Индукционные токи в массивных проводниках. Токи Фуко

Рассмотрим еще раз простейший опыт индукции тока в витке из провода, помещенном в изменяющееся магнитное поле (рис. 269, а). Виток этот замкнут, причем в цепи нет гальванометра, по отклонению которого мы могли бы судить о наличии в витке индукционного тока. Мы можем, однако, обнаружить этот ток по тому нагреванию, которым сопровождается его прохождение по витку (§ 56). Если мы, сохраняя прежние внешние размеры витка, сделаем его из более толстого провода или из металлической ленты (рис. 269, б), то э. д. с. индукции останется прежней (ибо скорость изменения магнитного потока осталась прежней), а сопротивление витка уменьшится. Вследствие этого индукционный ток возрастет. Так как мощность, выделяемая в витке в виде тепла, пропорциональна , то, следовательно, при уменьшении сопротивления витка нагревание его увеличится.

Рис. 269. В проводнике, помещенном в изменяющееся магнитное поле, возникает индукционный ток, нагревающий проводник: а) сопротивление витка из провода велико, его нагревание мало; б) сопротивление витка из более толстого провода меньше, его нагревание больше; в) виток заменен металлической пластинкой с небольшим отверстием посередине, нагревание его еще больше; г) виток заменен сплошной металлической пластинкой, в которой возникают индукционные токи, сильно нагревающие ее

На рис. 269 показано несколько таких «витков» со все возрастающей толщиной; последний представляет собой просто сплошную металлическую пластинку, помещенную в изменяющееся магнитное поле. Понятно, что вместо тонкой пластинки мы могли бы взять и толстый кусок металла. Как и следует ожидать, опыт показывает, что такой кусок металла, помещенный в изменяющееся магнитное поле, нагревается; иногда это нагревание довольно сильно. Это указывает на то, что при изменении магнитного потока индукционные токи возникают и в массивных кусках металла, а не только в проволочных контурах.

Эти токи обычно называют вихревыми токами или токами Фуко, по имени открывшего их французского физика Леона Фуко (1819-1868). Их направление и сила зависят от формы куска металла, находящегося в поле, от направления изменяющегося магнитного потока, от свойств материала, из которого сделан кусок, и, конечно, от скорости изменения магнитного потока. Распределение вихревых токов в металле, вообще говоря, может быть очень сложным.

В кусках достаточно толстых, т. е. имеющих большие размеры в направлении, перпендикулярном к направлению индукционного тока, вихревые токи вследствие малости сопротивления могут быть очень большими и вызывать очень значительное нагревание. Если, например, поместить внутрь катушки массивный металлический сердечник и пропустить по катушке переменный ток, который 100 раз в секунду изменяет свое направление и силу, доходя до нуля и вновь усиливаясь, то этот сердечник нагреется очень сильно. Нагревание это вызывается индукционными (вихревыми) токами, возникающими вследствие непрерывного изменения магнитного потока, пронизывающего сердечник. Если же этот сердечник сделать из отдельных тонких проволок, изолированных друг от друга слоем лака или окислов, то сопротивление сердечника в направлении, перпендикулярном к его оси, т. е. сопротивление для вихревых токов, возрастет, и нагревание значительно уменьшится. Этим приемом – разделением сплошных кусков железа на тонкие изолированные друг от друга слои – постоянно пользуются во всех электрических машинах для уменьшения нагревания их индукционными токами, возникающими в переменном магнитном поле. С другой стороны, токи Фуко иногда используются в так называемых индукционных печах для сильного нагревания или даже плавления металлов.

Вихревые токи, как и всякие индукционные токи, подчиняются правилу Ленца, т. е. они направлены так, что взаимодействие их с первичным магнитным полем тормозят то движение, которым вызывается индукция. Простейший опыт, с помощью которого можно проверить правило Ленца в применении к вихревым токам, показан на рис. 270. Магнитная стрелка подвешена на нити. Предоставленная самой себе, она установится в положении равновесия, т. е. по магнитному меридиану данного места (приблизительно в направлении север-юг). Если её отклонить, то она будет довольно долго колебаться около этого положения. Как и колебания маятника, колебания стрелки будут затухать очень медленно, если трение в подвесе достаточно мало. Поместим теперь под стрелкой, очень близко к ней, массивную медную пластинку. Мы увидим, что при этом затухание колебаний магнита происходит значительно быстрее: после одного или двух качаний стрелка установится в положении равновесия. Причина этого ясна. При движении магнита в пластинке индуцируются вихревые токи, взаимодействие которых с магнитным полем по правилу Ленца тормозит движение магнита. Тот запас кинетической энергии, который мы сообщали магниту, толкнув его, быстро превращается вихревыми токами во внутреннюю энергию пластинки, вызывая ее нагревание. Подобное «магнитное успокоение» применяется во многих электроизмерительных приборах.

Взаимодействие токов Фуко с магнитной стрелкой можно наблюдать и в следующем видоизменении описанного опыта. Прикрепим медный диск к центробежной машине и заставим его быстро вращаться. Магнитная стрелка, висящая над диском, поворачивается, следуя за диском, и закручивает нить. И здесь причина ясна: при движении диска относительно магнита в нем индуцируются токи Фуко, взаимодействие которых с магнитом стремится, по правилу Ленца, остановить движение диска или, в силу третьего закона механики, увлечь магнитную стрелку. Не лишено интереса вспомнить, что описываемый опыт был осуществлен Араго в начале XIX века, еще до открытия электромагнитной индукции. Однако он оставался непонятым, пока Фарадей, открыв индукцию, не объяснил его как одно из проявлений электромагнитной индукции.

Рис. 270. Колебания подвешенной на нити магнитной стрелки быстро затухают, если вблизи стрелки находится массивный кусок металла

143.1. Если в пространстве между полюсами сильного электромагнита поместить толстостенный медный цилиндр, наполненный водой, и привести его в быстрое вращение, то цилиндр нагреется настолько, что вода быстро закипит. Объясните этот опыт. За счет какой энергии происходит нагревание цилиндра и воды?

143.2. Массивный медный маятник 1 качается вокруг оси , проходя на своем пути через межполюсное пространство сильного электромагнита 2 (рис. 271). При отсутствии тока в обмотках электромагнита маятник, выведенный из положения равновесия, совершает довольно много колебаний, прежде чем остановится. Если же включить ток, то маятник, дойдя до межполюсного пространства, резко, как бы толчком, тормозится и сразу останавливается, объясните это явление.

Рис. 271. К упражнению 143.2

143.3. Почему, если заставить монету падать через межполюсное пространство сильного электромагнита (рис. 272), при включенном токе в обмотках монета не падает с обычной скоростью, а медленно опускается, как бы продавливаясь через очень вязкую жидкость?

Рис. 272. К упражнению 143.3

143.4. Если подвесить на нити между полюсами электромагнита кубик, сложенный из отдельных изолированных медных листков (рис. 273), затем эту нить закрутить и отпустить, то кубик начнет быстро вращаться вокруг вертикальной оси. При включении тока в обмотки электромагнита это вращение тормозится, причем тормозящее действие значительно сильнее тогда, когда кубик подвешен за ушко 1 (рис. 273, а), чем тогда, когда он подвешен за ушко 2 (рис. 273, б). Объясните эти опыты. Учтите направления индукционных токов (токов Фуко) и направление индукции магнитного поля , показанное на рисунке.