渦電流的原理和應(yīng)用

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

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、國防、機(jī)械加工等部門及鑄、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)生會初步學(xué)習(xí)渦電流的知識，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)卻沒有涉及。青少年學(xué)生喜歡探索科學(xué)，求知欲強(qiáng)，對神秘的電磁現(xiàn)象尤為感興趣。如果教師能夠在教學(xué)過程中適當(dāng)引入渦電流的應(yīng)用知識，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，對渦電流作簡要介紹。

一、渦電流的認(rèn)識

渦電流（又稱為傅科電流）現(xiàn)象，在1851年被法國物理學(xué)家萊昂·傅科所發(fā)現(xiàn)。是由于一個(gè)移動的磁場與金屬導(dǎo)體相交，或是由移動的金屬導(dǎo)體與磁場垂直交會所產(chǎn)生。簡而言之，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（或在磁場中運(yùn)動）時(shí)，穿過金屬導(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。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)電動勢（這樣產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢屬于感生電動勢），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)闊崮堋８袘?yīng)線圈與被加熱金屬并不需要直接接觸，能量是通過電磁感應(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、熱處理和焊接等過程，服務(wù)于冶金、國防、機(jī)械加工等部門及鑄、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)爐簡稱為高頻爐，在國外已廣泛應(yīng)用。近年來國內(nèi)發(fā)展亦很快，完全國產(chǎn)化的高頻爐已進(jìn)入市場，并取得良好的應(yīng)用效果。

其加熱方式是通過電子管振蕩電路產(chǎn)生高頻電磁場，然后加到樣品上，對樣品進(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)爐對樣品的適應(yīng)性強(qiáng)，對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，是無需明火或傳導(dǎo)式加熱的無火煮食廚具，完全區(qū)別于傳統(tǒng)所用的有火或無火傳導(dǎo)加熱廚具（爐具）。

電磁爐是通過電子線路板產(chǎn)生交變磁場，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規(guī)則熱運(yùn)動，分子互相碰撞、摩擦而產(chǎn)生熱能（故：電磁爐煮食的熱源來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、無明火、無煙塵、無有害氣體、對周圍環(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)電磁鐵的線圈沒有通電時(shí)，兩極間沒有磁場，這時(shí)要經(jīng)過相當(dāng)長的時(shí)間才能使擺動的擺停止下來。當(dāng)電磁鐵的線圈中通電后，兩極間有了磁場，這時(shí)擺動著的擺會很快停止下來。這是因?yàn)楫?dāng)擺朝著兩個(gè)磁極間的磁場運(yùn)動時(shí)，穿過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），而它要受到磁場安培力的作用，其方向恰與擺的運(yùn)動方向相反，所以阻礙擺的運(yùn)動。同樣，當(dāng)擺由兩極間的磁場離開時(shí)，磁場對金屬板的作用力的方向也與擺的運(yùn)動方向相反，所以擺很快就停下來。磁場對金屬的這種阻尼作用，叫做電磁阻尼。

利用磁場對金屬板的這種阻尼作用，可制成各種電動阻尼器，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)度會很大，因而會有大量的能量轉(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)電動勢就越大，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，電流將越來越集中于導(dǎo)線的表面附近，導(dǎo)線內(nèi)部的電流卻越來越小，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，而在導(dǎo)線內(nèi)部的交變磁場激發(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相反，而在導(dǎo)體表面附近，卻與電流的變化趨勢相同。于是，交變電流不易在導(dǎo)體內(nèi)部流動，而易于在導(dǎo)體表面附近流動，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的人才。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬文蔚主編.物理學(xué)教程（上冊）.北京：高等教育出版社，2006.

[2]祝之光.物理學(xué)（第二版）（下冊）.北京：高等教育出版社，2006.

[3]王來元.電磁爐工作原理及使用.物理通報(bào)，2007（9）.