渦電流
渦電流は、導体内部に時間的に変化する磁束が貫入するとき、導体内に環状（渦）の経路をもって自発的に流れる誘導電流である。ファラデーの電磁誘導とレンツの法則に従い、磁束変化に抗う向きに循環電流が形成される。交流磁場中の金属塊、移動する導体、あるいは鉄心をもつ電磁機器の局所では必然的に発生し、エネルギー損失（ジュール損失）、力（ブレーキ力）、加熱などの工学的効果をもたらす。変圧器・回転機では損失低減の設計対象となり、非破壊検査や誘導加熱では積極的に利用される現象である。
発生原理と基礎法則
時間変化する磁束密度Bが導体を貫くと、マクスウェル方程式の∇×E＝−∂B/∂tから回転電場Eが生じ、オームの法則J＝σEにより導体内に電流密度Jが循環する。これが渦電流である。電流の向きはレンツの法則により、元の磁束変化を打ち消す方向に定まる。導体が速度vで磁束密度B中を運動する場合は、起電力項v×Bが付加され、J＝σ(E＋v×B)で表される。結果として導体内部には磁場拡散の方程式（∂B/∂t＝(1/μσ)∇²B）が成り立ち、周波数・材料定数に応じた空間分布を示す。
材料定数とスキン効果
渦電流の強さは導電率σと透磁率μ、励磁角周波数ωに依存する。高σ・高μの材料ほど大きく流れやすい。交流ではスキン効果により表皮深さδ＝√(2/(ωμσ))までに電流が集中し、周波数上昇で有効断面が減少する。非磁性金属（銅・アルミ）はσが高く強い渦が生じ、磁性体（電磁鋼板）はμが大きく同様に影響が顕著であるが、後者ではヒステリシス損も付随する。
損失と発熱：設計指標
渦電流損は体積V、板厚t、磁束密度振幅B、周波数fに対し概ねP_e∝V·t²·B²·f²で増大する（低周波・薄板近似）。変圧器やモータ鉄心では、板厚を薄くした積層鉄心、Si添加による電気抵抗上昇、表面絶縁被膜などで損失を抑える。巻線・導体バーではリッツ線化や素線分割でスキン・近接効果を緩和し、高周波機器や電力変換器の効率を確保する。
機械的・力学的効果（ブレーキ・浮上）
導体が磁束中を運動すると、循環電流と磁場の相互作用J×Bにより抗力が発生する。磁気浮上列車の渦電流ブレーキ、遊戯施設・エレベータの非常停止機構、アルミロータの電磁制動などが典型例である。力は速度と磁束密度に依存し、接触を伴わないため摩耗が少なく応答が滑らかである。
応用① 非破壊検査（ECT）
コイルで交流磁場を印加し被検体に渦電流を誘起、コイルのインピーダンス変化や2次磁場を測定して欠陥・導電率・厚さを評価する。多周波化で表皮深さを切り替え、表面傷から内部欠陥まで探傷できる。導電性材料に限定されるが、塗膜下腐食の検出や航空機アルミ部材の疲労亀裂診断など実績が多い。
応用② 誘導加熱・溶解
高周波コイルにより金属内に渦電流を強制し、ジュール熱で迅速に加熱する。表面焼入れ、ろう付け、アルミ溶解、食品容器のシールなど用途は広い。スキン効果により加熱深さが制御しやすく、雰囲気汚染が少ないためクリーンで高効率な熱源となる。
応用③ 渦電流分離・検針・センシング
アルミ・銅など非鉄金属は渦電流反発力を受けやすく、磁選機では廃棄物中から非鉄金属を分離できる。メータ類では回転円板に生じる渦電流トルクを利用した機械式積算、近接センサでは金属接近に伴うコイルQ値低下を検出するなど、産業計測にも広く使われる。
抑制技術（電磁機器・構造物）
鉄心の積層化・スロット分割・コアカット、シールドのスリット加工、導体形状の細線化やツイスト化、導電率の低い材の採用、周波数設計などが代表的手法である。計測機器では不要結合を避けるためガードや高抵抗材料の介在を用いる。渦流シールドは高周波ノイズ低減に有効だが、低周波磁界にはμの高い材料を併用する。
数式モデルと解析手法
定式化はマクスウェル方程式と材料式からなり、準静的近似ではスカラポテンシャルやベクトルポテンシャルAを用いて∇×(ν∇×A)+σ∂A/∂t＝J_sを解く。有限要素法（FEM）や境界要素法（BEM）で形状依存の渦電流分布・損失・力を評価でき、周波数領域解法では複素透磁率・複素導電率の導入でスキン効果を簡潔に扱う。
代表的な設計トレードオフ
損失低減のための板厚低減は機械強度やコストに影響し、スリット加工は磁気抵抗を増やして主磁束にも影響する。高周波化は電源やEMCの課題を増やす一方で、磁気部品の小型化・高速応答を可能にする。用途ごとに損失・力・加熱・遮蔽の要件を整理し、最適化することが重要である。
典型例と実務的指標
- 変圧器鉄心：電磁鋼板の積層、Si含有でσ低下・損失低減、周波数に応じた板厚選定。
- 回転機ロータ：導体バーの分割・リッツ線化で近接効果抑制。
- 渦電流ブレーキ：磁束分布の均一化と冷却設計、低速域の制動力補完。
- 非破壊検査：表皮深さδと探傷深さの整合、プローブ形状と位相・振幅評価。
- 誘導加熱：周波数と加熱深さの整合、カップリング係数と効率の両立。
用語メモ
表皮深さδ、導電率σ、透磁率μ、渦電流損P_e、起電力v×B、ジュール加熱、J×B力、準静的近似、複素透磁率、非破壊検査（ECT）などを併記しておくと整理しやすい。
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