渦電流的原理和應用
下面是小編整理的渦電流的原理和應用的論文，歡迎各位物理學(xué)畢業(yè)的同學(xué)借鑒!
摘 要：本文從渦電流產(chǎn)生和應用利弊的角度對渦電流作了簡(jiǎn)要的介紹。
關(guān)鍵詞：渦電流 原理 應用
渦電流與我們的生產(chǎn)、生活有密切的聯(lián)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(mén)及鑄、鍛和船舶、飛機、汽車(chē)制造等行業(yè)中都有渦電流的應用。
在高中物理中，學(xué)生會(huì )初步學(xué)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(shí)際生產(chǎn)、生活中的應用及其優(yōu)缺點(diǎn)卻沒(méi)有涉及。青少年學(xué)生喜歡探索科學(xué)，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(xué)過(guò)程中適當引入渦電流的應用知識，就可以拉近理論與實(shí)際的距離，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣，提高學(xué)生的觀(guān)察思考能力，為學(xué)生的全面發(fā)展打下良好基礎。本文從渦電流產(chǎn)生和應用利弊的角度，對渦電流作簡(jiǎn)要介紹。
一、渦電流的認識
渦電流(又稱(chēng)為傅科電流)現象，在1851年被法國物理學(xué)家萊昂·傅科所發(fā)現。是由于一個(gè)移動(dòng)的磁場(chǎng)與金屬導體相交，或是由移動(dòng)的金屬導體與磁場(chǎng)垂直交會(huì )所產(chǎn)生。簡(jiǎn)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(chǎng)(或在磁場(chǎng)中運動(dòng))時(shí)，穿過(guò)金屬導體內自成閉合回路的磁通量發(fā)生變化，產(chǎn)生了一個(gè)在導體內循環(huán)的電流。在劃槳的時(shí)候，帶起水面的局部漩渦，也是一種類(lèi)似渦電流的情形。
如右圖所示：在一根導體外面繞上線(xiàn)圈，并把線(xiàn)圈通交流電，則線(xiàn)圈就產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。線(xiàn)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(guò)每個(gè)閉合回路的磁通量都在變化著(zhù)，因此在相應于這些回路中都將激起感應電動(dòng)勢(這樣產(chǎn)生的感應電動(dòng)勢屬于感生電動(dòng)勢)，并形成環(huán)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(zhù)。并且可以知道感應加熱是靠感應線(xiàn)圈把電能傳遞給要加熱的金屬，然后電能在金屬內部轉變?yōu)闊崮�。感應線(xiàn)圈與被加熱金屬并不需要直接接觸，能量是通過(guò)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(chǎn)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(yōu)點(diǎn)。
現已廣泛應用于金屬熔煉、透熱、熱處理和焊接等過(guò)程，服務(wù)于冶金、國防、機械加工等部門(mén)及鑄、鍛和船舶、飛機、汽車(chē)制造等行業(yè)中。此外，感應加熱也已進(jìn)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(jiǎn)稱(chēng)為高頻爐，在國外已廣泛應用。近年來(lái)國內發(fā)展亦很快，完全國產(chǎn)化的高頻爐已進(jìn)入市場(chǎng)，并取得良好的應用效果。
其加熱方式是通過(guò)電子管振蕩電路產(chǎn)生高頻電磁場(chǎng)，然后加到樣品上，對樣品進(jìn)行感應，產(chǎn)生渦電流，由于渦電流產(chǎn)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(chǎn)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(jìn)的加熱方式，燃燒性能十分優(yōu)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(chǎn)物，是無(wú)需明火或傳導式加熱的無(wú)火煮食廚具，完全區別于傳統所用的有火或無(wú)火傳導加熱廚具(爐具)。
電磁爐是通過(guò)電子線(xiàn)路板產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，當用含鐵質(zhì)鍋具底部放置于爐面時(shí)，鍋具即切割交變磁力線(xiàn)而在鍋具底部金屬部分產(chǎn)生交變的電流(即渦流)，渦流使鍋具鐵分子高速無(wú)規則熱運動(dòng)，分子互相碰撞、摩擦而產(chǎn)生熱能(故：電磁爐煮食的熱源來(lái)自于鍋具底部而不是電磁爐本身發(fā)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(fā)熱，用來(lái)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(wú)明火、無(wú)煙塵、無(wú)有害氣體、對周?chē)h(huán)境不產(chǎn)生熱輻射、體積小巧、安全性好和外觀(guān)美觀(guān)等優(yōu)點(diǎn)，能完成家庭的絕大多數烹飪任務(wù)。
(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(zhì)制成的金屬板懸掛在電磁鐵的兩極之間，當電磁鐵的線(xiàn)圈沒(méi)有通電時(shí)，兩極間沒(méi)有磁場(chǎng)，這時(shí)要經(jīng)過(guò)相當長(cháng)的時(shí)間才能使擺動(dòng)的擺停止下來(lái)。當電磁鐵的線(xiàn)圈中通電后，兩極間有了磁場(chǎng)，這時(shí)擺動(dòng)著(zhù)的擺會(huì )很快停止下來(lái)。這是因為當擺朝著(zhù)兩個(gè)磁極間的磁場(chǎng)運動(dòng)時(shí)，穿過(guò)金屬板的磁通量增加，在板中產(chǎn)生了渦電流(渦電流得方向如圖中虛線(xiàn)所示)，而它要受到磁場(chǎng)安培力的作用，其方向恰與擺的運動(dòng)方向相反，所以阻礙擺的運動(dòng)。同樣，當擺由兩極間的磁場(chǎng)離開(kāi)時(shí)，磁場(chǎng)對金屬板的作用力的方向也與擺的運動(dòng)方向相反，所以擺很快就停下來(lái)。磁場(chǎng)對金屬的這種阻尼作用，叫做電磁阻尼。
利用磁場(chǎng)對金屬板的這種阻尼作用，可制成各種電動(dòng)阻尼器，例如電磁儀表中使用的阻尼電鍵、電氣機車(chē)的電磁制動(dòng)器中的阻尼裝置，就是應用渦電流實(shí)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(huì )很大，因而會(huì )有大量的能量轉變?yōu)闊崮�，造成能量的損失，這種能量損失稱(chēng)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(xiàn)圈所通電流的頻率越高，感應電動(dòng)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(shí)，疊片鐵芯的渦流損耗也變得很大了，這時(shí)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(shí)會(huì )產(chǎn)生渦流，增加能耗，并導致變壓器發(fā)熱。為了減少發(fā)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(shí)，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(guò)導線(xiàn)時(shí)，電流密度在導線(xiàn)橫截面上的分布將是不均勻的，并且隨著(zhù)電流變化頻率的升高，電流將越來(lái)越集中于導線(xiàn)的表面附近，導線(xiàn)內部的電流卻越來(lái)越小，這種現象稱(chēng)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(guò)導線(xiàn)時(shí)，在它的內部和周?chē)臻g就產(chǎn)生環(huán)狀的交變磁場(chǎng)，而在導線(xiàn)內部的交變磁場(chǎng)激發(fā)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(dòng)，而易于在導體表面附近流動(dòng)，這就形成了趨膚效應。由于趨膚效應的產(chǎn)生，導線(xiàn)通過(guò)交變電流的有效截面積減小了，因此導線(xiàn)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(xiàn)束代替總截面積與其相等的實(shí)心導線(xiàn)，這種方法實(shí)際上是抑制渦流。另一種方法是在導線(xiàn)表面鍍銀，這種方法實(shí)際上是降低導線(xiàn)表面的電阻率。
隨著(zhù)工藝的改進(jìn)和技術(shù)的革新，渦電流的應用前景將更加廣闊，與生活的聯(lián)系將更加緊密。教師有必要把類(lèi)似渦電流的這些與生活息息相關(guān)的知識教給學(xué)生，培養學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力，把學(xué)生培養成能夠從各種渠道汲取知識的人才。
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