渦流熱效應(yīng)影響因素的研究

趙虎 王鳳 張可蒙

摘 要：渦流熱效應(yīng)是大學(xué)物理中非常重要的一個(gè)知識點(diǎn)。由于渦電流現(xiàn)象在日常生活中直接感受到的機(jī)會(huì)比較少，因此許多同學(xué)對理解這個(gè)知識點(diǎn)存在困難。也有許多同學(xué)試圖通過制作演示實(shí)驗(yàn)裝置，通過演示演示幫組大家更好的理解。本文主要對渦流熱效應(yīng)產(chǎn)生的原理、影響的因素進(jìn)行了分析，并最終討論了制作演示實(shí)驗(yàn)裝置應(yīng)該考慮的問題。

關(guān)鍵詞：渦流；演示實(shí)驗(yàn)裝置

物理是以觀察和實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科。課堂演示實(shí)驗(yàn)是幫助學(xué)生理解物理概念和物理規(guī)律的重要手段，特別是對一些復(fù)雜抽象的物理概念，好的演示實(shí)驗(yàn)可以取得事半功倍的效果。渦流是電磁學(xué)中的一個(gè)重要概念，由于在實(shí)際生活中直觀感受到的機(jī)會(huì)不多，因此大多數(shù)同學(xué)對渦流的概念比較陌生。許多同學(xué)和老師都希望能通過設(shè)計(jì)渦流演示實(shí)驗(yàn)裝置來幫助理解渦流的概念，為了使所設(shè)計(jì)的演示實(shí)驗(yàn)裝置能達(dá)到較好的演示效果，首先研究了影響渦流熱效應(yīng)的各種因素，最后對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析討論。

1.渦流熱效應(yīng)產(chǎn)生的原理

塊狀金屬在變化的磁場中或在磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的在金屬塊內(nèi)自成閉合回路的感應(yīng)電流叫做渦電流，簡稱渦流。如圖1所示，當(dāng)線圈中通以交變電流時(shí)，線圈內(nèi)部將產(chǎn)生變化的磁場。根據(jù)麥克斯韋感生電場的假說，變化的磁場將產(chǎn)生變化的電場，就是渦旋電場，渦旋電場在導(dǎo)體內(nèi)部就會(huì)形成渦電流，從而導(dǎo)致在導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生熱效應(yīng)，這就是渦流熱效應(yīng)產(chǎn)生的原因。由于大塊金屬導(dǎo)體對應(yīng)的橫截面積一般比較大，由電阻定律可知大塊金屬導(dǎo)體的電阻會(huì)比較小，所以即使一個(gè)比較小的電動(dòng)勢也能產(chǎn)生一個(gè)較大的渦電流，進(jìn)而產(chǎn)生大量的熱量。因此渦電流的熱效應(yīng)被應(yīng)用于生產(chǎn)生活中的許多領(lǐng)域。

2.渦流熱效應(yīng)的影響因素分析

為了方便計(jì)算，我們假定線圈為無限長密繞螺線管，內(nèi)部的磁場為勻強(qiáng)磁場，線圈內(nèi)部的導(dǎo)體為圓柱形導(dǎo)體。另外設(shè)線圈接入的是正弦交變電流，電流頻率為f，則內(nèi)部的磁場也為正弦交變磁場（如圖2所示）。鐵芯的半徑為R，長度為L，電阻率為P，絕對磁導(dǎo)率為μ，密度為P'。由于磁感應(yīng)強(qiáng)度與電流強(qiáng)度成正比，電流是正弦變化，因此可得

因此導(dǎo)體棒的升溫速率與電流大小、匝數(shù)、導(dǎo)體棒磁導(dǎo)率、電流頻率、導(dǎo)體棒的半徑正相關(guān)，與比熱容、導(dǎo)體棒的密度、電阻率成負(fù)相關(guān)，另外還要注意，導(dǎo)體棒的長度與升溫速率無關(guān)，這是因?yàn)殚L度增大，會(huì)增加熱功率，但是相應(yīng)的需要加熱的導(dǎo)體棒的質(zhì)量也會(huì)增加。兩種因素相互抵消，導(dǎo)致升溫速度與導(dǎo)體棒長度無關(guān)。

3.分析和討論

上述討論的情況是在理想情況下，即線圈內(nèi)部是勻強(qiáng)磁場，一般情況，如果線圈匝數(shù)密度越大，長度越長、橫截面積越小，內(nèi)部磁場越接近勻強(qiáng)磁場，否則內(nèi)部磁場與勻強(qiáng)磁場差距較大，計(jì)算結(jié)果需要校正。為了使渦流熱效應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)裝置演示內(nèi)容更充分完整，演示裝置設(shè)計(jì)時(shí)，考慮要能夠通過調(diào)節(jié)電流大小、頻率、介質(zhì)材質(zhì)、線圈的徑和長度等參數(shù)來演示對渦流熱效應(yīng)的影響，完善演示實(shí)驗(yàn)裝置的功能。

上述計(jì)算過程中，我們假定內(nèi)部是圓形導(dǎo)體棒，在設(shè)計(jì)演示實(shí)驗(yàn)過程中可以對這個(gè)模型進(jìn)行改進(jìn)，比如增加其他形狀的導(dǎo)體、或者將導(dǎo)體棒改為一捆相互絕緣的金屬絲等方式增加演示實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容。另外在演示實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，可以嘗試從另外一些角度表現(xiàn)渦流的熱效應(yīng)，例如熱脹冷縮、熱對流等方面，從而增加演示實(shí)驗(yàn)的感染性。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：

趙虎（1997.01-），男，甘肅天水人，陜西省西安市西京學(xué)院本科在讀，主要研究方向：演示實(shí)驗(yàn)儀器的開發(fā)和設(shè)計(jì)。

（作者單位：西京學(xué)院理學(xué)院）