Исследование зависимости нагрева тела от частоты токов Фуко
Нагревание материалов электрическими токами Фуко, которые индуцируются переменным магнитным полем. Нагрев изделий из проводящих материалов магнитным полем индукторов. Индукционный нагрев и электромагнитные волны. Вихревые токи в массивном проводнике.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | творческая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 03.05.2019 |
| Размер файла | 5,3 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на Allbest.ru
Цели и задачи
Цель:
Исследовать зависимость мощности нагрева от частоты токов Фуко.
Задачи:
Определить актуальность темы
Изучить материал по данной теме
Выдвинуть гипотезу
Продумать эксперимент
Провести эксперимент
Обработать данные, полученные в ходе эксперимента
Сделать выводы
Введение
Индукционный нагрев - это нагревание материалов электрическими токами Фуко, которые индуцируются переменным магнитным полем. Следовательно - это нагрев изделий из проводящих материалов магнитным полем индукторов.
Актуальность темы
Мы повсюду окружены переменными электромагнитными полями, мы настолько к ним привыкли, что не можем представить жизни без них. Ведь абсолютно все электроприборы излучают электромагнитные поля (постоянные или переменные), будь то wifi, или же микроволновая печь. Поэтому, как никогда важно знать о их влиянии на человека.
Теоретическая часть:
Индукционный нагрев
Индукционный нагрев проводится следующим образом. Электропроводящая заготовка помещается в так называемый индуктор. В индукторе с помощью специального генератора наводятся большие токи различной частоты (от десятка Гц до нескольких МГц), в результате чего вокруг индуктора возникает электромагнитное поле. Электромагнитное поле наводит в заготовке токи Фуко (вихревые). Токи Фуко разогревают заготовку по закону Джоуля-Ленца.
Электромагнитные волны
Напомним и подчеркнем, что электромагнитные волны возникают вследствие связи между изменениями электрического и магнитного полей. Всякое изменение напряженности электрического поля в какой-нибудь точке пространства вызывает в смежных точках появление переменного магнитного поля, изменение которого в свою очередь порождает меняющееся электрическое поле. Именно поэтому происходит передача колебаний электрического и магнитного полей из одной точки пространства в соседние, т. е. происходит распространение электромагнитной волны.
Мы знаем, что электрическое поле создается электрически заряженными телами, а магнитное поле окружает проводники, по которым течет электрический ток (т. е. происходит перемещение электрических зарядов). Если электрические заряды неподвижны, то и создаваемое ими электрическое поле остается все время одним и тем же, не меняется. Если заряды движутся (например, в металлической проволоке) равномерно, то мы имеем постоянный ток, создающий постоянное же, не изменяющееся магнитное поле. Таким образом, в обоих случаях электрическое и магнитное поля неизменны, а значит, и электромагнитная волна возникнуть не может.
Но при неравномерном движении электрических зарядов, в частности при всяком их колебании, а значит, и при всяком переменном токе электрическое и магнитное поля будут меняться с течением времени; эти изменения передаются отточки к точке и, следовательно, распространяются во все стороны, образуя электромагнитную волну.
Казалось бы, что получить электромагнитную волну весьма просто. Можно, например, заставить заряженное тело совершать колебательное движение или пропустить городской переменный ток через проволочную катушку. Так как в первом случае будет меняться электрическое поле, а во втором - магнитное, то, согласно сказанному, должна будет возникнуть электромагнитная волна. Однако практически при такой постановке опыта мы не получим доступных наблюдению волновых явлений.
В чем же причина этого неуспеха?
Для того чтобы ответить на этот вопрос, необходимо более внимательно рассмотреть, как возникают электромагнитные волны, и выяснить, при каких условиях они хорошо излучаются.
Как уже было сказано, в электромагнитной волне проявляется взаимная связь электрического и магнитного полей: изменение одного из них вызывает появление другого.
Возникновение электрического поля в результате изменения магнитного есть не что иное, как явление электромагнитной индукции, открытое на опыте М. Фарадеем в 1831 г. Обратное же явление - возникновение магнитного поля при всяком изменении электрического - было теоретически предсказано английским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом (1831 - 1879). Исходя из предположения о существовании такого явления, Максвелл и пришел к выводу о необходимости возникновения электромагнитных волн при всяком изменении электромагнитного поля.
Теоретическое предположение Максвелла требовало проверки на опыте. Если опыт докажет существование таких электромагнитных волн, то этим будет подкреплен весь ход теоретических рассуждений Максвелла, включая и его предположение о возникновении магнитного поля при изменении поля электрического. Для успеха опытной проверки теории очень важно, чтобы наблюдаемые явления были достаточно интенсивными.
Токи Фуко
Вихревые токи (токи Фуко) возникают в массивных проводниках под воздействием переменного электромагнитного ноля и по сути являются индукционными токами. Чаще всего это происходит при вращении проводника в постоянном магнитном поле, либо при воздействии переменного магнитного поля. Токи эти вихревые, то есть, замкнуты сами на себя. Токи Фуко достигают очень большой силы вследствие малого сопротивления больших проводников (вспомним, что ). Вихревые токи (токи Фуко) приводят к сильному нагреву проводников, а также к сильному торможению проводника, движущегося в магнитном поле, что обусловлено взаимодействием токов Фуко с магнитным полем.
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.
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.
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). 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, то сердечник нагреется довольно 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.
Гипотеза
Величина нагрева сердечника будет зависеть от частоты токов Фуко. Частота токов Фуко будет равна частоте токов в катушке, а частота имеет обратную зависимость от емкости конденсатора в цепи. Следовательно, чем меньше емкость конденсатора, тем сильнее будет нагрев.
Эксперимент
Соберем экспериментальную установку.
Проведем эксперименты, используя конденсаторы разной емкости
Конденсатор емкостью 4, 7 мкФ
Конденсатор емкостью 18, 8 мкФ
Конденсатор емкостью 23, 5 мкФ
Конденсатор емкостью 100 мкФ
Конденсатор емкостью 200 мкФ
Конденсатор емкостью 300 мкФ
Выводы
Нагрев тела зависит о частоты токов Фуко. Также стоит заметить, что при низкой частоте токов нагрев может быть на столько незначительным, что может полностью поглощаться потерями в окружающую среду.
Список литературы
Элементарный курс физики под ред. Г. С. Ландсберга том 2
Элементарный курс физики под ред. Г. С. Ландсберга том 3
Г. А. Зисман, О. М Тодес «Курс общей физики» том 1
Г. А. Зисман, О. М Тодес «Курс общей физики» том 2
Г. А. Зисман, О. М Тодес «Курс общей физики» том 3
О. Ф. Кабардин «Физика: Справочные материалы»
О. Ф. Кабардин, В. А. Орлов, Н. И. Шефер «Факультативный курс физики. 10 класс»
В. А. Балаш «Задачи по физике и методы их решения»
Б. И. Спасский «Физика в ее развитии»
А. И. Китайгородский «Физика для всех»
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Процесс формирования и появления магнитного поля. Магнитные свойства веществ. Взаимодействие двух магнитов и явление электромагнитной индукции. Токи Фуко — вихревые индукционные токи, возникающие в массивных проводниках при изменении магнитного потока.
презентация [401,5 K], добавлен 17.11.2010Электромагнитная индукция - явление порождения вихревого электрического поля переменным магнитным полем. История открытия Майклом Фарадеем данного явления. Индукционный генератор переменного тока. Формула для определения электродвижущей силы индукции.
реферат [634,5 K], добавлен 13.12.2011Понятие и принципы распространения токов Фуко, их характерные особенности. Сущность скин-эффекта. Явление самоиндукции и ее ЭДС. Энергия магнитного поля, критерии и порядок ее измерения. Понятие взаимной индукции, факторы и порядок ее возникновения.
презентация [307,9 K], добавлен 24.09.2013Электромагнитная индукция. Закон Ленца, электродвижущая сила. Методы измерения магнитной индукции и магнитного напряжения. Вихревые токи (токи Фуко). Вращение рамки в магнитном поле. Самоиндукция, ток при замыкании и размыкании цепи. Взаимная индукция.
курсовая работа [729,0 K], добавлен 25.11.2013Контакторы рычажного типа. Устройство дугогасительных систем по принципу гашения электрической дуги поперечным магнитным полем в дугогасительных камерах. Конструкции контакторов постоянного и переменного тока. Устройство и общая компоновка контакторов.
лабораторная работа [125,7 K], добавлен 12.01.2010Конструкция коммутационного аппарата, учет тепловыделения в контактных областях. Особенности расчета температуры электродов вакуумной дугогасительной камеры. Нестационарный нагрев несимметричных контактов, влияние типов теплообмена на процесс нагрева.
диссертация [4,7 M], добавлен 07.01.2016Особенности определения размеров радиационных и конвективных поверхностей нагрева, которые обеспечивают номинальную производительность котла при заданных параметрах пара. Расчётные характеристики топлива. Объёмы продуктов сгорания в поверхностях нагрева.
курсовая работа [338,5 K], добавлен 25.04.2012Связь между переменным электрическим и переменным магнитным полями. Свойства электромагнитных полей и волн. Специфика диапазонов соответственного излучения и их применение в быту. Воздействие электромагнитных волн на организм человека и защита от них.
курсовая работа [40,5 K], добавлен 15.08.2011Характеристика нагревания лазерным излучением. Термические эффекты, сопровождающие лазерный нагрев. Диффузионно-химические явления и фотохимические методы. Основные предпосылки для построения квантовой теории фотоэффекта. Лазерное плавление поверхности.
контрольная работа [2,6 M], добавлен 24.08.2015Определение времени нагрева металла в печи. Предварительное определение основных размеров печи, степени развития кладки, эффективности толщины газового слоя. Расчет времени томления металла. Выбор футеровки. Статьи прихода теплоты, затраченной на нагрев.
курсовая работа [282,4 K], добавлен 19.11.2013Изучение механических колебаний физиками и астрономами древности. Галилео Галилей - основоположник точного естествознания. Теория колебаний и маятниковые часы Христиана Гюйгенса. Опыт Фуко с маятником как доказательство вращения Земли вокруг своей оси.
презентация [239,7 K], добавлен 23.03.2012Тепловой расчет площади теплопередающей поверхности вертикального парогенератора. Расчет среднего угла навивки труб поверхности нагрева. Основные конструкционные характеристики пучка теплообменных труб. Прочностной расчет элементов парогенератора.
курсовая работа [642,4 K], добавлен 10.11.2012Индукционный нагрев металлов. Выбор комплектной трансформаторной подстанции. Расчет параметров срабатывания релейной защиты. Разработка силовой схемы питания установки. Компенсация реактивной мощности в схемах электроснабжения участков или цехов.
курсовая работа [1,5 M], добавлен 13.01.2011Тепло, идущее на нагрев металла. Тепло, теряемое в окружающее пространство через кладку печи. Потери на нагрев транспортирующих устройств и контролируемой атмосферы. Расчет электрических элементов. Определение коэффициента полезного действия печи.
курсовая работа [300,1 K], добавлен 26.03.2013Система управления с шаговыми двигателями, контроллер шагового двигателя. Двигатели с переменным магнитным сопротивлением. Двигатели с постоянными магнитами. Гибридные двигатели. Биполярные и униполярные модификации. Режимы работы и питание обмоток.
лекция [1,5 M], добавлен 20.11.2010Физическая сущность электроконтактного способа нагрева. Характеристика нагревательных установок. Характеристика материала заготовок. Особенности расчёта и проектирования. Основные технико-экономические показатели электроконтактного способа нагрева.
курсовая работа [5,8 M], добавлен 23.05.2010Излучение электрического диполя. Скорость для электромагнитной волны в вакууме. Структура электромагнитной волны, распространяющейся в однородной нейтральной непроводящей среде при отсутствии токов и свободных зарядов. Объемная плотность энергии.
презентация [143,8 K], добавлен 18.04.2013Шаговые двигатели - разновидность бесколлекторных двигателей. Их основные типы: с переменным магнитным сопротивлением, с постоянными магнитами, гибридные. Варианты исполнения обмоток двигателя. Режимы и способы управления им, особенности использования.
реферат [672,0 K], добавлен 18.02.2013Режимы лазерного нагрева и их воздействие на полупространство. Критериальные параметры и закономерности температурного поля. Особенности нагревания материала световым пятном. Кинетика взаимосвязанных химических, оптических и теплофизических свойств.
контрольная работа [448,0 K], добавлен 24.08.2015Факторы устойчивого удержания высокотемпературной плазмы, необходимого для осуществления управляемого термоядерного синтеза. Дивертор, управление примесями. Ядерная реакция при столкновении дейтона с тритоном. Наиболее перспективные методы нагрева.
доклад [804,7 K], добавлен 02.10.2014
