Токи Фуко. Скин-эффект и его использование в технике.

Если неподвижный замкнутый проводник находится в нестационарном магнитном поле с магнитной индукцией , то изменение магнитного потока через его поверхность происходит с течением времени и .

Возникновение индукционного тока означает, что, в этом случае, внутри проводника возникает электрическое поле, действием которого обусловлено направленное движение зарядов.

Впервые к такому выводу пришел Дж.Максвелл, который предположил, что нестационарное магнитное поле порождает переменное вихревое электрическое поле, под действием которого возникает индукционный ток. Напряженность поля сторонних сил, в этом случае, и есть напряженность возникшего вихревого электрического поля.

Закон электромагнитной индукции: - в интегральной и дифференциальной форме .

Физический смысл последнего выражения в том, что «вихри» переменного электрического поля охватывают вектор скорости изменения магнитной индукции в соответствии с правилом «левого» винта.

Вихревое электрическое поле всегда возникает в пространстве, в котором существует нестационарное магнитное поле. Замкнутый проводник с возникающим индукционным током играет роль зонда, позволяющего обнаружить вихревое электрическое поле. Рассмотрим примеры проявления индукционных токов.

ПРИМЕР 1. Опыт показывает, что если вихревое электрическое поле возникает в сплошных металлических проводниках, то, в них также появляются индукционные токи, называемые токами Фуко по имени первого их исследователя. В общем случае распределение этих токов в проводнике может быть очень сложным. На рис.110 показаны токи Фуко возникающие в соленоиде с переменным током.

Как и все индукционные токи, токи Фуко подчиняются правилу Ленца, и поэтому тормозящее действие индукционных токов используется для «успокоения» (демпфирования) подвижных частей различных приборов.

ПРИМЕР 2. Из-за малого сопротивления сплошных проводников, при протекании индукционных токов может выделяться большое количество тепла, что используется в индукционных металлургических печах. Для предотвращения таких тепловых потерь якоря генераторов и сердечники трансформаторов делают не сплошными, а собирают из изолированных друг от друга тонких пластин.

ПРИМЕР 3. При протекании переменного тока по проводам также возникают индукционные токи, которые всегда противодействуют изменению первичного тока внутри проводника.

РИС.110 РИС.111 РИС.112

И при возрастании тока (рис.111) и при убывании (рис.112) вследствие возникновения индукционных токов переменный ток оказывается распределенным по сечению проводника неравномерно – он как бы вытесняется на поверхность проводника. Это явление называется скин-эффектом (от англ. skin – кожа), или поверхностным эффектом. Поскольку токи высокой частоты текут в тонком поверхностном слое, то провода для них могут быть полыми.

ПРИМЕР 4. При нагревании сплошных проводников токами высокой частоты, в результате skin-эффекта происходит нагревание только их поверхностного слоя, что лежит в основе метода поверхностной закалки металлов. Варьируя частоту, можно производить закалку на любой требуемой глубине.