渦流熱效應影響因素的研究

趙虎 王鳳 張可蒙

摘 要：渦流熱效應是大學物理中非常重要的一個知識點。由于渦電流現象在日常生活中直接感受到的機會比較少，因此許多同學對理解這個知識點存在困難。也有許多同學試圖通過制作演示實驗裝置，通過演示演示幫組大家更好的理解。本文主要對渦流熱效應產生的原理、影響的因素進行了分析，并最終討論了制作演示實驗裝置應該考慮的問題。

關鍵詞：渦流；演示實驗裝置

物理是以觀察和實驗為基礎的學科。課堂演示實驗是幫助學生理解物理概念和物理規律的重要手段，特別是對一些復雜抽象的物理概念，好的演示實驗可以取得事半功倍的效果。渦流是電磁學中的一個重要概念，由于在實際生活中直觀感受到的機會不多，因此大多數同學對渦流的概念比較陌生。許多同學和老師都希望能通過設計渦流演示實驗裝置來幫助理解渦流的概念，為了使所設計的演示實驗裝置能達到較好的演示效果，首先研究了影響渦流熱效應的各種因素，最后對計算結果進行了分析討論。

1.渦流熱效應產生的原理

塊狀金屬在變化的磁場中或在磁場中運動時，產生的在金屬塊內自成閉合回路的感應電流叫做渦電流，簡稱渦流。如圖1所示，當線圈中通以交變電流時，線圈內部將產生變化的磁場。根據麥克斯韋感生電場的假說，變化的磁場將產生變化的電場，就是渦旋電場，渦旋電場在導體內部就會形成渦電流，從而導致在導體內部產生熱效應，這就是渦流熱效應產生的原因。由于大塊金屬導體對應的橫截面積一般比較大，由電阻定律可知大塊金屬導體的電阻會比較小，所以即使一個比較小的電動勢也能產生一個較大的渦電流，進而產生大量的熱量。因此渦電流的熱效應被應用于生產生活中的許多領域。

2.渦流熱效應的影響因素分析

為了方便計算，我們假定線圈為無限長密繞螺線管，內部的磁場為勻強磁場，線圈內部的導體為圓柱形導體。另外設線圈接入的是正弦交變電流，電流頻率為f，則內部的磁場也為正弦交變磁場（如圖2所示）。鐵芯的半徑為R，長度為L，電阻率為P，絕對磁導率為μ，密度為P'。由于磁感應強度與電流強度成正比，電流是正弦變化，因此可得

因此導體棒的升溫速率與電流大小、匝數、導體棒磁導率、電流頻率、導體棒的半徑正相關，與比熱容、導體棒的密度、電阻率成負相關，另外還要注意，導體棒的長度與升溫速率無關，這是因為長度增大，會增加熱功率，但是相應的需要加熱的導體棒的質量也會增加。兩種因素相互抵消，導致升溫速度與導體棒長度無關。

3.分析和討論

上述討論的情況是在理想情況下，即線圈內部是勻強磁場，一般情況，如果線圈匝數密度越大，長度越長、橫截面積越小，內部磁場越接近勻強磁場，否則內部磁場與勻強磁場差距較大，計算結果需要校正。為了使渦流熱效應演示實驗裝置演示內容更充分完整，演示裝置設計時，考慮要能夠通過調節電流大小、頻率、介質材質、線圈的徑和長度等參數來演示對渦流熱效應的影響，完善演示實驗裝置的功能。

上述計算過程中，我們假定內部是圓形導體棒，在設計演示實驗過程中可以對這個模型進行改進，比如增加其他形狀的導體、或者將導體棒改為一捆相互絕緣的金屬絲等方式增加演示實驗的內容。另外在演示實驗設計中，可以嘗試從另外一些角度表現渦流的熱效應，例如熱脹冷縮、熱對流等方面，從而增加演示實驗的感染性。

參考文獻

[1]程守洙，江之永.普通物理學（第五版）[M].北京：高等教育出版社.2010.

[2]魏永峰，劉卓，李景竹.用電磁場理論對渦流損耗的探討[J].物理通報，2001（06）.

作者簡介：

趙虎（1997.01-），男，甘肅天水人，陜西省西安市西京學院本科在讀，主要研究方向：演示實驗儀器的開發和設計。

（作者單位：西京學院理學院）