渦電流とは？

渦（うず）電流という言葉をどこかで聞いたことがあるのではないでしょうか。IH調理器の説明や「アルミは磁石にはくっつかないのに磁石を動かすとアルミが動く」という実験などで渦電流という言葉を聞かれた方も多いのではないかと思います。ここでは、渦電流とは何なのかの説明とその応用例について述べたいと思います。

図１渦電流の発生

図２ 発生する電流の向き

鉄、銅、アルミなどの金属板に磁石を近づけると、図１のように金属板の内部に渦のような電流が流れます。これを渦電流と名付けています。
磁場の中で電線を移動させると電磁誘導^*という現象が起き、電線に電流が流れます。渦電流の向きについては、図２のように金属板を磁石に近づけた方が分かり易いと思います。金属板のある点での磁力線の方向（金属板移動方向に垂直な磁力線成分）を赤の矢印、金属板の移動方向（上向き）を緑の矢印で表すと「フレミングの右手の法則」から電流は青の矢印の向きに流れることになります。金属板のいろいろな位置で電流が発生するので、全体では渦のように回転する電流になります。

渦電流発生についての別の説明をします。電磁誘導によって誘起される起電力の方向についてはレンツの法則があり、「磁束（磁力線と考えてもよい）が変化するとき，その磁束変化を妨げるような電流を流すような起電力が発生する」というものです。すなわち、金属板を上方向に移動すると磁石からの磁力線と反対方向（下方向）の磁力線が発生します。その磁力線は金属板の中の起電力によるもので、また、この起電力により渦電流が流れます。渦電流の向きとこの磁力線の方向は右ネジの法則に合ったものとなっています。

図３渦電流選別機の原理
（山信金属工業株式会社HPに加筆）

１．渦電流の応用【渦電流選別機】
渦電流選別機はアルミ、銅、鉄、プラスチック、紙などが混ざったゴミを分別するものです。図３のように磁石のN極とS極を交互に配置したマグネットを高速回転させると、ローター表面の磁場が次々に入れ替わり、強力な回転磁場が生じます。ベルトコンベアーに載せたアルミや銅などはこの回転磁場により渦電流が発生し、それによる磁場とローターの磁場は反対方向になるので反発し、はじき飛ばされます。鉄も渦電流が発生し磁場が生じますが、磁石の吸引力の方が強いのでそのままベルトコンベアーにくっついて流れ、ローターから離れて磁力が小さくなったところで落ちます。プラスチック、紙などの非金属は渦電流が発生しないし、磁石にもくっつかないのでそのまま落ちます。

図４ IH調理器の原理

２．渦電流の応用【IH調理器】
IHとは電磁誘導加熱（Induction Heating）のことです。
図４にIH調理器の原理を示します。IH調理器の鍋を置く面（トッププレート）の下に磁力線発生コイルが入っています。このコイルには20kHz～90kHzの交流電流が流れ、磁力線（中間周波電磁場）が発生します。この電磁場により、トッププレートの上の鍋の底に渦電流が流れます。鍋には電気抵抗がありますので、渦電流の流れにより発熱（ジュール熱と言います）します。これによりIH調理器となります。なお、電子レンジは2.45GHzのマイクロ波を発生させて、水や食品（食品の中にある水）を直接温めます。
IH調理器の鍋の材料には使用できるものとできないものがあります。鉄や磁石にくっつくステンレスは問題ありません。銅やアルミは、鉄より透磁率が低いため（1000分の1以下）磁束は余り吸収されないことと、電気抵抗が低いため同じ電流でも発熱が少ないことにより効率のよい加熱はできません。銅やアルミなどの鍋も使えるオールメタル対応のIH調理器は、コイルに流す交流電流の周波数を上げることで効率を上げたものです。ガラスや土鍋は渦電流が発生しないので使用できません。

図５ アラゴの円盤の原理

図６ 積算電力計の構造 （『最新 小型モータのすべてがわかる』 （見城尚志ほか著・技術評論社刊）p107より）

３．渦電流の応用【積算電力計】
渦電流の応用の一つに、各家庭の電気メーターでアルミの円盤がくるくる回っている積算電力計（誘導型電力量計）というものがあります。
まず始めに、アラゴの円盤について説明します。アラゴの円盤とは丸いアルミ板あるいは銅板の近くに磁石を置き、その磁石を図５のように回転させるとそれに引っ張られるように円盤が回転するものです。磁石を反時計方向に回転すると、フレミングの右手の法則により、磁石が進む方向と離れる方向に渦電流が発生します。一方は磁力線が増加、もう一方は減少になるので渦電流は逆方向に流れ、両者の中間には円盤の外側に向かう電流が流れることになります。 次に、フレミングの左手の法則に沿って、磁石の磁力線と円盤に誘導された電流により円盤へ力が加わり、円盤は反時計方向に回転します。
積算電力計では、アラゴの円盤に対して磁石を回転させるのではなく、工夫をこらした２種のコイルで磁石が回転するのと同じような磁力線を作ります。図６に概念図を示しますが、電圧コイルと電流コイルとはインダクタンスが違い、それによって電流位相がほぼ90°異なっているため回転磁場が発生します（回転磁場がどのように生じるかについては割愛させていただきます）。円盤の回転数が電圧、電流、力率の積、すなわち有効電力に比例するため、回転数を計測することにより使用電力量を求めることができます。
円盤が回転すると直ぐには止まらないので、電気を切っても回り電気代が増えてしまうと心配されるかも知れませんが、別の場所に永久磁石が配置されていてブレーキとなり電気が流れないと直ぐに停止します。