发掘涡流的实用价值

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在一根导体外面绕上线圈，并让线圈通入交变电流，那么线圈就产生交变磁场.由于线圈中间的导体在圆周方向是可以等效成一圈圈的闭合电路，闭合电路中的磁通量在不断发生改变，所以在导体的圆周方向会产生感应电动势和感应电流，电流的方向沿导体的圆周方向转圈，就像一圈圈的漩涡，所以这种在整块导体内部发生电磁感应而产生感应电流的现象称为涡流现象.导体的外周长越长，交变磁场的频率越高，涡流就越大. 导体内部的涡流也会产生热量，如果导体的电阻率小，则涡流很强，产生的热量就很大.

利用涡流作用可以做成一些感应加热的设备，或用以减少运动部件振荡的阻尼器件等.如： 我们常见的电磁炉.就是采用涡流感应加热原理；其内部通过电子线路板组成部分产生交变磁场、当用含铁质锅具底部放置炉面时，锅具即切割交变磁力线而在锅具底部金属部分产生涡流，使锅具铁分子高速无规则运动，分子互相碰撞、摩擦而产生热能，用来加热和烹饪食物，从而达到煮食的目的.

置于随时间变化的磁场中的导体内，也会产生涡流，如变压器的铁心，其中有随时间变化的磁通，它在副边产生感应电动势，同时也在铁心中产生感应电动势，从而产生涡流.这些涡流使铁心发热，消耗电能，这是不希望有的.但在感应加热装置中，利用涡流可对金属工件进行热处理.大块的导体在磁场中运动或处在变化的磁场中，都要产生感应电动势，形成涡流，引起较大的涡流损耗.为减少涡流损耗，常将铁心用许多铁磁导体薄片（例如硅钢片）叠成，这些薄片表面涂有薄层绝缘漆或绝缘的氧化物.磁通穿过薄片的狭窄截面时，涡流被限制在沿各片中的一些狭小回路流过，这些回路中的净电动势较小，回路的长度较大，再由于这种薄片材料的电阻率大，这样就可以 显著地减小涡流损耗.所以，交流电机、电器中广泛采用叠片铁心.

下面我们就一起走进在实际生活和生产中，看看聪明的人类是怎样充分发掘涡流现象的作用的.

1认识涡流现象

在水平放置的光滑导轨上，沿导轨固定一个条形磁铁如图1所示.当铜、铝和有机玻璃制成的滑块甲、乙、丙，使它们从导轨上的A点以某一初速向磁铁滑去.各物块在碰上磁铁前的运动情况将是什么样的呢？

同属金属的铜块、铝块向磁铁靠近时，穿过它们的磁通量发生改变，因此在其内部会产生感应电流I，如图2，这个电流在金属块内部自成回路，好像水的旋涡一样，故叫涡流.既有感应电流形成，[TP10GW68A.TIF，YX#]则感应电流的效果对产生它的原因总起阻碍作用，所以铜块、铝块向磁铁的运动会受阻而减速.有机玻璃为非金属，不产生涡流现象.

2涡流炼钢

高频感应炉是用来熔化金属对其进行冶炼的，如图3所示为冶炼金属的高频感应炉的示意图，炉内放入被冶炼的金属，线圈通入高频交变电流，这时被冶炼的金属就能被熔化，这种冶炼方法速度快，温度易控制，并能避免有害杂质混入被炼金属中，因此适于冶炼特种金属.该炉的加热原理是什么呢？

高频感应炉的线圈通入高频交变电流时，产生变化的磁场，变化的磁场就能使金属中产生涡流，利用涡流的热效应加热进行冶炼.

3涡流的减弱

如图4所示，一狭长的铜片能绕O点在纸面平面内摆动，有界的磁场其方向垂直纸面向里，铜片在摆动时受到较强的阻尼作用，很快就停止摆动.如果在铜片上开几个长缝，铜片可以在磁场中摆 动较多的次数后才停止摆动，这是为什么？

没有开长缝的铜片绕O点在纸面内摆动时，由于磁场有圆形边界，通过铜片的磁通量会发生变化，在铜片内产生较大的涡流，涡流在磁场中所受的安培力总是阻碍铜片的摆动，因此铜片很快就停止摆动.

如果在铜片上开有多条长缝时，就可以把涡流限制在缝与缝之间的铜片上，较大地削弱了涡流，阻力随之减小，所以铜片就可以摆动较多的次数.

4涡流制动

涡流制动是磁悬浮列车在高速运行时进行制动的一种方式.某研究所制成如图5所示的车和轨道模型来定量模拟磁悬浮列车的涡流制动过程.车厢下端安装有电磁铁系统，能在长为L1=0.6 m，宽L2=0.2 m的矩形区域内产生竖直方向的匀强磁场，磁感应强度可随车速的减小而自动增大（由车内速度传感器控制），但最大不超过B1=2 T，将长大于L1，宽也为L2的单匝矩形线圈，间隔铺设在轨道正中央，其间隔也为L2，每个线圈的电阻为R1=0.1 Ω，导线粗细忽略不计.在某次实验中，模型车速度为v0=20 m/s时，启动电磁铁系统开始制动，车立即以加速度a1=2 m/s2做匀减速直线运动，当磁感应强度增加到B1时就保持不变，直到模型车停止运动.已知模型车的总质量为m1=36 kg，空气阻力不计.不考虑磁感应强度的变化引起的电磁感应现象以及线圈激发的磁场对电磁铁产生磁场的影响.下面是我们可以以此模型为基础仔细分析的几个问题：

（1）模型车制动的原理是什么？

根据楞次定律可知，感应电流的磁场总要阻碍导体与磁体间的相对运动，即磁场对矩形线圈有向右的作用力，故模型车制动的原理是：矩形线圈对电磁铁有向左的作用力，阻碍模型车的运动.

（2） 电磁铁的磁感应强度达到最大时，模型车的速度为多大？

当磁场达到最强时，且处于恒定，则由运动学公式求出加速度，再由牛顿第二定律可得出安培力，从而求出线圈产生的感应电动势，最后确定线圈运动的速度：

假设电磁铁的磁感应强度达到最大时，模型车的速度