20. Вихревые токи (токи Фуко). Скин-эффект.

Индукционный ток может возникать не только в линейных контурах, то есть в проводниках, поперечные размеры которых пренебрежимо малы по сравнению с их длиной. Индукционный ток возникает и в массивных проводниках. В этом случае проводник не обязательно включать в замкнутую цепь. Замкнутая цепь индукционного тока образуется в толще самого проводника. Такие индукционные токи называются вихревыми или токами Фуко.

Рассмотрим массивный металлический сердечник. Вокруг его имеется обмотка, по которой протекает переменный ток I. Этот ток создает переменное магнитное поле с индукцией В направленной перпендикулярно плоскости чертежа. Допустим, что в некоторый момент времени вектор В направлен за чертеж. Тогда в сердечнике возникает индукционный ток, расположенный в плоскости перпендикулярной B и направленный, как показано на рисунке.

Величина вихревых токов тем больше, чем меньше сопротивление проводника и чем больше скорость изменения магнитного потока, т. е. пропорциональна частоте изменения магнитного поля (частоте переменного тока, который создает магнитное поле). Вихревые токи вызывают сильное нагревание проводников.

Q ~ I² I ~ Q ~²

Это явление используется для индукционной плавки металлов в вакууме (индукционные печи) и для прогрева металлических частей в вакууме в целях их обезгаживания. В электрических машинах и трансформаторах нагревание, вызванное токами Фуко, является вредным. Для уменьшения токов Фуко надо увеличить сопротивление. Это достигается тем, что:

1. сердечники делают из изолированных пластин, параллельных направлению магнитного поля.

2. Изготавливаются специальные сорта железа с примесью кремния.

3. Магнитодиэлектрики (прессованные порошкообразные ферромагнитные вещества).

4. Ферриты – полупроводниковые ферромагнитные материалы с удельным сопротивлением в 10⁶ раз больше удельного сопротивления магнитных металлических веществ (комплексные металлические оксиды типа MeO*Fe₂O₃).

Токи Фуко могут возникать и в самом проводнике, по которому течет переменный ток.

Рассмотрим цилиндрический проводник, по которому течет переменный ток. В обоих случаях (т. е. при убывании и возрастании тока) вихревые токи направлены таким образом, что они противодействуют изменению основного тока внутри проводника и способствуют его изменению вблизи поверхности. Следовательно для переменного тока. сопротивление внутренних частей проводника во много раз больше, чем внешних. Поэтому плотность переменного тока неодинакова по сечению. Она максимальная на поверхности проводника, и минимальная на его оси. Это явление называют поверхностным эффектом, или скин-эффектом. Переменные токи высокой частоты проходят только по очень тонкому поверхностному слою проводника. Внутренняя часть оказывается излишней. Поэтому для таких токов применяются проводники трубчатой формы (волноводы).

При нагреве сплошных проводников токами высокой частоты, в результате скин-эффекта, почти все тепло выделяется в поверхностном слое. Это используется для поверхностной закалки металлов.