浅谈涡电流及其应用

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
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
ωε∝Φ
∝dt d
I ω∝
可以得出焦耳热
2
2ω∝∝Rt I Q 上式表明，由涡流产生的焦耳热与交变电流的频率ω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。

假设磁场强度只有z 分量,即t H a H m x ωcos =。

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
t H t B x E m z
y
ωωμsin -=∂∂-=∂∂
对上式积分即可得到
C t H x E m y +-=ωωμsin
式中C 为积分常数，根据对称关系，当0=x 时，电场强度0=y E ，因此在上式中0=C 。

t H x E m y ωωμsin -= 在金属薄板中电流密度为)sin (t uH x a E J m y ωδωδ-==，在单位体积内对时间的平均功率为：
⎰=T y av E T
P 021
δ =tdt H x T T
m ωμδ20222sin 1
⎰ =2
22221
m H x μδω 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：
dx H x a P m a a 2222220211μδω⎰
-= =
2222241m H a μδω =22222
4241m H a f μπ
δ =2
222261m H
a f μδπ 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。

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
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：
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