Foucaultův proud neboli vířivý proud je indukční objemový vířivý elektrický proud, který může vzniknout v elektrických vodičích, pokud se vířivý tok magnetického pole, které na ně působí, v čase mění.
Foucaultovy proudy poprvé objevil vědec z Francie Dominique Arago ve 20. letech 19. století v měděném kotouči, který se nacházel na ose pod rotující magnetickou jehlou. O několik let později Faraday vysvětlil tento jev díky zákonu elektromagnetické indukce, který objevil: rotující magnetické pole indukuje vířivé proudy v měděném disku, které interagují s magnetickou jehlou. V polovině 19. století se jimi podrobně zabýval fyzik Foucault. Objevil také jev zahřívání kovového tělesa, které rotuje v magnetickém poli, vířivými proudy. V roce 1855 Foucault objevil, že síla potřebná k otáčení měděného disku se zvětšuje, pokud je nucen otáčet jeho okraj mezi póly magnetu.
Článek: Vířivé proudy
!Токи Фуко. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ](https://a24.biz/assets/files/handbook/images/2e/6f/2e6f5b87acd30303bc2c063644a87a9f)
Elektrony v kovovém disku se pohybují s plátem doprava, takže magnetické pole na ně působí boční silou v důsledku Lorentzovy síly. Protože vektor rychlosti elektronu v směřuje doprava a magnetické pole B směřuje dolů, pak podle gimletova pravidla Lorentzova síla kladných nábojů F = qvB, směrem k zadní části schématu – obrázek výše. Ito způsobí, že se směrem dozadu pod magnetem objeví proud I, který se otáčí částmi listu mimo hranice magnetického pole, ve směru hodinových ručiček doprava a proti směru hodinových ručiček doleva, opět k přední části magnetu. Ve skutečnosti mají elektrony záporný náboj – q je menší než 0 a jejich pohyb je opačný než směr běžného znázorněného proudu. Magnetické pole vytváří Lorentzovu sílu, která je směrována dozadu a opačně k rychlosti plechu. Když se elektrony srazí s atomy v kovové mřížce, síla se přenese na plech, který na něj působí tažnou silou, která je úměrná jeho rychlosti. Kinetická energie spotřebovaná k překonání této síly se rozptýlí ve formě tepla v důsledku proudů, které protékají odporem kovu, to znamená, že kov přijímá teplo pod magnetem.
Lorentzova síla je síla, kterou působí elektromagnetické pole na nabitou částici.
Vířivé proudy, které se objevují pod vlivem střídavého magnetického pole a svou fyzikální podstatou se nijak neliší od indukčních proudů, které vznikají v sekundárních vinutích transformátorů a vodičů.
Metody redukce a využití vířivých proudů
Výkon, který se vynakládá na ohřev jádra vypínacími proudy, snižuje účinnost zařízení elektromagnetického typu. Aby se snížil výkon Foucaultových proudů, je zvýšen odpor magnetického obvodu. Za tímto účelem jsou jádra sestavena z tenkých desek, které jsou od sebe izolovány měřítkem nebo pomocí speciálního laku. Magnetická jádra všech střídavých zařízení a strojů, stejně jako jádra stejnosměrných strojů, jsou sestavena z izolovaných desek, které jsou vylisovány z elektroocelového plechu. Rovina těchto desek je rovnoběžná se směrem magnetického toku. V tomto případě jsou vířivé proudy výrazně zeslabeny, protože jsou redukovány magnetické toky, které propojují obrysy Foucaultových proudů, a proto jsou redukovány elektromotorické síly indukované těmito toky, které vytvářejí vířivé proudy.
Dalším způsobem, jak snížit Foucaultovy proudy, je zavedení speciálních přísad, které zvyšují elektrický odpor. Pro zvýšení elektrického odporu feromagnetika se elektroocel vyrábí s přísadou křemíku. Jádra cívek jsou vyrobena z kusů žíhaného železného drátu. Železné pásy jsou umístěny rovnoběžně s čarami magnetického toku. Foucaultovy proudy, které proudí v rovinách kolmých ke směru magnetického toku, tedy omezují izolační podložky. Pro magnetická jádra zařízení, která pracují na vysokých frekvencích, se používají magnetická dielektrika. Aby se snížily vířivé proudy ve vodičích, jsou vyrobeny ze samostatných jader, která jsou od sebe izolována. Litz wire je systém propletených měděných drátů, kde je každé jádro izolováno od svých sousedů. Tento systém se používá na vysokofrekvenčních proudech, aby se zabránilo výskytu Foucaultových proudů a parazitních proudů.
Tokami Fuko (neboli vířivé proudy) jsou proudy indukční povahy, které se objevují v masivních vodičích ve střídavém magnetickém poli. Uzavřené obvody vířivých proudů se objevují hluboko v samotném vodiči. Elektrický odpor masivního vodiče je malý, proto mohou Foucaultovy proudy dosahovat velkých hodnot. Síla vířivých proudů závisí na tvaru a vlastnostech materiálu vodiče, směru střídavého magnetického pole a rychlosti změny magnetického toku. Rozložení Foucaultových proudů ve vodiči může být velmi složité.
Množství tepla, které se uvolní za $1 s$ Foucaultovými proudy, je úměrné druhé mocnině frekvence změny magnetického pole.
Podle Lenzova zákona volí Foucaultovy proudy takové směry, aby ovlivnily příčinu, která je způsobuje. To znamená, že pokud se vodič pohybuje v magnetickém poli, pak by měl zaznamenat silné brzdění, které je způsobeno interakcí Foucaultových proudů a magnetického pole.
Článek: Toki Fuko
Uveďme příklad vzniku Foucaultových okovů. Necháme měděný kotouč o průměru $5 cm$ a tloušťce $6 mm$ padat do úzké mezery mezi póly elektromagnetu. Pokud je magnetické pole vypnuto, disk rychle spadne. Zapneme elektromagnet. Pole by mělo být velké (asi 0,5 T$). Pád disku se zpomalí a bude připomínat pohyb ve velmi viskózním médiu.
Aplikace Foucaultových proudů
Foucaultovy proudy hrají užitečnou roli v rotoru indukčního motoru, který je poháněn do rotace magnetickým polem. Samotná implementace principu činnosti asynchronního motoru vyžaduje vzhled Foucaultových proudů.
Foucaultovy proudy se používají k tlumení pohyblivých částí galvanometrů, seismografů a řady dalších přístrojů. Na pohyblivé části zařízení je tedy instalována deska – vodič ve formě sektoru. Vkládá se do mezery mezi póly silného permanentního magnetu. Když se deska pohybuje, objevují se v ní Foucaultovy proudy, což způsobuje inhibici systému. Navíc k brzdění dochází pouze tehdy, když se deska pohybuje. Proto tento druh uklidňovacího zařízení neinterferuje s přesným příchodem systému do rovnovážného stavu.
Teplo uvolněné Foucaultovými proudy se využívá v procesech ohřevu. Tavení kovů pomocí Foucaultových proudů je tedy ve srovnání s jinými způsoby ohřevu velmi výhodné. Takzvaná indukční pec je cívka, kterou protéká vysokofrekvenční a vysoce výkonný proud. Uvnitř cívky je umístěno vodivé těleso a v něm vznikají vířivé proudy o vysoké intenzitě, které ohřívají látku až do roztavení. Takto se kovy taví ve vakuu, což vede k výrobě vysoce čistých materiálů.
Při použití Foucaultových proudů se vnitřní kovové části vakuových instalací ohřívají za účelem jejich odplynění.
Problémy, které způsobují vířivé proudy. Kůže – efekt
Foucauldovy proudy mohou hrát více než jen užitečnou roli. Vířivé proudy jsou vodivé proudy a část energie se rozptýlí a uvolní Jouleovo teplo. Taková energie například v rotoru asynchronního motoru, který je obvykle vyroben z feromagnetů, ohřívá jádra, a tím zhoršuje jejich vlastnosti. Pro boj s tímto jevem jsou jádra vyráběna ve formě tenkých desek, které jsou odděleny tenkými vrstvami izolátoru a desky jsou instalovány tak, aby Foucaultovy proudy směřovaly přes desky. Při malé tloušťce desky mají vířivé proudy nízkou objemovou hustotu. S příchodem feritů a látek s vysokou magnetorezistencí bylo možné vyrábět pevná jádra.
Vířivé proudy se vyskytují v drátech, ve kterých protékají střídavé proudy, a směr Foucaultových proudů je takový, že zeslabují proud uvnitř drátu a zesilují ho blízko povrchu. V důsledku toho je rychle se měnící proud distribuován nerovnoměrně napříč průřezem drátu. Tento jev se nazývá kůže – efekt (povrchový efekt). V důsledku tohoto jevu se vnitřek vodiče stává nepoužitelným a obvody často používají jako vodiče elektronky. K ohřevu povrchové vrstvy kovu lze využít skinefektu, což umožňuje využít tento jev pro kalení kovu a změnou frekvence pole lze kalení provádět v libovolné požadované hloubce.
Přibližné vzorce, které mohou popsat kožní efekt v homogenním válcovém vodiči:
kde $R_w$ je efektivní odpor vodiče o poloměru $r$ proti střídavému proudu s cyklickou frekvencí $w$. $R_0$ – odpor vodiče proti stejnosměrnému proudu.
kde efektivní hloubka průniku střídavého proudu ($delta $) (vzdálenost od povrchu vodiče, při které se proudová hustota sníží $e=2,7 $ krát ve srovnání s hustotou na jeho povrchu) je rovna:
$mu $ – relativní magnetická permeabilita, $ _0$ je magnetická konstanta, $sigma$ je specifická elektrická vodivost vodiče pro stejnosměrný proud. Čím silnější je vodič, tím významnější je kožní efekt, tím menší jsou hodnoty $w$ a $sigma$, při kterých by se měl brát v úvahu.
Zadání: Při pokusu s odstředivým strojem k němu byl připevněn masivní měděný disk a tento disk se otáčel vysokou rychlostí. Magnetická jehla byla zavěšena nad diskem (bez kontaktu). Co se stane s šipkou, proč?
řešení:
Magnetická jehla působí jako magnet, který vytváří magnetické pole, ve kterém se měděný vodič otáčí. Následně ve vodiči vznikají indukční proudy – Foucaultovy proudy. Podle Lenzova pravidla mají vířivé proudy interagující s magnetickým polem tendenci zastavit rotaci disku nebo v souladu s třetím Newtonovým zákonem táhnout magnetickou jehlu s sebou. To znamená, že magnetická jehla, která visí nad kotoučem, se za ním otočí a roztočí závěs (závit).
Odpověď: Magnetická střelka se bude otáčet, důvodem jsou vířivé proudy.
Zadání: Vysvětlete, proč nelze podzemní kabel, kterým je přenášen střídavý proud, položit blízko kovových plynových a vodovodních potrubí?
řešení:
Vlivem střídavého proudu vzniká kolem kabelu střídavé magnetické pole, pokud se do tohoto pole dostane vodič (kovová trubka), vzniknou indukční vířivé proudy. Tyto proudy způsobují korozi kovových trubek. Kromě toho je přítomnost proudů v potrubí nebezpečná, protože existuje možnost úrazu elektrickým proudem.
Zadání: Kyvadlo vyrobené ze silného měděného plechu má tvar komolého sektoru. Je zavěšen na tyči a může volně kmitat kolem vodorovné osy v magnetickém poli mezi póly silného elektromagnetu. Při absenci magnetického pole kyvadlo kmitá prakticky bez tlumení. Popište kmitání kyvadla v magnetickém poli elektromagnetu. Jak lze přimět kyvadlo, aby v přítomnosti magnetického pole oscilovalo téměř bez tlumení?
řešení:
Je-li popsané masivní kmitající kyvadlo umístěno do silného magnetického pole, pak v kyvadlu vznikají Foucaultovy proudy. Tyto proudy podle Lenzova pravidla zpomalují pohyb kyvadla, amplituda kmitů se zmenšuje a samotné kmity brzy ustávají.
Aby se snížily vířivé proudy v kyvadle kmitajícím v magnetickém poli, může být jeho pevný sektor nahrazen hřebenem s prodlouženými zuby. Foucaultovy proudy se sníží a kyvadlo bude kmitat prakticky bez tlumení.
