渦電流的原理和應(yīng)用

摘 要： 本文從渦電流產(chǎn)生和應(yīng)用利弊的角度對(duì)渦電流作了簡(jiǎn)要的介紹。

關(guān)鍵詞： 渦電流 原理 應(yīng)用

渦電流與我們的生產(chǎn)、生活有密切的聯(lián)系。小到微波爐、電磁爐、熱水器等生活用具，大到冶金、國(guó)防、機(jī)械加工等部門(mén)及鑄、鍛和船舶、飛機(jī)、汽車制造等行業(yè)中都有渦電流的應(yīng)用。

在高中物理中，學(xué)生會(huì)初步學(xué)習(xí)渦電流的知識(shí)，主要應(yīng)用于楞次定律和法拉第電磁感應(yīng)定律等理論分析，對(duì)于渦電流在實(shí)際生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用及其優(yōu)缺點(diǎn)卻沒(méi)有涉及。青少年學(xué)生喜歡探索科學(xué)，求知欲強(qiáng)，對(duì)神秘的電磁現(xiàn)象尤為感興趣。如果教師能夠在教學(xué)過(guò)程中適當(dāng)引入渦電流的應(yīng)用知識(shí)，就可以拉近理論與實(shí)際的距離，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的觀察思考能力，為學(xué)生的全面發(fā)展打下良好基礎(chǔ)。本文從渦電流產(chǎn)生和應(yīng)用利弊的角度，對(duì)渦電流作簡(jiǎn)要介紹。

一、渦電流的認(rèn)識(shí)

渦電流（又稱為傅科電流）現(xiàn)象，在1851年被法國(guó)物理學(xué)家萊昂·傅科所發(fā)現(xiàn)。是由于一個(gè)移動(dòng)的磁場(chǎng)與金屬導(dǎo)體相交，或是由移動(dòng)的金屬導(dǎo)體與磁場(chǎng)垂直交會(huì)所產(chǎn)生。簡(jiǎn)而言之，這是一種特殊的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，原因是：金屬處于變化的磁場(chǎng)（或在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)）時(shí)，穿過(guò)金屬導(dǎo)體內(nèi)自成閉合回路的磁通量發(fā)生變化，產(chǎn)生了一個(gè)在導(dǎo)體內(nèi)循環(huán)的電流。在劃槳的時(shí)候，帶起水面的局部漩渦，也是一種類似渦電流的情形。

如右圖所示：在一根導(dǎo)體外面繞上線圈，并把線圈通交流電，則線圈就產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。線圈中間的導(dǎo)體在圓周方向可以等效成一圈圈的閉合回路，由于穿過(guò)每個(gè)閉合回路的磁通量都在變化著，因此在相應(yīng)于這些回路中都將激起感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（這樣產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)屬于感生電動(dòng)勢(shì)），并形成環(huán)形的感應(yīng)電流，即渦電流。

由于金屬導(dǎo)體的電阻很小，渦電流很大，因此熱效應(yīng)極其顯著。并且可以知道感應(yīng)加熱是靠感應(yīng)線圈把電能傳遞給要加熱的金屬，然后電能在金屬內(nèi)部轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。感?yīng)線圈與被加熱金屬并不需要直接接觸，能量是通過(guò)電磁感應(yīng)傳遞的。理論分析表明：渦電流強(qiáng)度與交變電流的頻率成正比，根據(jù)焦耳定律的熱效應(yīng)公式Q=I2Rt，可知：渦電流產(chǎn)生的焦耳熱與交變電流頻率的平方成正比。

二、渦電流應(yīng)用之利

（一）利用渦電流的熱效應(yīng)我們可以加熱物體，其加熱的方法有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。

現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于金屬熔煉、透熱、熱處理和焊接等過(guò)程，服務(wù)于冶金、國(guó)防、機(jī)械加工等部門(mén)及鑄、鍛和船舶、飛機(jī)、汽車制造等行業(yè)中。此外，感應(yīng)加熱也已進(jìn)入到人們的家庭生活中，例如微波爐、電磁爐、熱水器等。

1.高頻感應(yīng)爐

高頻感應(yīng)爐簡(jiǎn)稱為高頻爐，在國(guó)外已廣泛應(yīng)用。近年來(lái)國(guó)內(nèi)發(fā)展亦很快，完全國(guó)產(chǎn)化的高頻爐已進(jìn)入市場(chǎng)，并取得良好的應(yīng)用效果。

其加熱方式是通過(guò)電子管振蕩電路產(chǎn)生高頻電磁場(chǎng)，然后加到樣品上，對(duì)樣品進(jìn)行感應(yīng)，產(chǎn)生渦電流，由于渦電流產(chǎn)生的焦耳熱與交變電流頻率的平方成正比，因此在高頻的作用下可產(chǎn)生大量的焦耳熱，使樣品迅速升溫熔化。

高頻感應(yīng)加熱是一種先進(jìn)的加熱方式，燃燒性能十分優(yōu)異。高頻感應(yīng)爐對(duì)樣品的適應(yīng)性強(qiáng)，對(duì)一些難于燃燒的特種材料，例如不銹鋼、高鉻、高錳鋼、電熱合金、烙鐵、礦石、爐渣、石墨、稀土材料及各種非金屬原材料等，均有很好的燃燒效果。

2.電磁爐

電磁爐（又名電磁灶）是現(xiàn)代廚房革命的產(chǎn)物，是無(wú)需明火或傳導(dǎo)式加熱的無(wú)火煮食廚具，完全區(qū)別于傳統(tǒng)所用的有火或無(wú)火傳導(dǎo)加熱廚具（爐具）。

電磁爐是通過(guò)電子線路板產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，當(dāng)用含鐵質(zhì)鍋具底部放置于爐面時(shí)，鍋具即切割交變磁力線而在鍋具底部金屬部分產(chǎn)生交變的電流（即渦流），渦流使鍋具鐵分子高速無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)，分子互相碰撞、摩擦而產(chǎn)生熱能（故：電磁爐煮食的熱源來(lái)自于鍋具底部而不是電磁爐本身發(fā)熱傳導(dǎo)給鍋具，所以熱效率要比所有炊具的效率均高出近1倍）使器具本身自行高速發(fā)熱，用來(lái)加熱和烹飪食物，從而達(dá)到煮食的目的。具有升溫快、熱效率高、無(wú)明火、無(wú)煙塵、無(wú)有害氣體、對(duì)周圍環(huán)境不產(chǎn)生熱輻射、體積小巧、安全性好和外觀美觀等優(yōu)點(diǎn)，能完成家庭的絕大多數(shù)烹飪?nèi)蝿?wù)。

（二）電磁阻尼效應(yīng)。

渦電流除了上面所講的熱效應(yīng)外，還可以起阻尼作用。如右圖所示，把一塊銅或鉛等非鐵磁性物質(zhì)制成的金屬板懸掛在電磁鐵的兩極之間，當(dāng)電磁鐵的線圈沒(méi)有通電時(shí)，兩極間沒(méi)有磁場(chǎng)，這時(shí)要經(jīng)過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間才能使擺動(dòng)的擺停止下來(lái)。當(dāng)電磁鐵的線圈中通電后，兩極間有了磁場(chǎng)，這時(shí)擺動(dòng)著的擺會(huì)很快停止下來(lái)。這是因?yàn)楫?dāng)擺朝著兩個(gè)磁極間的磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，穿過(guò)金屬板的磁通量增加，在板中產(chǎn)生了渦電流（渦電流得方向如圖中虛線所示），而它要受到磁場(chǎng)安培力的作用，其方向恰與擺的運(yùn)動(dòng)方向相反，所以阻礙擺的運(yùn)動(dòng)。同樣，當(dāng)擺由兩極間的磁場(chǎng)離開(kāi)時(shí)，磁場(chǎng)對(duì)金屬板的作用力的方向也與擺的運(yùn)動(dòng)方向相反，所以擺很快就停下來(lái)。磁場(chǎng)對(duì)金屬的這種阻尼作用，叫做電磁阻尼。

利用磁場(chǎng)對(duì)金屬板的這種阻尼作用，可制成各種電動(dòng)阻尼器，例如電磁儀表中使用的阻尼電鍵、電氣機(jī)車的電磁制動(dòng)器中的阻尼裝置，就是應(yīng)用渦電流實(shí)現(xiàn)其阻尼作用的。

三、渦電流應(yīng)用之弊

（一）渦流損耗。

渦電流應(yīng)用有利的一面，但是事物有利就有弊。在有些情況下，渦流的強(qiáng)度會(huì)很大，因而會(huì)有大量的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，造成能量的損失，這種能量損失稱為渦流損耗。所以，假如不是有意利用由渦流損耗轉(zhuǎn)變的熱能，我們總是設(shè)法抑制或減小渦流。

為了抑制渦流，在必須使用鐵芯的情況下，總是把鐵芯做成片狀，并在片與片之間涂敷絕緣材料，如低頻變壓器鐵芯就是這樣制成的。線圈所通電流的頻率越高，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)就越大，渦流就越強(qiáng)，每層鐵芯片應(yīng)做得越薄。當(dāng)電流的頻率再提高時(shí)，疊片鐵芯的渦流損耗也變得很大了，這時(shí)必須使用電阻率很大的鐵氧體芯。

如下圖所示，變壓器的鐵芯在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生渦流，增加能耗，并導(dǎo)致變壓器發(fā)熱。為了減少發(fā)熱，降低能耗，提高變壓器效率，一般不用整塊材料作鐵芯，而是把鐵芯材料首先軋制成很薄的板材，板材外面涂上絕緣材料，再把板材疊放在一起，形成鐵芯。這樣，變壓器在工作時(shí)，鐵芯中的每一片材料的回路都很小，渦流就降低了。

（二）趨膚效應(yīng)增加了電阻。

當(dāng)交變電流通過(guò)導(dǎo)線時(shí)，電流密度在導(dǎo)線橫截面上的分布將是不均勻的，并且隨著電流變化頻率的升高，電流將越來(lái)越集中于導(dǎo)線的表面附近，導(dǎo)線內(nèi)部的電流卻越來(lái)越小，這種現(xiàn)象稱為趨膚效應(yīng)。

引起趨膚效應(yīng)的原因就是渦流，當(dāng)交變電流通過(guò)導(dǎo)線時(shí)，在它的內(nèi)部和周圍空間就產(chǎn)生環(huán)狀的交變磁場(chǎng)，而在導(dǎo)線內(nèi)部的交變磁場(chǎng)激發(fā)了渦流。根據(jù)楞次定律可知，渦流的方向在導(dǎo)體內(nèi)部總是與電流的變化趨勢(shì)相反，而在導(dǎo)體表面附近，卻與電流的變化趨勢(shì)相同。于是，交變電流不易在導(dǎo)體內(nèi)部流動(dòng)，而易于在導(dǎo)體表面附近流動(dòng)，這就形成了趨膚效應(yīng)。由于趨膚效應(yīng)的產(chǎn)生，導(dǎo)線通過(guò)交變電流的有效截面積減小了，因此導(dǎo)線的電阻增大了。

為改善渦流所造成的這種不利情形，通常采用兩種方法：一種方法是采用相互絕緣的細(xì)導(dǎo)線束代替總截面積與其相等的實(shí)心導(dǎo)線，這種方法實(shí)際上是抑制渦流。另一種方法是在導(dǎo)線表面鍍銀，這種方法實(shí)際上是降低導(dǎo)線表面的電阻率。

隨著工藝的改進(jìn)和技術(shù)的革新，渦電流的應(yīng)用前景將更加廣闊，與生活的聯(lián)系將更加緊密。教師有必要把類似渦電流的這些與生活息息相關(guān)的知識(shí)教給學(xué)生，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力，把學(xué)生培養(yǎng)成能夠從各種渠道汲取知識(shí)的人才。

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