涡电流的形成效应及发展前景

涡电流的形成效应及发展前景

摘要：由麦克斯韦电磁学为出发点，从根本上分析涡流产生的原因和必备条件，阐述了其在日常生活中的应用，如涡电流分选，冶炼高纯度金属和电磁阻尼等，以及要避免其带来的诸如过大电流耗损设备的危害；并强调了要积极发掘涡电流的用处，以更好地利用能源和服务生活，最后提出了对于涡电流研究的希望。

关键词：涡电流，涡流分选，电磁阻尼，电感，叠合硅钢片，趋肤效应

曾几何时以为空气是世间最普遍的物质，曾几何时以为光线是世间最快的物质，然而，现在所见识的电磁却远远得将它们落在了后面，成为这个世界随处可感而又必不可少的现象。随处可见的电磁学科学产物，向我们表明了电磁感应深远的影响已经渗透到我们生活的方方面面。此文借以生活中常见的涡电流现象来一窥电磁学在我们生活中的重要作用。

由麦克斯韦的电磁学理论我们知道，变化的磁场总是可以在其周围产生电场，当线圈在极细的导线周围时，我们可以忽略其所产生的感应电流，然而当大块导体在磁场中运动或处于变化的磁场中时，在这块导体中就会出现感应电流。

在一般情况下我们将导体内部感生的电流称为傅科电流。按照电磁感应定律只要导体在磁场中具有切割的现象，即出现磁通量的变化即有可能产生相应的感应电流，或者说产生感应电动势。又由于导体内部处处可以构成回路，任一回路所包围的磁通量都在变化，因此这种电流在到体内，自行闭合，形成涡旋状，也就是所谓的涡电流，简称为涡流。

由此可知导体位于可变的磁场

中，就会产生涡流，最常见的也就 是变压器的铁心了，由于产生的电流都为交流电流，所以其所产生的磁场也必然不断发生变化，由此导致铁芯产生感应电动势，进而产生涡电流。

类似我们日常所见的导电螺线管，将其中的管换为圆柱形铁芯，再通以交变电流I ，随着电流的变化，铁芯内磁通量也在不断改变。铁芯可看作有一层一层的圆筒状薄壳构成，每层薄壳都相当于一个回路。既如此我们知道根据变化磁场周围产生电场，于是在相当于层层薄壳的的这些回路中都将及其感应电动势，进一步形成所谓的涡电流。

而在现在这个资源短缺的现状下，

我们必须认识到其中的能源浪费，众 所周知，导体是很好的导电体，因此其电阻是极小的，所以导致在大块导体内的涡电流一般都可以形成很大的功率，而且这个电流强度还是随着频率的增加而急剧增加，这必将产生很大的热效应，鉴于要最大的利用资源，我们可以很好的利用这部分能量，如若不然就有可能造成很大的资源的浪费，更有甚者造成仪器的过度使用和不正常功率以及造成不安全因素。

那么如何尽可能最大的利用这部分能量而又能避免其所造成的损害呢？这就需要我们对其产生因素做以分析，并且找出方法。

我们就先分析其合理利用以产生难以想象的方便。涡电流分选是涡电流在早期重要的作用，其分选原理基于两个重要的物理现象：一个随时间而变的交变磁场总是伴生一个交变的电场；载流导体产生磁场。涡流分选器中的永久磁石镶成的磁石转筒高速旋转，产生一个交变磁场，当具有导电性能的金属通过磁场时，将在金属内严生涡电流。涡电流本身严生交变磁场，并与磁右转筒严生的磁场方向相反，即对金属严生排斥力即洛伦兹力，使金属从料流中分离出来，达到分选的目的。涡电流对导体产生的斥力和磁场变化强度，导体的导电率、密度、面积及形状等因素有关，我们可以通过有关公式来分析它们的分别作用，在这里就不赘述了。

与此同时我们溯其产生的效应，我们发现在这个过程中有着大量的热效应，其所产生的热量足以熔化金属本身，因此利用这一原理，又理论分析表明，涡电流强度与交变电流的频率成正比，即涡电流产生的焦耳热则与交变电流的平方成正比，采用高频交流电就可以在金属圆柱体内汇集成强大的涡流，释放出大量的焦耳热，最后使金属自身熔化，而金属又不与外界接触，从而冶炼各种特种合金和高纯度活泼难熔金属。

涡电流还可以起到电磁阻尼作用。根据楞次定律

可知，感应电流的效果总是阻碍引起感应电流的原因。

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，例如磁电式电表中或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。

我们在使用电学测量仪器读数时，希望指针能迅速稳定在应指的位置上而不左右摇摆，其实这些仪器一般都会装有阻尼器。傅科摆中电磁铁未通电时，电磁铁一旦通电，摆很快停下，也是电磁阻尼的应用。反过来我们也可以这种作用作为电磁驱动使其成为动力源泉。

当然任何现象都会有其另外的一面，在某些情况下涡电流的热效应是有害的，例如在许多电磁设备中常有大块的金属部件，涡电流可使铁芯发热，浪费电能，即我们知道的涡流耗损。例如我们常见的的电机和变压器中，为了增大磁感应强度，都采用了铁芯，当电机或变压器的线圈中通过交变电流时，铁芯中将产生很大的涡流，不仅损耗了大量的能量(铁芯的又叫做涡损)，甚至还可能烧毁这些设备。还有可能引起变压器升温造成使用不便和影响性能安全，所以，涡流是越小越好。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。所以把整块铁芯改成薄片叠合是减小涡流的方法之一，能有效地减小涡流。

对于叠合硅钢片的使用可以分析三个因素，一是用硅钢片制做的叠合芯。其本身是一种导磁能力很强的磁性物质，在通电线圈中，它可以产生较大的磁感应强度，从而可以使变压器的体积缩小。二是电流通过线圈所产生的磁感应线会主要集中在铁芯中。磁通量的变化将在铁芯的每个横截面内产生循环的涡电流。若铁芯是整块的，对于涡流来说电阻很小，因涡流而损耗的焦耳热就很大；若铁芯用硅钢片制作，并且硅钢片平面与磁感应线平行，一方面由于硅钢片本身的电阻率较大，另一方面各片之间涂有绝缘漆或附有天然的

绝缘氧化层，把涡流限制在各薄片内，使涡流大为减

小，从而减少了电能的损耗。三是理论上，若为减小

涡流，硅钢片厚度越薄，效果越好。不但可以减小涡

流损耗，还能节省硅钢片的用料。但实际上这样会大

大增加工，减小了铁芯的有效截面。所以，用硅钢片

制作变压器铁芯时，需要根据实际需要选择。

说到涡电流我们就不得不考虑其所带来的趋肤效应。当直流电通过一段导体，电流密度在导体横截面均匀分布。而交流电激发的交变磁场会在导体内引起涡流，电流密度在导体横截面上不再均匀分布，而是越靠近导体表面处电流密度越大。也就是趋肤效应，即交变电流集中于导体表面的现象。

那么产生趋肤效应的原因是什么呢？其实是由于感抗的作用，在直长导体的截面上，恒定的电流是均匀分布的。对于交变电流来说，导体中则会出现自感电动势来抵抗电流的通过。因为导体内部比表面具有更大的电感L，在靠近导体中心处，因磁场变化而产生的自感电动势比较大；反之靠近表面处收到磁通量变化的影响要小得多，因而自感电动势较小。这就导致趋近导体表面处电流密度较大。与此同时自感电动势随着频率的提高而增加，导致趋肤效应也随着频率提高而更为显著。

从另一个角度来看，趋肤效应使导体中通过电流时的有效截面积减小，从而使其有效电阻变大。并且由于导体内部的电感的不同，显而易见电流的频率越高，趋肤效应越明显。当频率很高的电流通过导线时，甚至可以认为电流只在导体表