Kada se magnećenje feromagnetnih materijala vrši naizmeničnom, a to je slučaj kod transformatora, električnih mašina i svih drugih uređaja koji koriste naizmeničnu struju, nastaju gubici energije usled pojave pojave vrtložnih struja. Ovi gubici se još i zovu gubici u gvožđu.
Gubici energije u magnetnom kolu usled vrtložnih struja
Vrtložne, vihorne struje poznate su još i pod nazivom Fukoove struje. To su struje indukovane u masivnim provodnicima. Dobile su naziv po francuskom fizičaru Leonu Fuko-u koji je poznat još i po Fukoovo klatnu, klatno pomoću koga je dokazao da se Zemlja okreće oko svoje ose.
Feromagnetni materijali od kojih se prave magnetna kola, imaju i to svojstvo da su dobri električni provodnici. Imajući to u vidu, interesantno je razmotriti, šta se događa u poprečnom preseku magnetnog kola, kada se kroz njega zatvara naizmenični fluks, kad je gustina magnetnog fluksa u svim tačkama preseka jednaka (Slika br.1a).
Slika br.1 Vrtložne struje u: a) Punom magnetnom kolu i b) Magnetnom kolu sačinjenom od limova.
S obzirom na osobinu električne provodnosti feromagnetnog materijala, čitav poprečni presek može se posmatrati kao zbir, proizvoljno mnogo, provodnih kontura. Prema Faradejevom zakonu elektromagnetne indukcije, u svakoj od tih provodnih kontura, zbog promenljivog fluksa, indukovaće se elektromotorna sila – EMS što će, s obzirom da su provodne konture zatvorene, u njima izazvati pojavu struja, i to takvog smera da iste teže da stvore sopstveno polje, koje će uticati na suzbijanje promene fluksa, koji ih je uzrokovao.
Takve struje nazivaju se vrtložne (vihorne) struje. S obzirom da svaka provodna kontura pruža otpor proticanju struje kroz nju, očigledno je da vrtložne struje uzrokuju pretvaranje dela energije u toplotu, prema Džulovom zakonu. Snaga tih gubitaka, obično se označava sa PF, i naziva se snaga gubitaka usled vrtložnih struja (gubici usled vihornih struja). Otpornost kojom se strujna kontura suprostavlja proticanju vrtložne struje utoliko je veća ukoliko je njena dužina veća. Sa rastom otpornosti, opada snaga gubitaka, jer, pri istoj EMS-i, struja opada, a gubici su direktno proporcionalni kvadratu struje. Iz ovog razloga, kao mera za sniženje gubitaka usled vrtložnih struja, primenjuje se mera izvođenja magnetnih kola od tankih limova, koji su među sobom izolovani (Slika br.1b). Što su limovi tanji, to su, za: istu masu, istu učestanost f i isto Bm, gubici usled vrtložnih struja manji. Takođe, da bi smanjile vrtložne struje, gvožđe se meša sa niskim procentom silicijuma.
Gubici usled vrtložnih struja, po jedinici mase, mogu se izraziti kao:
gde je σ koeficijent snage gubitaka usled vrtložnih struja, koji karakteriše svojstva materijala feromagnetnog kola. U katalozima proizvođača, navodi se podatak o gubicima usled vrtložnih struja po jedinici mase, za standardnu učestanost i konstantnu maksimalnu indukciju.
Primena vrtložnih struja
Postoje slučajevi kada je vrtložna struja korisna. Pomoću vrtložne struje se topi gvožđe, tako što se u keramičku posudu stavljaju komadi gvožđa, a kroz navoj oko lonca se propušta naizmenična struja. Promenljiva struja stvara promenljivo elektromagnetno polje, što proizvodi vrtložne struje, koje zagrevaju i tope materijal u posudi. Ovako istopljeno gvožđe može da se lije u kalupe. Po istom principu se topi i zlato koje se koristi u stomatologiji. Vrtložnie struje se još koriste i za direktno zagrevanje provodnog materijala kod indukcione peći.
Vrtložne struje imaju primenu u izradi vrtložnih kočnica, kod šinskih vozila, rolerkostera i asinhronih mašina. Koriste se i za ispitivanje defekata kao što su naprsline, na materijalima, tako što se meri vrtložna struja, koja ima prekide u koliko postoji defekt.
