Вихрові струми

У масивних провідниках при зміні потоку, що їх пронизує, індукуються замкнені електричні струми, які називаються вихровими або струмами Фуко. Вихрові струми виникають під час руху масивних провідників у магнітному полі або при розміщенні їх у змінних магнітних полях.

Вихрові струми при русі провідників створюють гальмівну силу, пропорційну швидкості руху.

Вони підлягають законам Ома та Джоуля–Ленца, що зумовлює сильне нагрівання масивних частин електромагнітних пристроїв, оскільки кількість теплоти, що виділяється, пропорційна квадрату вихрового струму.

Вихрові струми використовуються для індукційного нагрівання в металургії, для плавки у вакуумі, для отримання спеціальних сплавів, сталей, надчистих матеріалів тощо. Вони широко застосовуються в побутовій техніці.

Індукційні ефекти застосовуються в пристроях електромагнітного гальмування, безконтактної передачі обертання, у заспокоювачах різних приладів та елеме­нтів автоматики, а також в синхронних та лінійних двигунах.

В електричних машинах, трансформаторах та інших електромагнітних приладах вихрові струми спричиняють великі втрати енергії, які пропорційні квадрату частоти зміни магнітного поля.

Щоб запобігти цьому, магнітні кола цих пристроїв виготовляють з окремих тонких листів металу, ізольованих один від одного спеціальним лаком. Площини пластин, з яких складаються магнітні кола, розміщують перпендикулярно вихровим струмам, що збільшує електричний опір магнітного кола. Магнітні кола і осердя електричних установок, що працюють на високих частотах, виготовляють із магнітодіелектриків – феритів.

Скін-ефект (поверхневий ефект) – явище, витіснення швидкозмінного струму до поверхні провідника. Струми високої частоти (при частоті струму близько 10⁵–10⁷ Гц) течуть у тонкому поверхневому шарі провідника. Товщина шару мідного провідника становить 10^–2–10^–3 см. Внаслідок цього збільшується ефективний опір провідника змінному струму (у декілька разів), що призводить до його нагрівання. Тому в радіотехніці на високих частотах використовують спеціальні провідники (ліцендрати), які складаються з багатьох тонких провідників, а в електричних колах високої частоти – провідники у вигляді трубок із тонкими стінками.

У результаті скін-ефекту нагрівання відбувається тільки в тонкому поверхневому шарі. Це явище використовують для поверхневого гартування металів.

Самоіндукція

Самоіндукцією називається явище виникнення ЕРС електромагнітної індукції в провідному контурі при зміні в ньому електричного струму.

. (12.10.)

Індукція магнітного поля струму, відповідно до закону Біо–Савара–Лапласа, прямо пропорційна до сили струму. Тому магнітний потік крізь поверхню, обмежену контуром зі струмом, буде також пропорційним до струму:

, (12.11.)

де – коефіцієнт пропорційності.

Індуктивність замкненого провідного контуру – фізична величина, що чисельно дорівнює відношенню магнітного потоку Ф до сили струму в замкненому контурі.

Індуктивність вимірюється у генрі. 1 Гн – це така індуктивність, що дорівнює магнітному потоку, зумовленому струмом 1 А.

Індуктивність (коефіцієнт самоіндукції) контуру

. (12.12.)

Індуктивність соленоїда довжиною , площею , що має витків:

, (12.13.)

де – об’єм соленоїда, – кількість витків на одиницю довжини.

Індуктивність залежить від форми, розмірів контуру (соленоїда) та магнітних властивостей середовища.

Індуктивність контуру є мірою його інертності відносно зміни струму.

Індуктивність при послідовному сполученні контурів

. (12.14.)

Індуктивність при паралельному сполученні контурів

. (12.15.)

Якщо контур зі струмом не деформується і магнітна проникливість середовища не змінюється, тобто , то ЕРС самоіндукції

. (12.16.)

Знак мінус, зумовлений правилом Ленца, показує, що наявність у контурі індуктивності призводить до повільнішої зміни струму в ньому. Якщо струм у контурі зменшується, і . ЕРС протидіє зменшенню струму в колі і індукційний струм підтримує основний струм. Якщо струм у контурі збільшується, і . ЕРС протидіє зростанню струму. Індукційний струм напрямлений проти основного струму.