§ 143. 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).
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
Если мы, сохраняя прежние внешние размеры витка, сделаем его из более толстого провода или из металлической ленты (рис. 269, б), то э. д. с. индукцииостанется прежней (ибо скорость изменения магнитного потока ?Ф/?t осталась прежней), а сопротивление витка уменьшится. Вследствие этого индукционный ток I 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.
337
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 тормозит 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 ее далее