Вихревые токи


Вихревые токи, или токи Фуко́ (в честь Ж. Б. Л. Фуко) — вихревой[a] индукционный[b] объёмный электрический ток[c], возникающий в электрических проводниках при изменении во времени потока магнитного поля, действующего на них.

Термин вихревой ток происходит от аналогичных явлений, наблюдаемых в жидких средах в гидродинамике, вызывающих локализованные области турбулентности, известные как водовороты, и завихрения среды. По аналогии вихревым токам может потребоваться время для нарастания и они могут сохраняться в проводниках в течение очень короткого времени из-за их индуктивности.

Впервые вихревые токи были обнаружены французским учёным Д. Ф. Араго (1786—1853) в 1824 г. в медном диске, расположенном на оси под вращающейся магнитной стрелкой. За счёт вихревых токов диск приходил во вращение. Это явление, названное явлением Араго, было объяснено несколько лет спустя M. Фарадеем с позиций открытого им закона электромагнитной индукции: вращаемое магнитное поле наводит в медном диске вихревые токи, которые взаимодействуют с магнитной стрелкой.

Вихревые токи были подробно исследованы французским физиком Фуко (1819—1868) и названы его именем. Фуко также открыл явление нагревания металлических тел, вращаемых в магнитном поле, вихревыми токами ― в сентябре 1855 года он обнаружил, что сила, необходимая для вращения медного диска, становится больше, когда его заставляют вращаться своим ободом между полюсами магнита, при этом диск самопроизвольно нагревается вихревым током, индуцированным в металле диска.

Свободные носители заряда (электроны) в металлическом листе движутся с листом вправо, поэтому магнитное поле оказывает на них боковую силу из-за силы Лоренца. Поскольку вектор скорости v зарядов направлен ​​вправо, а магнитное поле B направлено вниз, из правила буравчика сила Лоренца на положительных зарядах F = q(v × B) направлена ​​к задней части диаграммы (слева если смотреть в направлении движения v). Это вызывает ток I по направлению к задней части под магнитом, который вращается по частям листа вне магнитного поля, по часовой стрелке вправо и против часовой стрелки влево, снова к передней части магнита. Подвижные носители заряда в металле, электроны, на самом деле имеют отрицательный заряд (q <0), поэтому их движение противоположно направлению показанного обычного тока.

Магнитное поле магнита, действующее на электроны, движущиеся вбок под магнитом, затем создает силу Лоренца, направленную назад, противоположную скорости металлического листа. Электроны при столкновении с атомами металлической решетки передают эту силу листу, оказывая на лист силу сопротивления, пропорциональную его скорости. Кинетическая энергия, которая потребляется на преодоление этой силы сопротивления, рассеивается в виде тепла за счёт токов, протекающих через сопротивление металла, так что металл получает тепло под магнитом.