Вихрові струми. Скін–ефект

У масивних провідниках зі зміною магнітного потоку, що пронизує їх, індукуються замкнені електричні струми, які називають вихровими струмами. Французький фізик Л. Фуко вперше в 1855р. виявив, що вихрові струми сильно нагрівають провідники і запропонував спосіб їх зменшення, тому вихрові струми звичайно називають струмами Фуко. Фізична природа цих струмів така сама, як і довільних індукційних струмів. Вихрові струми виникають або під час руху масивних провідників у магнітному полі, або при розміщенні їх у змінних магнітних полях. Ці струми замикаються безпосередньо в об’ємі провідника у вигляді вихороподібних замкнених ліній. За правилом Ленца вихрові струми напрямлені так, що їхнє магнітне поле протидіє змінам потоку магнітної індукції, який спричинив виникнення вихрових струмів. Це можна спостерігати, наприклад, під час руху магніту над провідною поверхнею. При цьому вихрові струми створюють гальмівну силу, пропорційну швидкості руху. Наочно продемонструвати дію вихрових струмів можна за допомогою маятника із товстого листового алюмінію (або міді), що коливається між полюсами сильного електромагніту (рис. 3.3, а). Якщо струму в обмотці електромагніту немає, то маятник виконує коливання, які затухають досить повільно.

Якщо ввімкнути струм, то коливання починають швидко затухати. Коли магнітне поле досить сильне, то коливання маятника стають аперіодичними – відхилений маятник повертається в положення рівноваги досить повільно. Це явище використовують для зменшення коливань рухомих систем

Рис.3.3 електровимірювальних приладів.

Затухання коливань маятника в магнітному полі зменшується, якщо збільшити електричний опір маятника індукційним струмам. Це можна здійснити, якщо на маятнику вирізати велику кількість вузьких поперечних вирізів (рис. 3.3, б).

Струми Фуко в одних випадках відіграють корисну роль, в інших – шкідливу. Відповідно в першому випадку їх намагаються збільшити, у другому – зменшити. Корисну роль вихрові струми відіграють в роторах асинхронних електричних двигунів, оскільки в основі їхнього принципу роботи лежить явище виникнення струмів Фуко. Використовуючи змінні магнітні поля, можна зумовити появу значних вихрових струмів і за допомогою їх нагрівати або плавити метали. В окремих випадках цей спосіб зручніший порівняно з іншими. Разом з тим в осередях електромагнітів, трансформаторів, інших електротехнічних пристроїв виникнення значних вихрових струмів є шкідливим, оскільки призводить до їх перегрівання, втрати електричної енергії. У цих випадках намагаються зменшити вихрові струми переважно способом набору осередь з окремих тонких пластинок магнітного матеріалу, ізольованих одна від одної тонкою плівкою діелектрика, створеного на поверхнях пластинок.

Одним із проявів електромагнітної індукції є явище скін–ефекту. Постійний струм в однорідному провіднику розподіляється рівномірно по площі поперечного перерізу. Під час проходження по провіднику змінного струму в його об’ємі виникають вихрові струми, що спричиняє підсилення струму біля поверхні провідника і послаблення вздовж центральної осі. Явище концентрації змінного струму в поверхневому шарі провідника називають скін–ефектом. Розглянемо механізм виникнення скін – ефекту. Візьмемо циліндричний провідник зі струмом (рис. 3.4). Всередині провідника і навколо нього виникає магнітне поле, лінії індукції якого являють собою замкнені кола з центрами на осі провідника. Зі збільшенням струму наростає з часом й індукція магнітного поля . За законом електромагнітної індукції (3.1) зміна в часі магнітного поля зумовлює виникнення вихрового електричного поля, силові лінії напруженості якого є замкненими і лежать у площині, перпендикулярній до площини ліній магнітного поля.

Біля поверхні провідника напрямок напруженості вихрового електричного поля збігається з напрямком напруженості електричного поля струму, а біля осі ці вектори напрямлені протилежно. Внаслідок цього густина струму біля поверхні провідника збільшується, а вздовж осі – зменшується. Виникає скін–ефект.

Як показує теорія скін–ефекту, товщина шару провідника, в якому концентрується змінний струм, значною мірою

Рис.3.4 залежить від частоти струму. При частотах 10⁵—10⁷ Гц ця

товщина для мідного провідника становить 2∙10^-2—2∙10^-3 см.

Це означає, що високочастотний струм в не дуже тонких провідниках проходить практично в невеликій частині поперечного перерізу біля поверхні провідника. Внаслідок цього збільшується ефективний опір провідника змінному струмові. Для промислових частот (50 Гц) скін–ефект не має істотного значення, для радіочастот (10⁸—10¹⁰ Гц) він стає досить помітним. Тому в радіотехніці використовують спеціальні провідники (ліцендрат), які складаються з багатьох тонких провідників, ізольованих між собою. Оскільки у внутрішніх частинах провідників в електричних колах з високочастотним струмом струм майже не проходить, то їх часто виготовляють у вигляді трубок з тонкими стінками або ж наносять на провідник з довільного матеріалу тонкий шар металу з високою провідністю (золото, срібло).