浅谈涡电流及其应用

1浅谈涡电流及其应用（云南保山保山学院理工学院678000）摘要：涡电流的形成是一种电磁感应现象，当导体处在变化的磁场中时，导体中就会有涡电流产生，涡电流在日常生活中普遍存在并得到广泛应用，对涡电流的形成原因及其效应进行探讨。关键词：涡流热效应阻尼效应在一些电器设备中，常常有大块的金属存在，如变压器和电动机中的铁芯。当这些金属块对磁场做相对运动或者处在变化的磁场中时，就会产生感应电流，我们把金属块看作由一层一层的金属薄壳组成，每一薄层相当于一个回路，于是每一薄层回路中都将形成环形的感应电流。如图1所示，当从铁芯的上端俯瞰铁芯中的感应电流时，感应电流的电流线呈闭合的涡旋状，因而形象的把这种感应电流称为涡电流，简称涡流。现在简单探讨涡流的形成原因：法拉第电磁感应定律表明，当穿过闭合导体回路的磁通量发生变化时，导体回路中就会产生感应电动势。在上图中，铁芯外绕有线圈，当给线圈通入正弦交变电流时，线圈周围就产生了交变磁场；此时铁芯处于变化的磁场中，导体内回路中的磁通量发生变化因而产生了感应电动势，从而在导体闭合回路中产生感应电流，这个电流就是涡电流。当导体在磁场中做相对运动或者导体静止但是处在随时间变化的磁场中，或者以上两种情况同时出现时，按照法拉第电磁感应定律定律，导体回路中就会产生感应电流。进一步理解可以认为，当导体对磁场做相对运动或者处在变化的磁场中时，导体中的自由电子将受到洛伦兹力或感生电场力的作用，这两种力在导体内部引起感应电动势，在导体回路中就形成涡流。由于大多数金属的电阻率很小，因此不大的感应电动势往往可以再整块金属内部激起强大的涡流。涡流与普通电流一样流经金属回路时一样要放出焦耳热，这就是涡流的热效应。涡流的热效应在生产生活中有广泛应用。利用涡流的热效应进行加热的方法称为感应加热，工业上2冶炼金属的高频感应炉就是感应加热的重要应用。高频感应炉的结构示意图如图2所示，在坩埚外部绕有线圈，将大功率的高频交流电源与线圈连接，高频电流在线圈内激发很强的交变磁场，这时坩埚内被冶炼的金属中便产生强大的涡流，从而释放出大量的焦耳热将金属自身熔化。现在对其感应加热的交变电流频率进行探讨，设交变电流的频率为ω，其所激发的涡流强度为I，因为涡流属于感生电动势，运算符合法拉第电磁感应定律，则dtdI可以得出焦耳热22RtIQ上式表明，由涡流产生的焦耳热与交变电流的频率的平方成正比。交变电流的频率越高，则所产生的焦耳热越多。因此，我们可以通过调节交变电流的频率来调节控制涡流的大小，进而达到控制炉内温度的效果。这种冶炼金属的方法优点很多：一是易于控制温度，二是冶炼所需要的热量集中在被冶炼的金属中，能量损失很小，因而它可以达到很高的温度，提高了冶炼速度。此外，这种冶炼方法还能避免有害杂质的混入，并且可以将被冶炼的金属置于真空中进行冶炼，特别适合冶炼高纯金属、特种钢等。利用涡流的热效应，可以制成涡流热效应式电热水器，这种电热水器在其绝缘容器内充有块状铸铁，其外绕有线圈，当给线圈通入交流电后，在线圈中就有交变磁场产生，由于交变磁场的作用，容器中的铸铁中就产生了涡流，利用涡流的热效应进行加热，这种热水器比传统的热得快有许多优点：采用涡流加热代替了传统的加热方式，在加热方式上实现了水电隔离，消除了不安全因素。而且由于在加热过程中磁场对水进行反复磁化，磁化水有利于身体健康。这种热水器加热方式先进，加热快速均匀，由于热量比较集中，它比其他电阻式加热器还要节能。许多电器的线圈都绕在铁芯上，当他们工作时，线圈中就流过变化的电流，它所激发的磁场在铁芯中产生涡流致使铁芯发热，不仅浪费了能量，而且有可能过热而使电器损坏。涡流消耗了许多能量，在大多数情况下电器使用时都要设法降低涡流损耗，下面以变压器铁芯为例对涡流作简单计算。如图3所示，位于磁场B中的金属薄板，其厚度为a，当时变磁场的变化率较低时，可以近似地忽略位移电流的存在。而且当时变磁场的变化频率较低时，在任何瞬间都将磁场视为均匀分布。3假设磁场强度只有z分量,即tHaHmxcos。感应电场强度沿y轴方向的分量可以视为均匀的，而且金属板比较薄，可以忽略感应电场强度沿x轴方向的分量，同时感应电场强度沿z轴方向没有分量。因此tHtBxEmzysin对上式积分即可得到CtHxEmysin式中C为积分常数，根据对称关系，当0x时，电场强度0yE，因此在上式中0C。tHxEmysin在金属薄板中电流密度为)sin(tuHxaEJmy，在单位体积内对时间的平均功率为：TyavETP021=tdtHxTTm20222sin1=222221mHx上式对x求平均值，既可以得到金属薄板单位体积内的平均涡流损耗为：dxHxaPmaa2222220211=2222241mHa=222224241mHaf=2222261mHaf从上式中可以看出，涡流损耗功率与电流频率的平方2f以及金属薄板厚度的平方2a成正比。因此为了减少涡流损耗，金属板的厚度尽量做得比较薄，并使金属薄片与磁感应线平行，当我们仔细观察电动机、变压器的铁芯时可以看到它们的铁芯都不是整块的金属，而是由许多薄的钢片叠合而成。另一方面是增大铁芯材料的电阻率，常用的材料是硅钢；在各硅钢片之间涂有绝缘漆或绝缘氧化层，把涡流限制在各薄片内，如图4。通过这些途径使涡流大为减少，从而减少电能的损耗。4电磁灶是一种利用电磁感应原理进行电能—热能转换的电热炊具。高频电磁灶使用时通入50Hz的市电，经过内部电路整流后变成20KHz以上的高频电流。在加热线圈中通入高频交流电后线圈周围便产生交变磁场，当炊具放上以后，交变磁场的磁力线大部分经过金属锅体形成回路，在锅底中产生感应电流，因锅底本身具有一定的电阻，涡流流经锅底便会产生焦耳热，最终实现电能—热能的转换。电磁灶产生的热量仅在锅底本身，他的面板不发热，在加热过程中没有明火，所以安全可靠、清洁卫生。在使用电磁灶时常常使用铁质铁锅，这是由于非导磁性材料不能有效汇聚磁力线，几乎不能形成涡流，所以基本上不加热。另外导磁性差的非磁性材料一般电阻率太高，产生的涡流也很小不能很好的产生热量。所以电磁灶使用的锅底材料一般是铁磁性的金属或者铁合金，通常采用的锅底有铸铁锅、生铁锅和不锈铁锅。涡流属于感应电流，遵从楞次定律，楞次定律表明：当导体在磁场中运动时，导体由于出现感应电流而受到的安培力必然阻碍此导体的运动。因此当导体在磁场中运动时产生的涡流总是阻碍导体的运动，结果使导体运动状态与它在黏性介质中的运动情况相似，若没有外力作用将很快停下来，这种阻尼作用起源于电磁感应，所以称为电磁阻尼。如图5所示，把铜片挂在电磁铁的两极间，形成一个摆，在电磁线圈未通电时铜片可以自由摆动要经过叫长时间才会停下来。一旦电磁铁被励磁后，由于穿过导体的磁通量发生变化，铜片内将产生感应电流。感应电流的效果总是反抗引起感应电流的原因，因此铜片摆的摆动便受到阻力而迅速停止。在许多电磁仪器中为了使测量时指针的摆动能够迅速稳定下来，就采用了类似的电磁阻尼。电磁阻尼是一种普遍的物理现象，在磁场中运动的导体只要给感应电流提供回路，就会存在电磁阻尼作用。如图6所示，一个金属盘可以绕固定轴转动，圆盘边缘放置一块永久磁铁，当金属圆盘在磁极间转动时，盘内便会产生涡流，金属盘为盘内的涡流提供了回路。设在任意时刻盘上半径OA转到磁极的正中间，此刻OA的正前方离开磁场磁通量正在减少，而OA的后方正在进入磁场区磁通量正在增加。根据楞次定律，导体半径OA的前后方分别产生了顺时针和逆时针方向的涡流，涡流在磁5场中受到安培力，根据左手定则判断安培力的方向，涡流产生的安培力将在盘上产生制动力矩，阻碍金属盘的转动。日常生活中常见的机械式电度表中的制动铝盘就是利用了这个原理，如图7所示。在使用电度表时，要将导线接入正确的接口，被测电路电压U加在电压线圈上，在其铁芯上形成一个交变的磁场，这个交变磁场的一部分穿过铝盘后回到电压线圈的铁芯中；同样被测电路电流I加在电流线圈中，被测电流经过电流线圈后也要在电流铁芯中形成一个交变磁场，这个磁场的磁力线也要穿过铝盘回到铁芯的另一端。由于穿过铝盘的两个磁场都是交变磁场，而且在不同位置上穿过铝盘，因此就在各自穿过铝盘的位置附近产生涡流，涡流在磁场的作用下将产生安培力，进而对铝盘产生转动力矩，在转动力矩的作用下铝盘就转动起来。铝盘转动时又受到永磁铁产生的制动力矩作用，制动力矩与主动力矩方向相反，制动力矩的大小与铝盘转动速率成正比，铝盘转动得越快制动力矩越大，当主动力矩与制动力矩达到暂时平衡时，铝盘将匀速转动。铝盘转动带动计数装置记录负载所消耗的电能，显然用电量越多，通过线圈电流的电流越大，铝盘上感应出的涡流越大，因而铝盘的转矩越大，铝盘也就转得越快。负载消耗的电能与铝盘的转数成正比，铝盘带动计数器工作把消耗的电流显示出来，这就是机械式电度表工作的简单过程。参考文献：［1］赵凯华.新概念物理教程·电磁学.［M］.北京：高等教育出版社，2006［2］梁绍荣.普通物理学·电磁学.［M］.北京：高等教育出版社，2005［3］张玉民.电磁学.［M］.北京：科学出版社，2000［4］雷威，王保平.电磁场理论及其应用.［M］.南京：东南大学出版社，2005［5］黄永定.家用电器基础与维修技术.［M］.北京：机械工业出版社，2010［6］孙国安.电磁场与电磁波理论基础.［M］.南京：东南大学出版社，1999