涡电流的原理和应用

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摘 要： 本文从涡电流产生和应用利弊的角度对涡电流作了简要的介绍。

关键词： 涡电流 原理 应用

涡电流与我们的生产、生活有密切的联系。小到微波炉、电磁炉、热水器等生活用具，大到冶金、国防、机械加工等部门及铸、锻和船舶、飞机、汽车制造等行业中都有涡电流的应用。

在高中物理中，学生会初步学习涡电流的知识，主要应用于楞次定律和法拉第电磁感应定律等理论分析，对于涡电流在实际生产、生活中的应用及其优缺点却没有涉及。青少年学生喜欢探索科学，求知欲强，对神秘的电磁现象尤为感兴趣。如果教师能够在教学过程中适当引入涡电流的应用知识，就可以拉近理论与实际的距离，激发学生的学习兴趣，提高学生的观察思考能力，为学生的全面发展打下良好基础。本文从涡电流产生和应用利弊的角度，对涡电流作简要介绍。

一、涡电流的认识

涡电流（又称为傅科电流）现象，在1851年被法国物理学家莱昂·傅科所发现。是由于一个移动的磁场与金属导体相交，或是由移动的金属导体与磁场垂直交会所产生。简而言之，这是一种特殊的电磁感应现象，原因是：金属处于变化的磁场（或在磁场中运动）时，穿过金属导体内自成闭合回路的磁通量发生变化，产生了一个在导体内循环的电流。在划桨的时候，带起水面的局部漩涡，也是一种类似涡电流的情形。

如右图所示：在一根导体外面绕上线圈，并把线圈通交流电，则线圈就产生交变磁场。线圈中间的导体在圆周方向可以等效成一圈圈的闭合回路，由于穿过每个闭合回路的磁通量都在变化着，因此在相应于这些回路中都将激起感应电动势（这样产生的感应电动势属于感生电动势），并形成环形的感应电流，即涡电流。

由于金属导体的电阻很小，涡电流很大，因此热效应极其显著。并且可以知道感应加热是靠感应线圈把电能传递给要加热的金属，然后电能在金属内部转变为热能。感应线圈与被加热金属并不需要直接接触，能量是通过电磁感应传递的。理论分析表明：涡电流强度与交变电流的频率成正比，根据焦耳定律的热效应公式Q=I2Rt，可知：涡电流产生的焦耳热与交变电流频率的平方成正比。

二、涡电流应用之利

（一）利用涡电流的热效应我们可以加热物体，其加热的方法有很多独特的优点。

现已广泛应用于金属熔炼、透热、热处理和焊接等过程，服务于冶金、国防、机械加工等部门及铸、锻和船舶、飞机、汽车制造等行业中。此外，感应加热也已进入到人们的家庭生活中，例如微波炉、电磁炉、热水器等。

1.高频感应炉

高频感应炉简称为高频炉，在国外已广泛应用。近年来国内发展亦很快，完全国产化的高频炉已进入市场，并取得良好的应用效果。

其加热方式是通过电子管振荡电路产生高频电磁场，然后加到样品上，对样品进行感应，产生涡电流，由于涡电流产生的焦耳热与交变电流频率的平方成正比，因此在高频的作用下可产生大量的焦耳热，使样品迅速升温熔化。

高频感应加热是一种先进的加热方式，燃烧性能十分优异。高频感应炉对样品的适应性强，对一些难于燃烧的特种材料，例如不锈钢、高铬、高锰钢、电热合金、烙铁、矿石、炉渣、石墨、稀土材料及各种非金属原材料等，均有很好的燃烧效果。

2.电磁炉

电磁炉（又名电磁灶）是现代厨房革命的产物，是无需明火或传导式加热的无火煮食厨具，完全区别于传统所用的有火或无火传导加热厨具（炉具）。

电磁炉是通过电子线路板产生交变磁场，当用含铁质锅具底部放置于炉面时，锅具即切割交变磁力线而在锅具底部金属部分产生交变的电流（即涡流），涡流使锅具铁分子高速无规则热运动，分子互相碰撞、摩擦而产生热能（故：电磁炉煮食的热源来自于锅具底部而不是电磁炉本身发热传导给锅具，所以热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发热，用来加热和烹饪食物，从而达到煮食的目的。具有升温快、热效率高、无明火、无烟尘、无有害气体、对周围环境不产生热辐射、体积小巧、安全性好和外观美观等优点，能完成家庭的绝大多数烹饪任务。

（二）电磁阻尼效应。

涡电流除了上面所讲的热效应外，还可以起阻尼作用。如右图所示，把一块铜或铅等非铁磁性物质制成的金属板悬挂在电磁铁的两极之间，当电磁铁的线圈没有通电时，两极间没有磁场，这时要经过相当长的时间才能使摆动的摆停止下来。当电磁铁的线圈中通电后，两极间有了磁场，这时摆动着的摆会很快停止下来。这是因为当摆朝着两个磁极间的磁场运动时，穿过金属板的磁通量增加，在板中产生了涡电流（涡电流得方向如图中虚线所示），而它要受到磁场安培力的作用，其方向恰与摆的运动方向相反，所以阻碍摆的运动。同样，当摆由两极间的磁场离开时，磁场对金属板的作用力的方向也与摆的运动方向相反，所以摆很快就停下来。磁场对金属的这种阻尼作用，叫做电磁阻尼。

利用磁场对金属板的这种阻尼作用，可制成各种电动阻尼器，例如电磁仪表中使用的阻尼电键、电气机车的电磁制动器中的阻尼装置，就是应用涡电流实现其阻尼作用的。

三、涡电流应用之弊

（一）涡流损耗。

涡电流应用有利的一面，但是事物有利就有弊。在有些情况下，涡流的强度会很大，因而会有大量的能量转变为热能，造成能量的损失，这种能量损失称为涡流损耗。所以，假如不是有意利用由涡流损耗转变的热能，我们总是设法抑制或减小涡流。

为了抑制涡流，在必须使用铁芯的情况下，总是把铁芯做成片状，并在片与片之间涂敷绝缘材料，如低频变压器铁芯就是这样制成的。线圈所通电流的频率越高，感应电动势就越大，涡流就越强，每层铁芯片应做得越薄。当电流的频率再提高时，叠片铁芯的涡流损耗也变得很大了，这时必须使用电阻率很大的铁氧体芯。

如下图所示，变压器的铁芯在工作时会产生涡流，增加能耗，并导致变压器发热。为了减少发热，降低能耗，提高变压器效率，一般不用整块材料作铁芯，而是把铁芯材料首先轧制成很薄的板材，板材外面涂上绝缘材料，再把板材叠放在一起，形成铁芯。这样，变压器在工作时，铁芯中的每一片材料的回路都很小，涡流就降低了。

（二）趋肤效应增加了电阻。

当交变电流通过导线时，电流密度在导线横截面上的分布将是不均匀的，并且随着电流变化频率的升高，电流将越来越集中于导线的表面附近，导线内部的电流却越来越小，这种现象称为趋肤效应。

引起趋肤效应的原因就是涡流，当交变电流通过导线时，在它的内部和周围空间就产生环状的交变磁场，而在导线内部的交变磁场激发了涡流。根据楞次定律可知，涡流的方向在导体内部总是与电流的变化趋势相反，而在导体表面附近，却与电流的变化趋势相同。于是，交变电流不易在导体内部流动，而易于在导体表面附近流动，这就形成了趋肤效应。由于趋肤效应的产生，导线通过交变电流的有效截面积减小了，因此导线的电阻增大了。

为改善涡流所造成的这种不利情形，通常采用两种方法：一种方法是采用相互绝缘的细导线束代替总截面积与其相等的实心导线，这种方法实际上是抑制涡流。另一种方法是在导线表面镀银，这种方法实际上是降低导线表面的电阻率。

随着工艺的改进和技术的革新，涡电流的应用前景将更加广阔，与生活的联系将更加紧密。教师有必要把类似涡电流的这些与生活息息相关的知识教给学生，培养学生理论联系实际的能力，把学生培养成能够从各种渠道汲取知识的人才。

参考文献：

[1]马文蔚主编.物理学教程（上册）.北京：高等教育出版社，2006.

[2]祝之光.物理学（第二版）（下册）.北京：高等教育出版社，2006.

[3]王来元.电磁炉工作原理及使用.物理通报，2007（9）.