Вихрові струми (струми Фуко). Скін-ефект

Індукційний струм виникає не тільки в лінійних провідниках, але і в масивних провідниках, поміщених в змінне магнітне поле. Ці струми виявляються замкненими в товщі провідника і тому називаються вихровими. Їх також називають струмами Фуко – на ім'я першого дослідника.

Вихрові струми підкоряються правилу Лєнца: їх магнітне поле направлено так, щоб протидіяти змінюванню магнітного потоку, що індукує вихрові струми. Наприклад, якщо між полюсами невключеного електромагніту масивний мідний маятник здійснює практично незгасаючі коливання, то при ввімкненні струму він дуже гальмується і дуже швидко зупиняється. Це пояснюється тим, що виниклі струми Фуко мають такий напрям, що діючі на них з боку магнітного поля сили гальмують рух маятника. Цей факт використовується для заспокоєння (демпфування) рухомих частин різних приладів. Якщо в описаному маятнику зробити радіальні вирізи, то вихрові струми ослабляються і гальмування майже відсутнє.

Вихрові струми крім гальмування (як правило, небажаного ефекту) викликають також нагрівання провідників. Тому для зменшення втрат на нагрівання якоря генераторів і сердечники трансформаторів роблять не суцільними, а виготовляють з пластин, відокремлених одна від одної шарами ізолятора, і встановлюють їх так, щоб вихрові струми були направлені упоперек пластин. Джоульова теплота, що виділяється струмами Фуко, використовується в індукційних металургійних печах. Індукційна піч є тиглем, що поміщається всередину котушки, в якій пропускається струм високої частоти. В металі виникають інтенсивні вихрові струми, здатні розігріти його до плавлення. Такий спосіб дозволяє плавити метали у вакуумі, внаслідок чого отримують надчисті матеріали.

Вихрові струми виникають і в проводах, по яких тече змінний струм. Напрям цих струмів можна визначити за правилом Лєнца. На рис. 17.1,а показаний напрям вихрових струмів при зростанні первинного струму в провіднику, а на рис. 17.1,б – при його спаданні. В обох випадках напрям вихрових струмів такий, що вони протидіють змінюванню первинного струму усередині провідника і сприяють його змінюванню поблизу поверхні. Таким чином, внаслідок виникнення вихрових струмів швидкозмінний струм виявляється розподіленим по перерізу проводу нерівномірно – він як би витісняється на поверхню провідника. Це явище отримало назву скін-ефекту (від англ. skin – шкіра) або поверхневого ефекту. Оскільки струми високої частоти практично протікають в тонкому поверхневому шарі, то проводи для них виготовляють порожнистими.

Рис. 17.1

Якщо суцільні провідники нагрівати струмами високої частоти, то в результаті скін-ефекту відбувається нагрівання тільки їх поверхневого шару. На цьому заснований метод поверхневого гарту металів. Змінюючи частоту поля, він дозволяє проводити гарт на будь-якій необхідній глибині.