Чем больше частота тока тем: Глубина проникновения тока в металл

Содержание

Глубина проникновения тока в металл

6 ноября 2018

Явление поверхностного эффекта

Постоянный ток в проводнике распределяется равномерно по сечению, переменный ток распределяется по сечению неравномерно в зависимости от частоты тока (рис. 10.6.).

Рис. 10.6. Глубина проникновения тока в металл в зависимости от его частоты: а — постоянный, б, в, г — переменный 50, 10 000, 125 000 Гц соответственно

При пропускании переменного тока наибольшая противоэлектродвижущая сила индуктируется в центре проводника, который охватывается полным магнитным потоком. Чем ближе к поверхности проводника, тем слабее магнитное поле, а, следовательно, меньше противо электродвижущая сила. Существование этой силы равноценно появлению в проводнике некоторого добавочного сопротивления, носящего название индуктивного сопротивления цепи. Встречая в центре проводника наибольшее индуктивное сопротивление, ток будет стремиться пройти в направлении наименьшего сопротивления и вытисниться к поверхности проводника.

Свойство тока высокой частоты протекать только по поверхностному слою проводника принято называть поверхностным эффектом, или скин-эффектом.

Плотность тока для различных точек сечения проводника будет неодинаковой. Чем выше частота тока, тем больше в центре проводника индуктивное сопротивление и меньше плотность тока. Неравномерное распределение индукционных токов приводит к неравномерному нагреву деталей: поверхностные слои очень быстро нагреваются до высоких температур, а сердцевина или совсем не нагревается или нагревается незначительно, благодаря теплопроводности стали.

Для количественной оценки явления поверхностного эффекта введено понятие глубины проникновения тока 8 (дельта). При этом считают, что переменный ток протекает только в поверхностном слое, толщина которого равна глубине проникновения тока, и имеет на этой глубине равномерную плотность.

Глубина проникновения тока или толщина слоя определяется по формуле:

где р — удельное электрическое сопротивление, Ом-мм²/м; р — магнитная проницаемость, Гс/Э; f- частота тока, Гц.

Следовательно, с увеличением частоты глубина проникновения индукционных токов уменьшается (рис. .103, таблица 10.4.). Если менять частоту тока, то можно в широких пределах изменять глубину проникновения 8, а, следовательно, и толщину слоя, по которому идет ток, вызывающий нагрев поверхности закаливаемой детали.

Из приведенных в табл., данных следует, что с повышением температуры нагрева металла глубина проникновения тока растет и достигает наибольшего значения при температуре потери магнитных свойств — точки Кюри.

Таблица 10.4

Глубина проникновения тока в металл при различных частотах

Частота тока, Гц

Глубина проникновения тока, см

Сталь 45

Электролитическая

медь

при t=15°C,

Р =2-10 -50м-см, ^ =40 Гс/Э

при t =800°С,

Р =10 — 4 Ом-см, ^=1 Гс/Э

при t =15°С,

Р = 1,8. =1 Гс/Э

0,5

7.0

1,0

2500

0,067

1.0

0,13

10000

0.034

0,5

0,07

100000

0,011

0.16

0,022

1 000 000

0,0034

0,05

0,007

С ростом температуры нагрева (рис. 10.7.) стальных деталей удельное сопротивление р возрастает и выше 1000°С достигает своего максимального значения.

Рис. 10.7. Кривые изменения магнитной проницаемости и удельного электрического сопротивления стали 45 в зависимости от температуры нагрева

Магнитная проницаемость в интервале 600…700°С почти не зависит от температуры, но при дальнейшем ее повышении резко падает и достигает минимального значения, равного магнитной проницаемости вакуума ( jli =1).

Для практических расчетов глубину проникновения 8 тока в металл вычисляют по упрощенным формулам: для стальных деталей при температуре 15° С:

мм и при температуре 760° С , мм

Где: S- глубина проникновения тока, мм; f- частота тока, Гц.

Для большинства сталей магнитные превращения протекают в интервале критических температур 765-780° С, при которых магнитная проницаемость резко падает и становится равной единице. После потери сталью магнитных свойств с образованием аустенита глубина проникновения тока резко возрастает.

Наибольшее значение глубины проникновения тока называют горячей глубиной проникновения и обозначают _ГОр- Приближенно она может быть определена по упрощенной формуле:

Зная зависимость глубины проникновения тока от температуры, процесс индукционного нагрева стали можно представить по следующей схеме.

В первый момент начинается, нагрев стали в тонком поверхностном слое, равном глубине проникновения тока в холодный металл. После потери этим слоем магнитных свойств, глубина проникновения тока возрастает и нагревается слой, расположенный глубже. Повышение температуры в первом нагретом слое замедляется.

После потери магнитных свойств вторым слоем начинает быстро нагреваться третий слой и т.д. Пределом роста глубины проникновения тока является горячая глубина проникновения.

Повышение температуры в слое с горячей глубиной проникновения происходит за счет индуктированных токов, а в более глубоких слоях — в основном за счет теплопроводности.

Этот процесс нагрева объясняет причину быстрого распространения тепла при нагреве ТВЧ, в связи с изменениями магнитных свойств. На рис. 10.5 изображен график индукционного нагрева, из которого видно, что более быстрый нагрев происходит при температурах ниже точки Кюри (769°С). Выше этой критической точки нагрев замедляется в связи с потерей сталью магнитных свойств и фазовыми превращениями.

Существует три основных способа поверхностной индукционной закалки в зависимости от размера, формы детали и некоторых специальных требований нагрева: одновременный, непрерывно последовательный и последовательный (поочередный).

Рис. 10.8. График индукционного нагрева

Емкостное и индуктивное сопротивление в цепи переменного тока.

Основные ссылки

CSS adjustments for Marinelli theme

Объединение учителей Санкт-Петербурга

Форма поиска

Поиск

Вы здесь

Главная » Емкостное и индуктивное сопротивление в цепи…

Емкостное сопротивление в цепи переменного тока
При включении конденсатора в цепь постоянного напряжения сила тока I=0, а при включении конденсатора в цепь переменного напряжения сила тока I ? 0. Следовательно, конденсатор в цепи переменного напряжения создает сопротивление меньше, чем в цепи постоянного тока.
Мгновенное значение напряжения равно . Мгновенное значение силы тока равно: Таким образом, колебания напряжения отстают от колебаний тока по фазе на π/2.
Т.к. согласно закону Ома сила тока прямо пропорциональна напряжению, то для максимальных значений тока и напряжения получим: , где — *емкостное сопротивление.*
Емкостное сопротивление не является характеристикой проводника, т.к. зависит от параметров цепи (частоты).
Чем больше частота переменного тока, тем лучше пропускает конденсатор ток (тем меньше сопротивление конденсатора переменному току).
Т.к. разность фаз между колебаниями тока и напряжения равна π/2, то мощность в цепи равна 0: энергия не расходуется, а происходит обмен энергией между источником напряжения и емкостной нагрузкой. Такая нагрузка наз. реактивной.
Индуктивное сопротивление в цепи переменного тока
В катушке, включенной в цепь переменного напряжения, сила тока меньше силы тока в цепи постоянного напряжения для этой же катушки. Следовательно, катушка в цепи переменного напряжения создает большее сопротивление, чем в цепи постоянного напряжения.
Мгновенное значение силы тока:
Мгновенное значение напряжения можно установить, учитывая, что u = — ε_i, где u – мгновенное значение напряжения, а ε_i – мгновенное значение эдс самоиндукции, т. е. при изменении тока в цепи возникает ЭДС самоиндукции, которая в соответствии с законом электромагнитной индукции и правилом Ленца равна по величине и противоположна по фазе приложенному напряжению.
. Следовательно , где амплитуда напряжения. Напряжение опережает ток по фазе на π/2.
Т.к. согласно закону Ома сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональная сопротивлению, то приняв величину ωL за сопротивление катушки переменному току, получим: — закон Ома для цепи с чисто индуктивной нагрузкой.
Величина — индуктивное сопротивление.
Т.о. в любое мгновение времени изменению силы тока противодействует ЭДС самоиндукции. ЭДС самоиндукции — причина индуктивного сопротивления.
В отличие от активного сопротивления, индуктивное не является характеристикой проводника, т.к. зависит от параметров цепи (частоты): чем больше частота переменного тока, тем больше сопротивление, которое ему оказывает катушка.
Т.к. разность фаз между колебаниями тока и напряжения равна π/2, то мощность в цепи равна 0: энергия не расходуется, а происходит обмен энергией между источником напряжения и индуктивной нагрузкой. Такая нагрузка наз. реактивной.

Теги:

конспект

Волны и энергия – перенос энергии — Science Learning Hub

Добавить в коллекцию

+ Создать новую коллекцию

В волне движется материал, по которому движется волна. Однако сам материал не движется вместе с волной.

Рассмотрим поперечную волну на обтяжке. Любая заданная часть обтекателя движется вверх и вниз, но волна движется вдоль обтекателя. Энергия также путешествует по слинки. Волны переносят энергию из одного места в другое.

Визуализация взаимосвязи между волнами и энергией

Чтобы понять, как работают энергия и волны, представьте себе двух людей, держащих между собой обтягивающий шнурок. Люди, держащие облегающие, обеспечивают энергию для создания волн.

Люди, держащие облегающее платье, дают энергию для создания узоров. Чтобы сделать образец 1, люди должны трясти обтягивающий элемент вперед и назад с определенной скоростью. Чтобы сделать паттерн 2, слинки нужно перемещать вперед и назад быстрее (более высокая частота). Чтобы сделать паттерн 4, людям нужно двигать слинки туда-сюда намного быстрее. Сделать шаблон 1 гораздо проще, чем шаблон 4, потому что он требует меньше энергии. Это иллюстрирует взаимосвязь между частотой и энергией: чем выше частота, тем выше энергия.

Длина волны и частота

В образце 1 есть одна полная волна. Паттерн 3 состоит из двух полных волн, а паттерн 4 — из 2,5 полных волн. Это показывает взаимосвязь между частотой и длиной волны. Чем выше частота, тем короче длина волны. Зависимость между длиной волны и частотой называется обратной зависимостью, потому что с увеличением частоты длина волны уменьшается.

Энергия и амплитуда

Образцы 5 и 6 имеют одинаковую длину волны и частоту, но отличаются амплитудой. Чтобы создать фигуру 6, люди должны перемещать обтягивающее тело вперед и назад дальше, чем для фигуры 5. Для создания фигуры 6 требуется больше энергии, чем для фигуры 5. Это иллюстрирует взаимосвязь между энергией и амплитудой волны. Чем выше амплитуда, тем выше энергия.

Подводя итог, волны несут энергию. Количество энергии, которую они несут, связано с их частотой и амплитудой. Чем выше частота, тем больше энергии, и чем выше амплитуда, тем больше энергии.

Вы можете сделать эти узоры самостоятельно, выполнив задание «Исследование волн и энергии».

Природа науки

Иллюстрации в этой статье представляют собой модели волн. Модель – это представление объекта, идеи, системы или процесса. Обучение осмыслению моделей и диаграмм является частью научной способности «Интерпретировать представления».

Сопутствующее содержание

Статья Волны и энергия – основы волн содержит дополнительную информацию о поперечных и продольных волнах, включая словарный запас.

Статья «Волны как перенос энергии» содержит более подробную информацию для студентов, работающих на более высоких уровнях учебной программы.

Упражнение «Создание мексиканских волн» демонстрирует энергию и поведение волн.

Добавить 0 шт. в коллекцию

+ Создать новую коллекцию

Скачать 0 шт. 002 Пропустить навигацию (нажмите 2)

Домой
О RXTE

Кто такой Бруно Росси?

История RXTE
Проливая новый свет на Вселенную
Открытия RXTE
Изображения и видео
Для преподавателей

«Отправляйтесь в путешествие вместе с RXTE»
Путешествие по небу ASM

Прочие ресурсы

Частота, длина волны и энергетическая активность

Автор J. Allie Hajian

1. Единичный анализ

Иногда требуется выразить измерение в других единицах. Например,
говоря о том, как далеко что-то находится, иногда может быть полезно
сказать, что это определенное РАССТОЯНИЕ (Нью-Йорк находится в 300 милях отсюда), а иногда
полезнее использовать ВРЕМЯ, чтобы выразить, как далеко он находится (Нью-Йорк
6 часов езды отсюда). Конечно мили не равны часам ,
поэтому должен быть какой-то способ конвертировать из одного в другое. В этом случае
преобразование скорость : если автомобиль едет со средней скоростью 50 миль/час,
тогда он может проехать 300 миль за 6 часов. Для этой постоянной скорости 300 миль
равняется 6 часам.

Проблема

1. Если вы идете со скоростью четыре мили в час, а ваш друг живет две
миль, как далеко ее дом
а. в милях
б. в минутах, если вы идете
c. в минутах, если вы едете со средней скоростью 25 миль в
час

Точно так же различные единицы могут быть использованы для характеристики
свет. Мы можем ссылаться на свет по его длине волны , его частоте ,
или его энергия . Это похоже на разговор о расстоянии в единицах
миль или часов.

2. Длина волны —> Частота

Световые волны распространяются с постоянной скоростью. Из-за этого есть один к одному
связь между длиной волны света и его частотой. Если волны короткие,
их должно быть больше за определенное время, чтобы пройти то же расстояние
за это время (с той же скоростью).

Проблемы

1. Скорость света составляет 186 000 миль в секунду. Какова частота
свет с длиной волны три фута? два дюйма? 1/1 000 000 дюймов?
одна миля?

2. Какова длина волны радиоволн вашей любимой радиостанции?
(ПОДСКАЗКА: частота радиостанций равна числу станций, умноженному на
1 000 000 Гц. Итак, WAMU — национальное общественное радио — на частоте 88,5 FM — это
88 500 000 Гц. Теперь воспользуемся тем, что длина волны равна
скорость света, постоянная, деленная на частоту. )

3. Частота —> Энергия

В 1900 году Планк обнаружил прямую связь между
частота фотона и его энергия:

E = ч ню

Чем выше частота света, тем выше его энергия. Мы знаем из
проблемы выше, что более высокие частоты означают более короткие длины волн. Мы также можем
говорят, что E = h c / lambda. Высокочастотный свет имеет короткие длины волн и высокую
энергия. Рентгеновские лучи или гамма-лучи являются примерами этого. Радиоволны являются примером
свет с большой длиной волны, низкой частотой и низкой энергией.

Точно так же галлоны бензина, которые вы заправляете в свой автомобиль, и стоимость
газа пропорциональны:
то же значение, умноженное на константу (цена галлона газа). Если вы
знаете постоянную (цена за галлон) и знаете количество галлонов,
Вы можете посчитать, сколько стоит газ. Или, если вы знаете, сколько газа
стоимость, вы можете рассчитать, сколько газа было куплено.