Вихревые токи: Индукция, свойства и применение.

Введение

Петли электрического тока, наведенные в проводниках изменяющимся магнитным полем. В электромагнетизме вихревые токи (также называемые токами Фуко) – это петли электрического тока, наведенные в проводниках изменяющимся магнитным полем в проводнике в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея или относительным движением проводника в магнитном поле. Вихревые токи протекают в замкнутых петлях внутри проводников, в плоскостях, перпендикулярных магнитному полю. Они могут наводиться в находящихся поблизости неподвижных проводниках переменным во времени магнитным полем, создаваемым, например, электромагнитом или трансформатором переменного тока, либо относительным движением между магнитом и близлежащим проводником. Величина тока в данной петле пропорциональна напряженности магнитного поля, площади петли и скорости изменения магнитного потока, и обратно пропорциональна удельному сопротивлению материала. При графическом изображении эти круговые токи внутри куска металла отдаленно напоминают вихри или водовороты в жидкости. Согласно закону Ленца, вихревой ток создает магнитное поле, которое противодействует изменению магнитного поля, вызвавшему его, и таким образом вихревые токи оказывают обратное воздействие на источник магнитного поля. Например, находящаяся поблизости проводящая поверхность будет оказывать сопротивление движению магнита, противодействуя его движению, из-за вихревых токов, наведенных на поверхности движущимся магнитным полем. Этот эффект используется в вихревых тормозах, применяемых для быстрой остановки вращающегося электроинструмента при его выключении. Ток, протекающий через сопротивление проводника, также рассеивает энергию в виде тепла в материале. Таким образом, вихревые токи являются причиной потерь энергии в индукторах переменного тока, трансформаторах, электродвигателях и генераторах, а также в другом оборудовании переменного тока, что требует специальной конструкции, такой как многослойные магнитные сердечники или ферритовые сердечники, для их минимизации. Вихревые токи также используются для нагрева объектов в индукционных печах и оборудовании, а также для обнаружения трещин и дефектов в металлических деталях с помощью приборов для неразрушающего контроля вихревыми токами.

Loops of electric current induced within conductors by a changing magnetic field

In electromagnetism, an eddy current (also called Foucault's current) is a loop of electric current induced within conductors by a changing magnetic field in the conductor according to Faraday's law of induction or by the relative motion of a conductor in a magnetic field. Eddy currents flow in closed loops within conductors, in planes perpendicular to the magnetic field. They can be induced within nearby stationary conductors by a time varying magnetic field created by an AC electromagnet or transformer, for example, or by relative motion between a magnet and a nearby conductor. The magnitude of the current in a given loop is proportional to the strength of the magnetic field, the area of the loop, and the rate of change of flux, and inversely proportional to the resistivity of the material. When graphed, these circular currents within a piece of metal look vaguely like eddies or whirlpools in a liquid. By Lenz's law, an eddy current creates a magnetic field that opposes the change in the magnetic field that created it, and thus eddy currents react back on the source of the magnetic field. For example, a nearby conductive surface will exert a drag force on a moving magnet that opposes its motion, due to eddy currents induced in the surface by the moving magnetic field. This effect is employed in eddy current brakes which are used to stop rotating power tools quickly when they are turned off. The current flowing through the resistance of the conductor also dissipates energy as heat in the material. Thus eddy currents are a cause of energy loss in alternating current (AC) inductors, transformers, electric motors and generators, and other AC machinery, requiring special construction such as laminated magnetic cores or ferrite cores to minimize them. Eddy currents are also used to heat objects in induction heating furnaces and equipment, and to detect cracks and flaws in metal parts using eddy current testing instruments.

Происхождение термина

Термин "вихревые токи" происходит от аналогичных течений, наблюдаемых в воде в гидродинамике, вызывающих локализованные области турбулентности, известные как вихри, которые порождают устойчивые вихревые структуры. По аналогии, для нарастания вихревых токов требуется время, и они могут сохраняться в проводниках в течение длительного времени благодаря их индуктивности.

История

Первым наблюдателем вихревых токов был Франсуа Араго (1786–1853), президент Совета министров Второй Французской Республики в краткий период с 10 мая по 24 июня 1848 года (должность, эквивалентная современной должности премьер-министра Франции), который также был математиком, физиком и астрономом. В 1824 году он наблюдал явление, получившее название вращательный магнетизм, и обнаружил, что большинство проводящих тел могут быть намагничены; эти открытия были дополнены и объяснены Майклом Фарадеем (1791–1867). В 1834 году Эмиль Ленц сформулировал закон Ленца, согласно которому направление индуцированного тока в объекте таково, что его магнитное поле противодействует изменению магнитного потока, вызвавшего этот ток. Вихревые токи создают вторичное поле, которое компенсирует часть внешнего поля и заставляет часть внешнего потока обходить проводник. Французскому физику Леону Фуко (1819–1868) приписывают открытие вихревых токов. В сентябре 1855 года он обнаружил, что сила, необходимая для вращения медного диска, возрастает, когда диск вращается ободом между полюсами магнита, при этом диск одновременно нагревается вихревыми токами, индуцированными в металле. Первое применение вихревых токов для неразрушающего контроля произошло в 1879 году, когда Дэвид Э. Хьюз использовал эти принципы для проведения металлургических сортировочных испытаний.

Пояснение

Магнит вызывает круговые электрические токи в металлическом листе, движущемся в его магнитном поле. Смотрите на диаграмме справа. На ней показан металлический лист (C), движущийся вправо со скоростью 'v' под неподвижным магнитом. Магнитное поле (B, зеленые стрелки) северного полюса магнита N направлено вниз через лист. Поскольку металл движется, магнитный поток через заданную площадь листа изменяется. В части листа, движущейся под передним краем магнита (левая сторона), магнитное поле в данной точке листа увеличивается по мере приближения к магниту. Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, это создает круговое электрическое поле в листе, направленное против часовой стрелки вокруг линий магнитного поля. Это поле индуцирует ток (I, красный), текущий против часовой стрелки в листе. Это вихревой ток. В части листа, движущейся под задним краем магнита (справа), магнитное поле в данной точке листа уменьшается, поскольку лист удаляется от магнита, индуцируя второй вихревой ток, текущий по часовой стрелке в листе. Другой эквивалентный способ понять этот ток – представить, что свободные носители заряда (электроны) в металлическом листе движутся вместе с листом вправо, поэтому магнитное поле оказывает на них боковую силу вследствие силы Лоренца. Поскольку скорость 'v' зарядов направлена вправо, а магнитное поле 'B' – вниз, по правилу правой руки сила Лоренца, действующая на положительные заряды, направлена к задней части диаграммы (влево, если смотреть в направлении движения 'v'). Это вызывает ток I, направленный назад под магнитом, который замыкается через части листа, находящиеся вне магнитного поля: по часовой стрелке вправо и против часовой стрелки влево, к передней части магнита. Подвижные носители заряда в металле, электроны, на самом деле имеют отрицательный заряд (q < 0), поэтому их движение противоположно направлению обычного тока. Магнитное поле магнита, действующее на электроны, движущиеся вбок под магнитом, оказывает силу Лоренца, направленную назад, противоположно скорости металлического листа. Электроны, сталкиваясь с атомами кристаллической решетки металла, передают эту силу листу, создавая силу сопротивления, пропорциональную его скорости. Кинетическая энергия, затрачиваемая на преодоление этой силы сопротивления, рассеивается в виде тепла токами, протекающими через сопротивление металла, поэтому металл нагревается под магнитом. Согласно закону Ампера, каждый из круговых токов в листе создает встречное магнитное поле (синие стрелки). Другой способ понять силу сопротивления – учесть, что согласно закону Ленца встречные поля противодействуют изменению магнитного потока через лист. На переднем крае магнита (левая сторона) ток, текущий против часовой стрелки, по правилу правой руки создает магнитное поле, направленное вверх, противоположное полю магнита, вызывая силу отталкивания между листом и передним краем магнита. Напротив, на заднем крае (справа) ток, текущий по часовой стрелке, создает магнитное поле, направленное вниз, в том же направлении, что и поле магнита, создавая силу притяжения между листом и задним краем магнита. Обе эти силы противодействуют движению листа.

A magnet induces circular electric currents in a metal sheet moving through its magnetic field. See the diagram at right. It shows a metal sheet (C) moving to the right with velocity 'v' under a stationary magnet. The magnetic field ('B', green arrows) of the magnet's north pole N passes down through the sheet. Since the metal is moving, the magnetic flux through a given area of the sheet is changing. In the part of the sheet moving under the leading edge of the magnet (left side) the magnetic field through a given point on the sheet is increasing as it gets nearer the magnet, From Faraday's law of induction, this creates a circular electric field in the sheet in a counterclockwise direction around the magnetic field lines. This field induces a counterclockwise flow of electric current (I, red), in the sheet. This is the eddy current. In the part of the sheet under the trailing edge of the magnet (right side) the magnetic field through a given point on the sheet is decreasing as it is moving further away from the magnet, , inducing a second eddy current in a clockwise direction in the sheet. Another equivalent way to understand the current is to see that the free charge carriers (electrons) in the metal sheet are moving with the sheet to the right, so the magnetic field exerts a sideways force on them due to the Lorentz force. Since the velocity 'v' of the charges is to the right and the magnetic field 'B' is directed down, from the right hand rule the Lorentz force on positive charges is toward the rear of the diagram (to the left when facing in the direction of motion 'v'). This causes a current I toward the rear under the magnet, which circles around through parts of the sheet outside the magnetic field, clockwise to the right and counterclockwise to the left, to the front of the magnet again. The mobile charge carriers in the metal, the electrons, actually have a negative charge (q < 0) so their motion is opposite in direction to the conventional current shown. The magnetic field of the magnet, acting on the electrons moving sideways under the magnet, then exerts a Lorentz force directed to the rear, opposite to the velocity of the metal sheet. The electrons, in collisions with the metal lattice atoms, transfer this force to the sheet, exerting a drag force on the sheet proportional to its velocity. The kinetic energy which is consumed overcoming this drag force is dissipated as heat by the currents flowing through the resistance of the metal, so the metal gets warm under the magnet. Due to Ampère's circuital law each of the circular currents in the sheet creates a counter magnetic field (blue arrows). Another way to understand the drag force is to see that due to Lenz's law the counterfields oppose the change in magnetic field through the sheet. At the leading edge of the magnet (left side) by the right hand rule the counterclockwise current creates a magnetic field pointed up, opposing the magnet's field, causing a repulsive force between the sheet and the leading edge of the magnet. In contrast, at the trailing edge (right side), the clockwise current causes a magnetic field pointed down, in the same direction as the magnet's field, creating an attractive force between the sheet and the trailing edge of the magnet. Both of these forces oppose the motion of the sheet.

Свойства

Вихревые токи в проводниках с ненулевым сопротивлением генерируют тепло и электромагнитные силы. Тепло может быть использовано для индукционного нагрева. Электромагнитные силы могут использоваться для левитации, создания движения или для обеспечения сильного тормозного эффекта. Вихревые токи также могут оказывать нежелательное воздействие, например, приводить к потерям мощности в трансформаторах. В этом случае их минимизируют с помощью тонких пластин, ламинированием проводников или изменением формы проводника. Самоиндуцированные вихревые токи ответственны за эффект скин-слоя в проводниках. Последний может использоваться для неразрушающего контроля материалов на предмет геометрических дефектов, таких как микротрещины. Схожим эффектом является эффект близости, который вызывается внешне индуцированными вихревыми токами. Объект или его часть испытывает постоянную напряженность и направление поля при наличии относительного движения поля и объекта (например, в центре поля на схеме), или непостоянные поля, в которых токи не могут циркулировать из-за геометрии проводника. В этих ситуациях заряды накапливаются на объекте или внутри него, создавая статические электрические потенциалы, которые препятствуют дальнейшему протеканию тока. Токи могут первоначально возникать в связи с созданием статических потенциалов, но они могут быть переходными и незначительными. Вихревые токи генерируют омические потери, которые преобразуют некоторые формы энергии, такие как кинетическая, в тепло. Это джоулево нагревание снижает эффективность трансформаторов с железным сердечником, электродвигателей и других устройств, использующих изменяющиеся магнитные поля. В этих устройствах вихревые токи минимизируются путем выбора материалов для магнитного сердечника с низкой электропроводностью (например, ферритов или порошка железа, смешанного со смолой) или использованием тонких листов магнитного материала, известных как ламинации. Электроны не могут пересекать изолирующий зазор между ламинациями и, следовательно, не могут циркулировать по широким дугам. Заряды накапливаются на границах ламинаций в процессе, аналогичном эффекту Холла, создавая электрические поля, которые препятствуют дальнейшему накоплению заряда и, таким образом, подавляют вихревые токи. Чем меньше расстояние между соседними ламинациями (то есть чем больше количество ламинаций на единицу площади, перпендикулярно приложенному полю), тем сильнее подавление вихревых токов. Однако преобразование входной энергии в тепло не всегда нежелательно, поскольку существуют практические применения. Одним из них является использование вихревых тормозов в некоторых поездах. Во время торможения металлические колеса подвергаются воздействию магнитного поля электромагнита, генерируя вихревые токи в колесах. Эти вихревые токи возникают из-за движения колес. Согласно закону Ленца, магнитное поле, создаваемое вихревыми токами, будет противодействовать его причине. Таким образом, колесо испытывает силу, противодействующую его первоначальному движению. Чем быстрее вращаются колеса, тем сильнее эффект, то есть по мере замедления поезда тормозная сила уменьшается, обеспечивая плавное торможение. Индукционный нагрев использует вихревые токи для нагрева металлических объектов.

Eddy currents in conductors of non zero resistivity generate heat as well as electromagnetic forces. The heat can be used for induction heating. The electromagnetic forces can be used for levitation, creating movement, or to give a strong braking effect. Eddy currents can also have undesirable effects, for instance power loss in transformers. In this application, they are minimized with thin plates, by lamination of conductors or other details of conductor shape. Self induced eddy currents are responsible for the skin effect in conductors. The latter can be used for non destructive testing of materials for geometry features, like micro cracks. A similar effect is the proximity effect, which is caused by externally induced eddy currents. An object or part of an object experiences steady field intensity and direction where there is still relative motion of the field and the object (for example in the center of the field in the diagram), or unsteady fields where the currents cannot circulate due to the geometry of the conductor. In these situations charges collect on or within the object and these charges then produce static electric potentials that oppose any further current. Currents may be initially associated with the creation of static potentials, but these may be transitory and small. Eddy currents generate resistive losses that transform some forms of energy, such as kinetic energy, into heat. This Joule heating reduces efficiency of iron core transformers and electric motors and other devices that use changing magnetic fields. Eddy currents are minimized in these devices by selecting magnetic core materials that have low electrical conductivity (e. g., ferrites or iron powder mixed with resin) or by using thin sheets of magnetic material, known as laminations. Electrons cannot cross the insulating gap between the laminations and so are unable to circulate on wide arcs. Charges gather at the lamination boundaries, in a process analogous to the Hall effect, producing electric fields that oppose any further accumulation of charge and hence suppressing the eddy currents. The shorter the distance between adjacent laminations (i. e., the greater the number of laminations per unit area, perpendicular to the applied field), the greater the suppression of eddy currents. The conversion of input energy to heat is not always undesirable, however, as there are some practical applications. One is in the brakes of some trains known as eddy current brakes. During braking, the metal wheels are exposed to a magnetic field from an electromagnet, generating eddy currents in the wheels. This eddy current is formed by the movement of the wheels. So, by Lenz's law, the magnetic field formed by the eddy current will oppose its cause. Thus the wheel will face a force opposing the initial movement of the wheel. The faster the wheels are spinning, the stronger the effect, meaning that as the train slows the braking force is reduced, producing a smooth stopping motion. Induction heating makes use of eddy currents to provide heating of metal objects.

Электромагнитная тормозная система

Тормоза вихревого тока используют силу сопротивления, создаваемую вихревыми токами, для замедления или остановки движущихся объектов. Поскольку отсутствует контакт с тормозными колодками или барабаном, механический износ исключен. Однако тормоз вихревого тока не способен обеспечить удерживающий момент, поэтому его часто применяют в сочетании с механическими тормозами, например, на мостовых кранах. Другое применение – некоторые аттракционы типа американских горок, где массивные медные пластины, выступающие из вагона, перемещаются между парами мощных постоянных магнитов. Электрическое сопротивление в пластинах создает эффект торможения, аналогичный трению, который рассеивает кинетическую энергию вагона. Та же технология используется в электромагнитных тормозах железнодорожных вагонов и для быстрой остановки дисков в электроинструментах, таких как дисковые пилы. В отличие от постоянных магнитов, использование электромагнитов позволяет регулировать силу магнитного поля и, следовательно, величину тормозного усилия.

Репульсивные эффекты и левитация

В изменяющемся магнитном поле индуцированные токи проявляют эффекты, подобные диамагнитному отталкиванию. Проводящий объект будет испытывать силу отталкивания. Это позволяет поднимать объекты против силы тяжести, хотя и требует постоянной подачи энергии для компенсации энергии, рассеиваемой вихревыми токами. Примером применения является разделение алюминиевых банок от других металлов в сепараторе вихревых токов. Ферромагнитные металлы притягиваются к магниту, а алюминий (и другие неферромагнитные проводники) отталкиваются от него, что позволяет разделить поток отходов на черные и цветные металлы. С помощью очень сильного ручного магнита, например, неодимового, можно легко наблюдать аналогичный эффект, быстро проводя магнитом над монетой на небольшом расстоянии. В зависимости от силы магнита, материала монеты и расстояния между магнитом и монетой, можно добиться небольшого опережения монеты относительно магнита, даже если монета не содержит ферромагнитных элементов, например, американского пенни. Другой пример – падение сильного магнита в медную трубу, где скорость падения значительно замедляется. В идеальном проводнике без сопротивления поверхностные вихревые токи полностью компенсируют поле внутри проводника, предотвращая проникновение магнитного поля. Поскольку потери энергии на сопротивление отсутствуют, вихревые токи, возникающие при приближении магнита к проводнику, сохраняются даже после остановки магнита и могут полностью уравновесить силу тяжести, обеспечивая магнитную левитацию. Суперпроводники также демонстрируют отдельное, фундаментально квантово-механическое явление, называемое эффектом Мейснера, при котором любые магнитные линии, присутствующие в материале при переходе в сверхпроводящее состояние, выталкиваются, в результате чего магнитное поле внутри сверхпроводника всегда равно нулю. Используя электромагниты с электронным переключением, сравнимым с электронным управлением скоростью, можно генерировать электромагнитные поля, движущиеся в произвольном направлении. Как описано в разделе выше о вихревых тормозах, неферромагнитная проводящая поверхность стремится оставаться в этом движущемся поле. Однако, когда это поле движется, возможно левитировать и приводить в движение транспортное средство. Это сопоставимо с магнитной левитацией, но не требует наличия рельсов.

In a varying magnetic field, the induced currents exhibit diamagnetic like repulsion effects. A conductive object will experience a repulsion force. This can lift objects against gravity, though with continual power input to replace the energy dissipated by the eddy currents. An example application is separation of aluminum cans from other metals in an eddy current separator. Ferrous metals cling to the magnet, and aluminum (and other non ferrous conductors) are forced away from the magnet; this can separate a waste stream into ferrous and non ferrous scrap metal. With a very strong handheld magnet, such as those made from neodymium, one can easily observe a very similar effect by rapidly sweeping the magnet over a coin with only a small separation. Depending on the strength of the magnet, identity of the coin, and separation between the magnet and coin, one may induce the coin to be pushed slightly ahead of the magnet – even if the coin contains no magnetic elements, such as the US penny. Another example involves dropping a strong magnet down a tube of copper – the magnet falls at a dramatically slow pace. In a perfect conductor with no resistance, surface eddy currents exactly cancel the field inside the conductor, so no magnetic field penetrates the conductor. Since no energy is lost in resistance, eddy currents created when a magnet is brought near the conductor persist even after the magnet is stationary, and can exactly balance the force of gravity, allowing magnetic levitation. Superconductors also exhibit a separate inherently quantum mechanical phenomenon called the Meissner effect in which any magnetic field lines present in the material when it becomes superconducting are expelled, thus the magnetic field in a superconductor is always zero. Using electromagnets with electronic switching comparable to electronic speed control it is possible to generate electromagnetic fields moving in an arbitrary direction. As described in the section above about eddy current brakes, a non ferromagnetic conductor surface tends to rest within this moving field. When however this field is moving, a vehicle can be levitated and propelled. This is comparable to a maglev but is not bound to a rail.

Определение металлов

В некоторых торговых автоматах, работающих на монетах, вихревые токи используются для обнаружения фальшивых монет или жетонов. Монета прокатывается мимо неподвижного магнита, и вихревые токи замедляют её движение. Интенсивность вихревых токов, а следовательно и степень замедления, зависит от электропроводности металла монеты. Жетоны замедляются иначе, чем настоящие монеты, и это используется для их отправки в отсек для отбраковки.

Вибрационное и позиционное зондирование

Вихревые токи используются в некоторых типах датчиков близости для наблюдения за вибрацией и положением вращающихся валов в подшипниках. Эта технология была впервые разработана в 1930-х годах исследователями компании General Electric с использованием вакуумной электроники. В конце 1950-х годов твердотельные версии были разработаны Дональдом Э. Бенти в компании Bently Nevada Corporation. Эти датчики чрезвычайно чувствительны к малым смещениям, что делает их идеальными для наблюдения за незначительными вибрациями (порядка нескольких тысячных дюйма) в современных турбомашинах. Типичный датчик близости, используемый для мониторинга вибрации, имеет коэффициент преобразования 200 мВ/мил. Широкое применение таких датчиков в турбомашинах привело к разработке отраслевых стандартов, определяющих их использование и применение. Примеры таких стандартов – стандарт 670 Американского нефтяного института (API) и ISO 7919. Датчик ускорения Феррариса, также называемый датчиком Феррариса, – это бесконтактный датчик, использующий вихревые токи для измерения относительного ускорения.

Структурное тестирование

Методы вихревых токов широко применяются для неразрушающего контроля (НК) и мониторинга технического состояния широкого спектра металлических конструкций, включая трубы теплообменников, фюзеляж самолета и элементы конструкции самолета.

Кожные эффекты

Вихревые токи являются первопричиной возникновения эффекта поверхностного слоя в проводниках, несущих переменный ток. Аналогично, в магнитных материалах с конечной проводимостью вихревые токи приводят к локализации большей части магнитного поля в пределах нескольких глубин проникновения под поверхностью материала. Этот эффект ограничивает магнитную связь в индукторах и трансформаторах, имеющих магнитные сердечники.