Вихрове (індукційне) електричне поле

Вихрові струми

За теорією Максвелла навколо будь-якого змінного магнітного потоку виникає електричне поле, лінії напруженості якого замкнені навколо потоку і напрямлені за правилом лівого гвинта, якщо потік зростає (рис. а); якщо потік зменшується,- за правилом правого гвинта (рис. б).

Таке електричне поле називається вихровим електричним полем (його лінії напруженості замкнені) або індукційним. У контурі, який перетинається змінним магнітним потоком, вільні носії заряду переміщуються під дією вихрового електричного поля, здійснюють роботу, що означає виникнення ЕРС індукції:

У контурі II, який магнітним потоком не перетинається, робота дорівнює нулю (рис.).

Вихрове електричне поле може збуджуватися не обов'язково в провідниках. Воно може виникнути і в просторі, де немає провідників. Збуджене змінним магнітним полем вихрове електричне поле може проявитися в дії на окремі заряджені частинки у вакуумі, як, наприклад, у прискорювачі електронів - бетатроні.

Під час зміни магнітного потоку через поверхню, обмежену контуром, у контурі на вільні заряди починають діяти сторонні сили, дія яких характеризується ЕРС індукції. ЕРС індукції є енергетичною характеристикою індукційного електричного поля, тоді як силовою характеристикою виступає напруженість поля, тобто відношення сили, з якою поле діє на заряд, до значення цього заряду.

Вихрові струми, струми Фуко (на честь Леона Фуко) — вихрові індукційні струми, які виникають у масивних провідниках при зміні магнітного потоку, який їх пронизує. Вихрові струми породжують свої власні магнітні потоки, які, за правилом Ленца, протидіють магнітному потоку котушки і послаблюють його. Крім того, вони викликають нагрів сердечника, що є марною тратою енергії.

Нехай є сердечник з металевого матеріалу. Помістимо на цей сердечник котушку, по якій припустимо змінний струм. Навколо котушки виявиться змінний магнітний струм, що перетинає сердечник. При цьому в серцевині стане наводитися индуцированная ЕРС, яка, в свою чергу, викликає в осерді струми, звані вихровими. Ці вихрові струми нагрівають сердечник. Так як електричний опір сердечника невелика, то наводяться в сердечниках індуковані струми можуть надаватися досить великими, а нагрів сердечника – значним.

Вперше вихрові струми виявлені французьким ученим Франсуа Араго (1786—1853) в 1824 р. у мідному диску, розташованому на осі під магнітною стрілкою, яка оберталася. За рахунок вихрових струмів диск теж обертався. Це явище, назване явищем Араго, було пояснене декілька років по тому M. Фарадеєм з позицій відкритого ним закону електромагнітної індукції: магнітне поле, яке обертається, індукує у мідному диску струми (вихрові), які взаємодіють з магнітною стрілкою. Вихрові струми названі на честь французького фізика Фуко (1819—1868). Він відкрив явище нагрівання металічних тіл, які обертаються у магнітному полі, вихровими струмами. Струми Фуко виникають під дією змінного електромагнітного поля і за своєю фізичною природою нічим не відрізняються від індукційних струмів, що виникають у лінійних провідниках.

Оскільки електричний опір провідників малий, то сила струмів Фуко може досягати великих значень. Згідно з правилом Ленца вони вибирають у провіднику такий напрямок, щоб протистояти причині, яка їх викликає. Тому у сильному магнітному полі провідники, які рухаються, витримують сильне гальмування, яке пояснюється взаємодією струмів Фуко з магнітним полем. Цей ефект застосовується для демпфування рухливих частин гальванометрів, сейсмографів тощо.

Теплова дія струмів Фуко використовується в індукційних печах — у котушку, яка живиться від високочастотної батареї великої сили поміщають тіло-провідник, у якому виникають вихрові струми, які розігрівають його до плавлення.

У багатьох випадках струми Фуко небажані, шкідливі. Для боротьби з ними приймаються спеціальні заходи: наприклад, якоря трансформаторів набираються з тонких пластин. Поява феритів зробила можливим виготовлення цих провідників суцільними.

Корисне застосування вихрові струми знайшли в пристрої магнітного гальма диска електричного лічильника. Обертаючись, диск перетинає магнітні силові лінії постійного магніту. У площині диска виникають вихрові струми, які, в свою чергу, створюють свої магнітні потоки у вигляді трубочок навколо вихрового струму. Взаємодіючи з основним полем магніту, ці потоки гальмують диск.

\У ряді випадків, застосовуючи вихрові струми, можна використовувати технологічні операції, які неможливо застосувати без струмів високої частоти. Наприклад, при виготовлення вакуумних приладів і пристроїв з балона необхідно ретельно відкачати повітря і інші гази. Однак в металевої арматури, що знаходиться всередині балона, є залишки газу, які можна видалити тільки після заварювання балона. Для повного знегажування арматури вакуумний прилад поміщають в поле високочастотного генератора, в результаті дії вихрових струмів арматура нагрівається до сотень градусів, залишки газу при цьому нейтралізуються.

джерело

Відео до заняття 4

Завдання до заняття 4

Я поміркую й зможу пояснити

1. Порівняти в чому полягає схожість та відмінність електричних полей: вихрового (індукційного) та еклектростатичного?

(Порівняти схожість: за ознакою існування; за дією на ....)

(Відмінність: за джерелом виникнення; за роботою сил ел. полей; за лініями напруженості...)

2. Як визначити напрям ліній напруженості вихрового електричного поля?

3. Якими величинами характеризується вихрове індукційне електричне поле?

4. У чому полягає зміст явища електромагнітної індукції?

5. Яка природа сторонньої сили, що обумовлює виникнення ЕРС у рухомому провіднику?

6. Чи виникає ЕРС індукції на кінцях сталевої осі автомобіля під час його руху?

Я вмію досліджувати й експериментувати

1. Яке поле виникає навколо електрона, якщо він: покоїться; рухається з постійною швидкістю; рухається з прискоренням?

2. У електронній гарматі створюється потік рівномірно рухомих електронів. Чи можна виявити магнітне поле в системі відліку, пов'язаній з одним з рухомих електронів?

3. Пластмасовий гребінець потерли об тканину, і вона зарядилася статичною електрикою. Яке поле можна виявити навколо нерухомого гребінця? Навколо рухомої?

4. Постійний магніт покоїться на столі. Яке поле можна виявити в системі відліку, пов'язаній із Землею? з Сонцем?

5 Дослідити за малюнком: як визначається напрям силових ліній вихрового електричного поля.

Я можу застосовувати знання й розв'язувати задачі

1. За 5 мсмагнітний потік, який пронизує контур, спадає від 9 до 4мВб. Визначити ЕРС індукції в контурі .

2. Визначити швидкість зміни магнітного потоку в соленоїді з 2000 витків, що настає від збудження в ньому ЕРС індукції 120 В.