Для школьников.
Вследствие явления электромагнитной индукции индукционные токи возникают не только в проводах.
Они замыкаются (циркулируют) и внутри массивных проводников, поэтому называются вихревыми токами (или токами Фуко).
На рисунке а) пунктирной линией показано направление вихревого тока, возникающего при вращении цилиндра из проводникового материала в магнитном поле.
При вращении цилиндра его точки пересекают силовые линии магнитного поля, в результате чего в цилиндре наводится э.д.с. индукции.
На рисунке б) тоже пунктирными линиями показаны вихревые токи, возникающие в неподвижном проводниковом цилиндре, на который намотана катушка, по катушке течёт переменный ток.
В этом случае индукционные токи замыкаются в плоскостях, перпендикулярных оси катушки. Так как по катушке течёт переменный ток, то и вихревые токи в цилиндре являются переменными.
Появление индукционных токов в толще проводников приводит к потере энергии в виде тепла - проводник нагревается.
В массивных проводниках из - за их малого сопротивления вихревые токи особенно велики. Поясним это следующим рисунком.
На рисунке а) показан проволочный виток, помещённый в изменяющееся магнитное поле.
Судить о существовании индукционного тока в витке можно по его нагреванию. Чем больше величина индукционного тока, возникающего в витке, тем сильнее он нагревается.
На следующих рисунках показаны витки, внешние размеры которых одинаковы, но уменьшается сопротивление витков из - за увеличения их толщины.
Так, на рис. б) виток сделан из более толстой проволоки, чем на рис. а).
На рис. в) проволочный проводник заменён металлической пластинкой с небольшим отверстием посередине, а на рис. г) виток заменён сплошной металлической пластинкой.
Так как внешние размеры витков одинаковы, то одинаково и изменение магнитного потока через эти витки.
Но так как сопротивление витков уменьшается, то увеличивается э.д.с. индукции, возникающая в них, то есть увеличивается величина индукционного тока и, следовательно, увеличивается количество выделяемого тепла.
Массивные проводники нагреваются довольно сильно.
Направление и сила вихревых токов зависит от формы куска металла, от направления изменяющегося магнитного потока, от свойств материала. Распределение вихревых токов может быть очень сложным.
Например, если катушку намотать на массивный металлический сердечник и пропустить по ней переменный ток, то из-за возникающих в сердечнике индукционных токов он сильно нагреется.
Если же сердечник сделать из отдельных изолированных друг от друга проволок, то его сопротивление для вихревых токов возрастёт и его нагревание уменьшится.
Поэтому для уменьшения потерь энергии на вихревые токи детали электрических машин делают не сплошными, а составленными из ферромагнитных листов, изолированных друг от друга.
На рисунке пунктирными линиями показаны вихревые токи, вынужденные замыкаться в каждом отдельном листе детали, в результате чего величины вихревых токов и потери энергии в детали резко уменьшаются.
Вихревые токи, как и любые индукционные токи, подчиняются правилу Ленца. Это можно проверить с помощью следующего опыта.
Свободно подвешенная магнитная стрелка установится по магнитному меридиану. Если её вывести из состояния равновесия, то она будет довольно долго колебаться около этого положения.
Поместим теперь под стрелкой массивную медную пластинку. Затухание колебаний стрелки происходит значительно быстрее, так как в пластинке возникают вихревые токи, которые по правилу Ленца направлены так, что их взаимодействие с первичным магнитным полем (полем стрелки) тормозят движение магнитной стрелки.
Запас кинетической энергии, которая была сообщена магнитной стрелке, превращается вихревыми токами во внутреннюю энергию пластинки, вызывая её нагревание.
Приведём другой подобный пример.
Массивный маятник качается вокруг оси ОО между полюсами сильного электромагнита, то есть в магнитном поле, создаваемым переменным током, проходящим через катушки 2 электромагнита.
Пока тока в катушках 2 нет, маятник, выведенный из состояния равновесия, совершает до остановки довольно много колебаний.
Если же включить ток, то маятник, дойдя до пространства между полюсами магнита, резко тормозится и сразу останавливается.
Такое "магнитное успокоение" применяется во многих электроизмерительных приборах.
Здесь индукционный ток играет полезную роль, как и в индукционных печах, где под действием индукционных вихревых токов массивные проводники раскаляются до такой температуры, что из них при прессовании можно получать нужные детали.
Таким образом, э.д.с. индукции (индукционный ток) возникает в проводнике в любом случае, когда имеет место изменение магнитного потока через замкнутый контур или через площадь, описываемую проводником при движении.
К.В. Рулёва, к. ф.-м. н., доцент. Подписывайтесь на канал. Ставьте лайки. Пишите комментарии. Спасибо.
Предыдущая запись:Занятие 68. Явление электромагнитной индукции. Закон Фарадея. Правило Ленца.
Следующая запись: Возникновение ЭДС индукции в движущихся проводниках.
Ссылки на занятия до электростатики даны в Занятии 1.
Ссылки на занятия (статьи), начиная с электростатики, даны в конце Занятия 45.
Ссылки на занятия (статьи), начиная с теплового действия тока, даны в конце Занятия 58.