浅谈涡电流及其应用

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1、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

2、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

3、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1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，

4、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ddtI可以得出焦耳热22QIRt上式表明，由涡流产生的焦耳热与交变电流的频率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

5、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

6、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，

7、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HaHcost。感应电xm2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EByzHsintmxt对上式积分即可得到ExHsintCym式中C为积分常数，根据对称关系，当x0时，电场强度E0，因此在上式中C0。yExHsintym在

8、金属薄板中电流密度为JEa(xuHsint)，在单位体积内对时间的平均功率为：ym1T2PEavyT01T2222=xHsintdtmT012222=xHm2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：a1212222P