渦電流的原理和應用

摘 要： 本文從渦電流產生和應用利弊的角度對渦電流作了簡要的介紹。

關鍵詞： 渦電流 原理 應用

渦電流與我們的生產、生活有密切的聯系。小到微波爐、電磁爐、熱水器等生活用具，大到冶金、國防、機械加工等部門及鑄、鍛和船舶、飛機、汽車制造等行業中都有渦電流的應用。

在高中物理中，學生會初步學習渦電流的知識，主要應用于楞次定律和法拉第電磁感應定律等理論分析，對于渦電流在實際生產、生活中的應用及其優缺點卻沒有涉及。青少年學生喜歡探索科學，求知欲強，對神秘的電磁現象尤為感興趣。如果教師能夠在教學過程中適當引入渦電流的應用知識，就可以拉近理論與實際的距離，激發學生的學習興趣，提高學生的觀察思考能力，為學生的全面發展打下良好基礎。本文從渦電流產生和應用利弊的角度，對渦電流作簡要介紹。

一、渦電流的認識

渦電流（又稱為傅科電流）現象，在1851年被法國物理學家萊昂·傅科所發現。是由于一個移動的磁場與金屬導體相交，或是由移動的金屬導體與磁場垂直交會所產生。簡而言之，這是一種特殊的電磁感應現象，原因是：金屬處于變化的磁場（或在磁場中運動）時，穿過金屬導體內自成閉合回路的磁通量發生變化，產生了一個在導體內循環的電流。在劃槳的時候，帶起水面的局部漩渦，也是一種類似渦電流的情形。

如右圖所示：在一根導體外面繞上線圈，并把線圈通交流電，則線圈就產生交變磁場。線圈中間的導體在圓周方向可以等效成一圈圈的閉合回路，由于穿過每個閉合回路的磁通量都在變化著，因此在相應于這些回路中都將激起感應電動勢（這樣產生的感應電動勢屬于感生電動勢），并形成環形的感應電流，即渦電流。

由于金屬導體的電阻很小，渦電流很大，因此熱效應極其顯著。并且可以知道感應加熱是靠感應線圈把電能傳遞給要加熱的金屬，然后電能在金屬內部轉變為熱能。感應線圈與被加熱金屬并不需要直接接觸，能量是通過電磁感應傳遞的。理論分析表明：渦電流強度與交變電流的頻率成正比，根據焦耳定律的熱效應公式Q=I2Rt，可知：渦電流產生的焦耳熱與交變電流頻率的平方成正比。

二、渦電流應用之利

（一）利用渦電流的熱效應我們可以加熱物體，其加熱的方法有很多獨特的優點。

現已廣泛應用于金屬熔煉、透熱、熱處理和焊接等過程，服務于冶金、國防、機械加工等部門及鑄、鍛和船舶、飛機、汽車制造等行業中。此外，感應加熱也已進入到人們的家庭生活中，例如微波爐、電磁爐、熱水器等。

1.高頻感應爐

高頻感應爐簡稱為高頻爐，在國外已廣泛應用。近年來國內發展亦很快，完全國產化的高頻爐已進入市場，并取得良好的應用效果。

其加熱方式是通過電子管振蕩電路產生高頻電磁場，然后加到樣品上，對樣品進行感應，產生渦電流，由于渦電流產生的焦耳熱與交變電流頻率的平方成正比，因此在高頻的作用下可產生大量的焦耳熱，使樣品迅速升溫熔化。

高頻感應加熱是一種先進的加熱方式，燃燒性能十分優異。高頻感應爐對樣品的適應性強，對一些難于燃燒的特種材料，例如不銹鋼、高鉻、高錳鋼、電熱合金、烙鐵、礦石、爐渣、石墨、稀土材料及各種非金屬原材料等，均有很好的燃燒效果。

2.電磁爐

電磁爐（又名電磁灶）是現代廚房革命的產物，是無需明火或傳導式加熱的無火煮食廚具，完全區別于傳統所用的有火或無火傳導加熱廚具（爐具）。

電磁爐是通過電子線路板產生交變磁場，當用含鐵質鍋具底部放置于爐面時，鍋具即切割交變磁力線而在鍋具底部金屬部分產生交變的電流（即渦流），渦流使鍋具鐵分子高速無規則熱運動，分子互相碰撞、摩擦而產生熱能（故：電磁爐煮食的熱源來自于鍋具底部而不是電磁爐本身發熱傳導給鍋具，所以熱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發熱，用來加熱和烹飪食物，從而達到煮食的目的。具有升溫快、熱效率高、無明火、無煙塵、無有害氣體、對周圍環境不產生熱輻射、體積小巧、安全性好和外觀美觀等優點，能完成家庭的絕大多數烹飪任務。

（二）電磁阻尼效應。

渦電流除了上面所講的熱效應外，還可以起阻尼作用。如右圖所示，把一塊銅或鉛等非鐵磁性物質制成的金屬板懸掛在電磁鐵的兩極之間，當電磁鐵的線圈沒有通電時，兩極間沒有磁場，這時要經過相當長的時間才能使擺動的擺停止下來。當電磁鐵的線圈中通電后，兩極間有了磁場，這時擺動著的擺會很快停止下來。這是因為當擺朝著兩個磁極間的磁場運動時，穿過金屬板的磁通量增加，在板中產生了渦電流（渦電流得方向如圖中虛線所示），而它要受到磁場安培力的作用，其方向恰與擺的運動方向相反，所以阻礙擺的運動。同樣，當擺由兩極間的磁場離開時，磁場對金屬板的作用力的方向也與擺的運動方向相反，所以擺很快就停下來。磁場對金屬的這種阻尼作用，叫做電磁阻尼。

利用磁場對金屬板的這種阻尼作用，可制成各種電動阻尼器，例如電磁儀表中使用的阻尼電鍵、電氣機車的電磁制動器中的阻尼裝置，就是應用渦電流實現其阻尼作用的。

三、渦電流應用之弊

（一）渦流損耗。

渦電流應用有利的一面，但是事物有利就有弊。在有些情況下，渦流的強度會很大，因而會有大量的能量轉變為熱能，造成能量的損失，這種能量損失稱為渦流損耗。所以，假如不是有意利用由渦流損耗轉變的熱能，我們總是設法抑制或減小渦流。

為了抑制渦流，在必須使用鐵芯的情況下，總是把鐵芯做成片狀，并在片與片之間涂敷絕緣材料，如低頻變壓器鐵芯就是這樣制成的。線圈所通電流的頻率越高，感應電動勢就越大，渦流就越強，每層鐵芯片應做得越薄。當電流的頻率再提高時，疊片鐵芯的渦流損耗也變得很大了，這時必須使用電阻率很大的鐵氧體芯。

如下圖所示，變壓器的鐵芯在工作時會產生渦流，增加能耗，并導致變壓器發熱。為了減少發熱，降低能耗，提高變壓器效率，一般不用整塊材料作鐵芯，而是把鐵芯材料首先軋制成很薄的板材，板材外面涂上絕緣材料，再把板材疊放在一起，形成鐵芯。這樣，變壓器在工作時，鐵芯中的每一片材料的回路都很小，渦流就降低了。

（二）趨膚效應增加了電阻。

當交變電流通過導線時，電流密度在導線橫截面上的分布將是不均勻的，并且隨著電流變化頻率的升高，電流將越來越集中于導線的表面附近，導線內部的電流卻越來越小，這種現象稱為趨膚效應。

引起趨膚效應的原因就是渦流，當交變電流通過導線時，在它的內部和周圍空間就產生環狀的交變磁場，而在導線內部的交變磁場激發了渦流。根據楞次定律可知，渦流的方向在導體內部總是與電流的變化趨勢相反，而在導體表面附近，卻與電流的變化趨勢相同。于是，交變電流不易在導體內部流動，而易于在導體表面附近流動，這就形成了趨膚效應。由于趨膚效應的產生，導線通過交變電流的有效截面積減小了，因此導線的電阻增大了。

為改善渦流所造成的這種不利情形，通常采用兩種方法：一種方法是采用相互絕緣的細導線束代替總截面積與其相等的實心導線，這種方法實際上是抑制渦流。另一種方法是在導線表面鍍銀，這種方法實際上是降低導線表面的電阻率。

隨著工藝的改進和技術的革新，渦電流的應用前景將更加廣闊，與生活的聯系將更加緊密。教師有必要把類似渦電流的這些與生活息息相關的知識教給學生，培養學生理論聯系實際的能力，把學生培養成能夠從各種渠道汲取知識的人才。

參考文獻：

[1]馬文蔚主編.物理學教程（上冊）.北京：高等教育出版社，2006.

[2]祝之光.物理學（第二版）（下冊）.北京：高等教育出版社，2006.

[3]王來元.電磁爐工作原理及使用.物理通報，2007（9）.