполняют не сплошными, а набирают из отдельных тонких пластин (толщиной 0,1- 0,5 мм), покрытым слоем изоляционного материала.

Также при изготовлении сердечника в сырье вводят специальные добавки, увеличивающие его сопротивление.

Практическое применение токов Фуко

В некоторых случаях вихревые токи используют в полезных целях. К примеру, создание устройства магнитного тормоза диска электросчетчика. Оборачиваясь, диск пересекает магнитные линии магнита, в толщине диска формируется вихревые токи, которые создают свои магнитные потоки, препятствующие вращению диска, и вызывающие его торможение.

Полезное действие вихревые токи оказывают при индукционной плавке металлов.

Для этого тигель с металлом размещают в магнитное поле, которое своим воздействием индуцирует вихревые токи, расплавляющие металл, при этом тигель остается холодным.

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.

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.

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 служитьэлектрические 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.

Вызвать электрика в Ростове на Дону можно по телефонам 89081775067 и 241 92 67

Что такое вихревые токи?

Во время перемагничивания магнитных материалов переменным магнитным полем, часть энергии магнитного поля, участвующего в процессе перемагничивания, теряется. На единицу массы определенного магнитного материала в форме тепла рассеивается определенная часть мощности, которую называют «удельные магнитные потери».

Удельные магнитные потери включают в себя динамические потери, а также потери на гистерезис. К динамическим потерям относятся потери, вызываемые вихревыми токами (индуцируемыми в материале) и магнитной вязкостью (так называемое магнитное последействие). Потери же на магнитный гистерезис объясняются необратимыми перемещениями границ доменов.

Каждому магнитному материалу соответствует своя величина потерь на гистерезис, пропорциональная частоте перемагничивающего магнитного поля, а также площади гистерезисной петли данного материала.

Для нахождения мощности потерь связанных с гистерезисом в единице массы (в Вт/кг) используется следующая формула:

Для снижения гистерезисных потерь, чаще всего прибегают к применению таких магнитных материалов, коэрцитивная сила которых мала, то есть материалов с тонкой петлей гистерезиса. Такой материал отжигают, чтобы снять напряжения внутренней структуры, уменьшить количество дислокаций и иных дефектов, а также укрупнить зерно.

Вихревые токи также вызывают необратимые потери. Они связаны с тем, что перемагничивающее магнитное поле индуцирует ток внутри перемагничиваемого материала. Потери вызываемые вихревыми токами, соответственно, зависят от электрического сопротивления перемагничиваемого материала и от конфигурации магнитопровода.

Таким образом, чем значительнее удельное сопротивление (чем хуже проводимость) магнитного материала, тем меньшими окажутся потери, вызываемые вихревыми токами.

Потери на вихревые токи пропорциональны частоте перемагничивающего магнитного поля в квадрате, поэтому в устройствах работающих на достаточно высоких частотах неприменимы магнитопроводы из материалов с высокой электрической проводимостью.

Оценить мощность потерь на вихревые токи для единицы массы магнитного материала (в Вт/кг) можно воспользовавшись формулой:

Так как количественно потери на вихревые токи зависят от квадрата частоты, то для работы в области высоких частот необходимо прежде всего принимать во внимание потери именно на вихревые токи.

Для минимизации этих потерь стараются использовать магнитопроводы с более высоким электрическим сопротивлением.

Чтобы сопротивление увеличить, сердечники набирают из множества взаимно изолированных листов ферромагнитного материала с достаточно высоким собственным удельным электрическим сопротивлением.

Порошкообразный магнитный материал прессуют с диэлектриком, дабы частички магнитного материала оказались отделены друг от друга частичками диэлектрика. Так получают магнитодиэлектрики.

Еще вариант — применение ферритов — особой ферримагнитной керамики, отличающейся высоким удельным электрическим сопротивлением, близким к сопротивлению диэлектриков и полупроводников. Фактически ферриты являются твердыми растворами оксида железа с оксидами некоторых двухвалентных металлов, что можно описать обобщенной формулой:

С уменьшением толщины листа металлического материала, соответственно уменьшаются и потери вызываемые вихревыми токами. Но одновременно растут потери связанные с гистерезисом, ибо с утончением листа размер зерна также уменьшается, а значит растет коэрцитивная сила.

Практически с ростом частоты потери на вихревые токи увеличиваются сильнее нежели потери на гистерезис, в этом можно убедиться, сравнив две первые формулы. И на определенной частоте потери на вихревые токи начинают все более преобладать над потерями на гистерезис.

Это значит, что хотя толщина листа и зависит от рабочей частоты, тем не менее для каждой частоты должна быть подобрана определенная толщина листа, с которой будут минимизированы магнитные потери в целом.

Обычно магнитным материалам свойственно запаздывание изменения собственной магнитной индукции в зависимости от длительности действия перемагничивающего поля.

Данное явление вызывает потери, связанные с магнитным последействием (или так называемой магнитной вязкостью). Это связано с инерционностью процесса перемагничивания доменов. Чем короче длительность приложенного магнитного поля — тем длительнее запаздывание, а значит и магнитные потери, вызываемые «магнитной вязкостью», больше. Этот фактор необходимо учитывать при проектировании импульсных устройств с магнитными сердечниками.

Потери мощности от магнитного последействия невозможно рассчитать прямо, но их можно найти косвенно — как разность между полными удельными магнитными потерями и суммой потерь на вихревые токи и на магнитный гистерезис:

Итак, в процессе перемагничивания наблюдается некоторое отставание магнитной индукции от напряженности перемагничивающего магнитного поля по фазе. Причиной тому опять же вихревые токи, которые по закону Ленца препятствуют изменению магнитной индукции, гистерезисные явления и магнитное последействие.

Фазовый угол запаздывания называется углом магнитных потерь δм. В характеристиках динамических свойств магнитных материалов указывается такой параметр как тангенс угла магнитных потерь tgδм.

Здесь приведена схема замещения и векторная диаграмма для тороидальной катушки с сердечником из магнитного материала, где r1- эквивалентное сопротивление всех магнитных потерь:

Видно, что тангенс угла магнитных потерь обратно пропорционален добротности катушки. Возникающую при данных условиях индукцию Bm в перемагничиваемом материале можно разложить на две составляющие: первая — совпадает по фазе с напряженностью перемагничивающего поля, вторая — отстает от нее на 90 градусов.

Первая составляющая непосредственно связана с обратимыми процессами при перемагничивании, вторая — с необратимыми. Применяемые в цепях переменного тока, магнитные материалы характеризуются в связи с этим таким параметром как комплексная магнитная проницаемость:

Ранее ЭлектроВести писали, что д ве команды американских физиков разработали стратегию производства устройств для преобразования света в электричество с помощью органических полупроводников и «освобожденных» электронов.

Что такое вихревые токи?

• Методы
  • Измерение толщины покрытия
    • Кулонометрия
    • СТУПЕНЧАТОЕ ИСПЫТАНИЕ
    • Амплитудно-чувствительный метод вихревых токов
    • Фазочувствительный метод вихревых токов
    • Магнитная индукция
    • Измерение двухслойных покрытий
    • Магнитный процесс
    • Метод микросопротивления
    • Анализ посредством рентгеновского флуоресцентного излучения
  • Испытание материалов
    • Определение содержания ферритной фазы
    • Проверка пористости
    • Анализ посредством рентгеновского флуоресцентного излучения
  • Проверка поверхности
    • Измерительное индентирование
    • Измерение профиля
• Калибровка
• Материалы о практическом применении
  • Авиация и аэрокосмический сектор
    • Measurement Application of Carbon Fiber Reinforced Plastic (CFRP)
    • Determination of Pb in solder alloys for high reliability applications
  • Анализ и характеристическое описание материалов
    • Measurement Application of Carbon Fiber Reinforced Plastic (CFRP)
    • Using X-ray technology in the preservation of cultural assets
    • Analysis of harmful substances in textiles for Oeko-Tex ® certification
    • Analysis of the alloy elements in antique coins
    • Microhardness tester for quality control of LCD spacers
    • Mechanical characteristics of conformal coatings
    • Measurement of Cr/Ni/Cu coatings on plastic substrates
    • Detecting heavy metals in toys using X-ray fluorescence
    • Trace Element Analysis in Materials for Fashion Jewelery and Accessories
    • Determination of Harmful Substances in Very Small Concentrations – RoHS
  • Автомобильная промышленность
    • Mechanical characterization of lacquer coatings in automotive applications
    • Measurement of SAM (sprayable acoustic material) coatings for the automotive industry
    • Measurement of thick NiP coatings on automotive parts
    • Measuring Nikasil ® coatings on aluminum automotive cylinders
    • Nanoindentation on wear-resistant DLC coatings applied to engine components
    • Mechanical characteristics of anodized coatings
    • Measuring duplex coatings in the automotive industry
    • Non-destructive measurement of CDP coatings inside hollow car body parts
    • Quality control of paint coatings on car bodies using individually created inspection plans
    • Measuring the thickness of lubricants used in chipless metal processing
  • Химическая промышленность, нефтехимия и горнодобывающая промышленность
    • Measurement of Thick Coatings on Pipelines
    • Complying with regulations concerning coating thickness inside storage tanks
  • Электронная промышленность и полупроводниковые материалы
    • Determination of Pb in solder alloys for high reliability applications
    • High Repeatability Precision and Trueness of Au / Pd Coating Measurements on Leadframes
    • Determining mechanical properties of thin CuSn6 foils
    • Controlling solder quality by measuring the remaining pure tin in coatings on PCBs
    • Material analysis of solder bumps in the Integrated Circuit (IC) packaging industry
    • Determination of Harmful Substances in Very Small Concentrations – RoHS
    • Simplifying quality control on PCBs with automatic pattern recognition
    • X-ray instruments for standard PCB applications
    • Controlling the thickness of solder resist in the manufacture of printed circuit boards
    • Measuring the copper thickness in plated through-holes on PCBs
    • Thickness Measurement of Conformal Coatings on Printed Circuit Boards
    • Au / Pd Coatings in the nm Range on Printed Circuit Boards
  • Цинкование и анодирование
    • Phosphorous Content in Electroless Nickel Directly Measurable
    • Measurement of the ferrite content in (duplex) steel and weld seams
    • Hot-Dip Galvanization as Corrosion Protection
    • Quality control for decorative anodized coatings
    • Mechanical characteristics of anodized coatings
    • Analysis of aluminum alloys with X-ray fluorescence
    • Analysis of the metallic content of plating solutions
    • Measuring electroplated parts with user-defined inspection plans
    • Saving costs by using Inline Measurement for electroplating reel-to-reel applications
    • Determination of the α-martensite content in steel tanks used for storing liquid hydrogen
  • Энергетика
    • Measurement of cladding coatings with the FGB2 probe
  • Изделия из золота, часы, ювелирные изделия
    • Trace Element Analysis in Materials for Fashion Jewelery and Accessories
    • Thickness of protective coatings on wristwatch dials
    • Measurement of Gold Coatings in the Watch Industry
    • Analysis of Tarnish-Resistant Silver Alloys
    • Authenticity testing of gold bullion using electrical conductivity
    • Electrical conductivity testing of precious metal coins
    • Precious metal analysis via X-ray fluorescence for assaying offices and precious metals refineries
    • Using X-ray fluorescence for fast, reliable gold analysis in the gold-buying industry
    • Determination of the Silver Content of Silver Plated or Blanched Silver Alloys
  • Морская отрасль и транспорт
    • Determining the Surface Hardness of Paint Coatings – Pencil Testing vs. Instrumented Indentation Testing
    • Material analysis on corrosion-resistant fasteners for longevity
    • Measuring the zinc plating on nails with PHASCOPE ® PMP10
    • Hot-Dip Galvanization as Corrosion Protection
    • Duplex Measurement of Lacquer/Zn/Fe for Steel Roofing Systems from BUDMAT ®
    • Microhardness measurements of paint coatings shorten weathering tests
    • Coating Thickness Measurements on Coated Aluminium Blinds
    • Complying with regulations concerning coating thickness inside storage tanks
    • Weather resistance of sealed anodized coatings
    • Porosity testing on pipelines and offshore structures
    • Measurement of Thick Coatings on Pipelines
    • Thickness measurement of INCONEL ® coatings on waste heat recovery boilers
    • Measuring anti-fouling coatings on marine structures
    • Measuring the thickness of micaceous iron oxide coatings
    • Determining the thickness of thermally sprayed aluminium (TSA) coatings on stainless steel
  • Пищевая промышленность, медицина, фармацевтика
    • Measurement of the ferrite content in (duplex) steel and weld seams
    • Nanoindentation on intermediate layers in thin foils
    • Micro-hardness testing of dental composites
    • Measuring the micro-hardness of tooth enamel in dentistry
    • Hardness of Complex Coating Systems for Optical Components
    • Measuring the thickness of protective layers inside aluminium cans and tubes
    • Testing for porosities in the hermetic sealing of food packaging
    • Using nanoindentation to characterise the hardness of coatings on weight-bearing medical implants
    • Porosity testing of enamel coatings on equipment used in the chemical and pharmaceutical industries
    • Detection of hairline cracks in bearings for medical devices
  • Лакокрасочные покрытия
    • Duplex Measurement of Lacquer/Zn/Fe for Steel Roofing Systems from BUDMAT ®
    • Measuring Post Cure Powder Coating Thickness
    • Measuring Protective Coatings in Accordance with SSPC-PA2
    • Automated coating thickness measurement in production facilities
    • Hardness of Complex Coating Systems for Optical Components
    • Determining the Surface Hardness of Paint Coatings – Pencil Testing vs. Instrumented Indentation Testing
    • Mechanical characteristics of conformal coatings
    • Thickness of protective coatings on wristwatch dials
    • Measuring lacquer coatings on rough surfaces
  • Покрытия из твердых материалов, технологии PVD, CVD, DLC
    • Determining the mechanical properties of hard coatings used on machining and milling tools
    • Analysing cemented carbide alloys used for making cutting tools
    • Determining coating thickness on PVD-coated tools
    • Hardness measurement of nano coatings on spectacle lenses
    • Nanoindentation on wear-resistant DLC coatings applied to engine components
  • Повторное использование материалов
    • Using X-ray fluorescence for fast, reliable gold analysis in the gold-buying industry
    • Determination of Platinum, Rhodium and Palladium in automotive catalytic converters
    • Thickness measurement of INCONEL ® coatings on waste heat recovery boilers
    • Ensuring high efficiency of thin film photovoltaic modules with inline measurement
• Глоссарий
• Часто задаваемые вопросы
  • Рентгеновские приборы
  • Методы тактильного измерения
  • Калибровка
  • Метод обратного бета-рассеяния
  • Кулонометрический метод измерения
• Статистика

Амплитудно-чувствительный метод вихревых токов

Испытание методом вихревых токов (амплитудно-чувствительный) согласно стандартам ISO 2360, ASTM 7091.

Принцип действия

Контактный метод: ток возбуждения генерирует высокочастотное магнитное поле, которое возбуждает в материале (покрытие или основной материал) вихревые токи. Сила вихревых токов соответствует расстоянию между датчиком и основным материалом. Магнитное поле, создаваемое вихревыми токами, противодействует начальному магнитному полю и образует сигнал измерения. Посредством выходной функции чувствительного датчика, т. е. посредством функциональной корреляции между сигналом измерения и толщиной покрытия сигнал измерения преобразуется прибором в значение толщины покрытия.

Что такое вихревые токи?

1 – Камчатская опытно-методическая сейсмологическая партия ГС РАН, бульвар Пийпа ,9, 683006, г. Петропавловск-Камчатский, Россия

2 – Научно-исследовательский геотехнологический центр ДВО РАН, Северо-Восточное шоссе, 30, 683002, г. Петропавловск-Камчатский, Россия

РАЗДЕЛЕНИЕ ДИСПЕРСНОГО МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ С ПОМОЩЬЮ ВИХРЕВЫХ ТОКОВ

Аннотация. Для обогащения смесей, содержащих немагнитные металлы, предложено применять переменные магнитные поля. Приведена формула для расчета сил воздействия переменных магнитных полей на частицы немагнитных металлов, подтверждена ее справедливость, установлены главные факторы, определяющие процесс сепарации. На примере экспериментальной лабораторной установки показана принципиальная возможность построения технологии обогащения дисперсных смесей, с немагнитными металлами при помощи переменных магнитных полей.

На Камчатке еще в социалистические времена были открыты промышленные месторождения полиметаллических руд, титаномагнетита, платины, золота. Открытие таких месторождений, как правило, дает мощный импульс экономическому развитию региона. С такими месторождениями Камчатка должна быть просто обречена если не на процветание, то на жизнь хотя бы соответствующую региону–донору. Тем более, что после развала СССР именно горнодобывающие отрасли оказались одним из немногих факторов, придающих России геополитический вес и надежды на лучшее будущее. Развитие горнодобывающей отрасли для Камчатки становится вопросом все более злободневным и, судя по всему, уже безальтернативным. В настоящее время ведется промышленная добыча платины, началась добыча золота, начаты работы по обустройству шанучского месторождения медно-никелевых руд, разработан проект комбината по переработке титаномагнетитовых песков халактырской пляжной россыпи. Однако специфика Камчатки накладывает ряд ограничений на использование некоторых технологий добычи минерального сырья. Здесь невозможно использовать, например, технологию кучного выщелачивания золота в том виде, в котором она применяется в Австралии или США. Кучное выщелачивание — экологически опасная технология. Высокий уровень сейсмической активности, сильная трещиноватость горных пород, долгая и суровая зима, ранимость природы делают на Камчатке даже эту высокоэффективную в теплых странах технологию нерентабельной. Для Камчатки и для всего российского Севера, нужны экологически безопасные и высокопроизводительные технологии добычи, которые бы не травмировали природу и позволяли получать конкурентоспособную продукцию.

Одной из технологий добычи, пригодных для Камчатки, может стать технология разделения дисперсного золото- и платиносодержащего сырья, основанная на использовании свойств вихревых токов, индуцируемых переменным магнитным полем в частицах металла.

Золото- и платиносодержащие россыпные месторождения представляют собой естественные дисперсные смеси минералов, в которых частицы свободного металла отличаются от вмещающих пород своей высокой электропроводностью. Если на такую смесь подействовать переменным магнитным полем, то в частичках минералов будут индуцироваться вихревые токи. В металлических частицах, благодаря их высокой проводимости, вихревые токи будут значительно сильнее, чем в частицах вмещающих пород, которые, чаще всего, являются хорошими изоляторами. Вихревые токи в металлических частицах взаимодействуют с индуцирующим их магнитным полем. При нарастании напряженности магнитного поля частицы металла выталкиваются из магнитного поля, а при уменьшении – втягиваются в область с большей напряженностью. Подобрав закон, амплитуду и скорость изменения магнитного поля, можно добиться пространственного разделения частиц металла и вмещающих пород.

Идея технологии разделения дисперсного минерального сырья при помощи индуцированных вихревых токов была высказана в работе [1]. Расчеты показали, что сила взаимодействия магнитного поля и частиц металла пропорциональна произведению проводимости, четвертой степени размера частицы, напряженности магнитного поля и скорости его изменения [2]:

, (1)

где удельная проводимость; линейный размер частицы; напряженность магнитного поля.

Для уверенного извлечения частиц золота величиной 0,1 мм необходимо магнитное поле напряженностью В( t )

10 Тл при скорости изменения

10 7 — 10 8 Тл/с. Магнитные поля с такими параметрами получают с помощью соленоидов, преобразующих импульсы тока в импульсы магнитного поля. Генератор импульсных токов (ГИТ), соленоид и экспериментальная лабораторная установка были разработаны и изготовлены в лаборатории кафедры физики КГТУ. ГИТ изготовлен на основе емкостного накопителя энергии. В качестве накопителя использован конденсатор К41И – 7,5 кВ 100 мкФ, а в качестве прерывателя тока – быстродействующий тиристор ТБ 161–100. Установка состоит из ГИТ, преобразователя энергии-соленоида, загрузочной емкости, вибрационного питателя приемной емкости и емкости для сбора отходов. Соленоид установлен на кронштейне под желобом вибрационного питателя, так, что дисперсная смесь, сходя с питателя, попадает на торец его рабочей зоны. Частицы металла с индуцированными в них вихревыми токами выталкиваются магнитным полем в приемную емкость. Вмещающие породы с магнитным полем практически не взаимодействуют и падают в сборник отходов.

Электрическая схема генератора импульсных токов приведена на рисунке 1.

Рис.1. Принципиальная схема генератора импульсных токов

1 – выпрямляющий диод; 2 – генератор управления тиристором; 3 – дроссель; 4 – прерыватель тока; 5 – конденсатор; 6 – шунтирующий диод; 7 – соленоид.

Конденсаторы, использованные в установке, имеют ограниченный ресурс рабочих импульсов, поэтому в установке они работают в режиме неполного разряда, что позволяет значительно увеличить срок их службы. При включении схемы конденсатор С заряжается через диод D ₁ и дроссель L ₁ в течение первой четверти периода до напряжения

400 В. После достижения максимального напряжения по сигналу от генератора G открывается тиристор Т, и конденсатор разряжается через соленоид L ₂. Для предотвращения разрушения конденсатора импульсами обратной полярности в схему введен щунтирующий диод D ₂. Работа конденсатора в режиме неполного разряда делает возможным использование для размыкания тока сравнительно маломощный тиристор ТБ 161–100, который обладает подходящим для нас быстродействием. При длительности импульсов менее 10 мс тиристор обеспечивает коммутацию тока амплитудой до 1000 А. Скорость нарастания тока в импульсе А/с (что позволяет получать в соленоиде Тл/с). Форма, амплитуда и длительность импульса тока, вырабатываемого генератором, показаны на рисунке 2.

Рис.2. Форма и амплитуда импульса тока вырабатываемого генератором.

Такая форма импульса позволяет индуцировать в частицах металла сильные вихревые токи во время нарастания поля в соленоиде. Частицы металла сильно взаимодействуют с магнитным полем и выталкиваются из общего потока дисперсного материала. Спад магнитного поля в соленоиде происходит значительно медленнее, чем нарастание. Во время спада в частицах металла индуцируются слабые вихревые токи, и частицы взаимодействуют с внешним полем слабо. Взаимодействие при спаде магнитного поля в соленоиде оказывается слабым, еще и потому, что частицы металла находятся уже на значительном расстоянии от соленоида и не возвращаются в общий поток. Происходит пространственное разделение компонент дисперсной смеси. Потребляемая установкой мощность около 600 Вт.

Эксперименты проводились с искусственной смесью минералов, составленной из кварцевого песка крупностью от 0,5 до 0,1 мм и опилок меди, алюминия и латуни, крупностью от 3,0 до 0,1 мм. Смесь не была классифицирована, чтобы сразу было видно, частицы каких размеров извлекаются. В результате эксперимента выяснилось, что в извлеченном материале присутствуют частицы всех металлов и всех классов крупности, в том числе класса 0,1 мм. Основную массу извлеченного металла составляют частицы классов 0,5–0,2 мм, причем частицы алюминия выталкиваются магнитным полем дальше, чем латунь и медь. Это объяснимо. Алюминий имеет проводимость лишь ненамного меньшую, чем медь, а плотность – в три раза меньшую. Легкая частица выталкивается дальше.

Неожиданно мало оказалось извлечено частиц крупностью 3–1,5 мм, хотя, по нашим представлениям, они должны были составлять основную массу извлеченного металла. Этот факт требует дополнительного исследования.

1. Показана возможность разделения дисперсных смесей с помощью индуцируемых в частицах вихревых токов.

2. Установлено, что главными факторами, определяющими процесс разделения, являются величина индукции и скорость изменения магнитного поля.

3. Изготовлена экспериментальная установка, которая показала принципиальную возможность построения технологии обогащения содержащих благородные металлы дисперсных смесей с помощью вихревых токов, индуцируемых в частицах металла.

1. Латкин А.С. Совершенствование методов обогащения тонкодисперсного сырья // ФТПРПИ. 1998. № 3. С.108–113.

2. Дядин В.И., Синявин Д.С. Электродинамическое разделение минералов // Вестник Камчатского государственного технического университета: Петропавловск-Камчатский. 2002. Вып.1. С.152–156.

§22. Вихревые токи

Возникновение вихревых токов. Изменяющийся магнитный поток
способен индуцировать э. д. с. не только в проводах или витках катушек, но и в массивных стальных сердечниках, кожухах и других металлических деталях электротехнических установок. Эти э. д. с. являются причиной появлений индуцированных токов, которые действуют в массивных металлических деталях, замыкаясь накоротко в их толще. Такие токи получили название вихревых. Например, при изменении магнитного потока, созданного катушкой 1 (рис. 56, а), в ее стальном сердечнике 2 индуцируются вихревые

Рис. 56. Возникновение вихревых токов

Рис. 57. Устройство сердечников электрических машин и аппаратов из отдельных изолированных стальных листов.

токи, замыкающиеся в плоскости, перпендикулярной силовым линиям магнитного поля. Вихревые токи возникают также в сердечниках 3 якорей и роторов электрических машин при вращении их в магнитном поле (рис. 56, б). Природа вихревых токов такая же, как и токов, индуцированных в обычных проводах или катушках. Благодаря очень малому сопротивлению массивных проводников вихревые токи даже при небольшой индуцированной э. д. с. достигают очень больших значений, вызывая чрезмерное нагревание этих проводников.

Способы уменьшения вредного действия вихревых токов. В электрических машинах и аппаратах вихревые токи обычно нежелательны, так как они вызывают нагрев металлических сердечников, создают потери энергии (так называемые потери от вихревых токов), снижают к. п. д. электрических машин и аппаратов и оказывают согласно правилу Ленца размагничивающее действие. Для уменьшения вредного действия вихревых токов применяют два основных способа.

1. Сердечники электрических машин и аппаратов выполняют из отдельных стальных листов 1 (рис. 57) толщиной 0,35—1,0 мм, изолированных один от другого слоем изоляции 2 (лаковой пленкой, окалиной, образующейся при отжиге листов, и пр.). Благодаря этому преграждается путь распространению вихревых токов и уменьшается поперечное сечение каждого отдельного проводника, через которое протекают эти токи, что приводит к уменьшению силы тока.

2. В состав электротехнической стали, из которой изготовляют сердечники электрических машин и аппаратов, вводят 1—5 % кремния, что обеспечивает повышение ее электрического сопротивления. Благодаря этому достигается снижение силы вихревых токов, протекающих по сердечникам электрических машин и аппаратов.

Потери мощности от вихревых токов пропорциональны квадрату индукции В магнитного поля и квадрату частоты f его изменения. При увеличении индукции и частоты изменения магнитного

Рис. 58. Расплавление металла (а), сварка и пайка (б) металлических деталей с помощью вихревых токов: 1 — тигель с металлом; 2 — высокочастотный индуктор; 3 — сжимающее усилие; 4 — свариваемые трубы; 5 — нагретый металл; 6— пластина из твердого сплава; 7 — резец

Рис. 59. Закалка металлических изделий с помощью вихревых токов: 1-шестерня; 2 – высокочастотный индуктор; 3- нагретый металл; 5 – головка рельса

поля, а также при увеличении частоты вращения роторов и якорей электрических машин эти потери резко возрастают.

Использование вихревых токов. В ряде случаев вихревые токи используют для полезных целей. Например, при помощи вихревых токов расплавляют металлы (рис. 58, а). Для этой цели тигель с металлом помешают в изменяющееся магнитное поле, которое индуцирует вихревые токи, расплавляющие металл. Таким же образом вихревые токи нагревают металлические детали при сварке, наплавке и пайке (рис. 58, б), а также осуществляют поверхностный нагрев, необходимый для закалки металлических изделий (рис. 59). Ввиду того что в этих случаях требуется увеличить тепло, выделяемое вихревыми токами, т. е. получить большие вихревые токи, для индуцирования их используют магнитные поля изменяющиеся с большой скоростью. Такие поля могут быть созданы при помощи специальных индукторов, выполненных в виде одного или нескольких витков, по которым проходят переменные быстро изменяющиеся токи — так называемые токи высокой частоты.