渦流:電磁學特性-中文百科頻道

現象

如圖1所示，在一根導體外面繞上線圈，并讓線圈通入交變電流，那麼線圈就産生交變磁場。由于線圈中間的導體在圓周方向是可以等效成一圈圈的閉合電路，閉合電路中的磁通量在不斷發生改變，所以在導體的圓周方向會産生感應電動勢和感應電流，電流的方向沿導體的圓周方向轉圈，就像一圈圈的漩渦，所以這種在整塊導體内部發生電磁感應而産生感應電流的現象稱為渦流現象。

導體的外周長越長，交變磁場的頻率越高，渦流就越大。

導體内部的渦流也會産生熱量，如果導體的電阻率小，則渦流很強，産生的熱量就很大。

原理

電磁感應作用在導體内部感生的電流。又稱為傅科電流。導體在非勻強磁場中運動，或者導體靜止但有着随時間變化的磁場，或者兩種情況同時出現，都可以造成磁力線與導體的相對切割。按照電磁感應定律，在導體中就産生感應電動勢，從而驅動電流。這樣引起的電流在導體中的分布随着導體的表面形狀和磁場的分布而不同，其路徑往往有如水中的漩渦，因此稱為渦流。渦流在導體中要産生熱量。所消耗的能量來源于使導體運動的機械功，或者建立時變電磁場的能源。因此在電工設備中，為了防止渦流的産生或者減少渦流造成的能量損失，将鐵心用互相絕緣的薄片或細絲疊成，并且采用電阻率較高的材料如矽鋼片或鐵粉壓結的鐵心。

導體在非均勻磁場中移動或處在随時間變化的磁場中時，因渦流而導緻能量損耗稱為渦流損耗。渦流損耗的大小與磁場的變化方式、導體的運動、導體的幾何形狀、導體的磁導率和電導率等因素有關。渦流損耗的計算需根據導體中的電磁場的方程式，結合具體問題的上述諸因素進行。

用來冶煉合金鋼的真空冶煉爐，爐外有線圈，線圈中通入反複變化的電流，爐内的金屬中産生渦流。渦流産生的熱量使金屬熔化。利用渦流冶煉金屬的優點是整個能在真空中進行，這樣就能防止空氣中的雜質進入金屬，可以冶煉高質量的合金。

電動機，變壓器的線圈都繞在鐵心上。線圈中流過變化的電流，在鐵心中産生的渦流使鐵心發熱，浪費了能量，還可能損壞電器。因此，我們要想辦法減小渦流。途徑之一是增大鐵心材料的電阻率，常用的鐵心材料是矽鋼。如果我們仔細觀察發電機、電動機、和變壓器，就可以看到，它們的鐵心都不是整塊金屬，而是用許多薄的矽鋼片疊合而成。為什麼這樣呢？原來，把塊狀金屬置于随時間變化的磁場中或讓它在磁場中運動時，金屬塊内将産生感應電流。這種電流在金屬塊内自成閉合回路，很像水的漩渦，因此叫做渦電流簡稱渦流。整塊金屬的電阻很小，所以渦流常常很強。

大塊的導體在磁場中運動或處在變化的磁場中，都要産生感應電動勢，形成渦流，引起較大的渦流損耗。為減少渦流損耗，交流電機、電器中廣泛采用表面塗有薄層絕緣漆或絕緣的氧化物的薄矽鋼片疊壓制成的鐵心，這樣渦流被限制在狹窄的薄片之内，磁通穿過薄片的狹窄截面時，這些回路中的淨電動勢較小，回路的長度較大，回路的電阻很大，渦流大為減弱。再由于這種薄片材料的電阻率大（矽鋼的渦流損失隻有隻有普通鋼的至），從而使渦流損失大大降低。

另一方面，利用渦流作用可以做成一些感應加熱的設備，或用以減少運動部件振蕩的阻尼器件等。

如：我們常見的電磁爐。就是采用渦流感應加熱原理；其内部通過電子線路闆組成部分産生交變磁場、當用含鐵質鍋具底部放置爐面時，鍋具即切割交變磁力線而在鍋具底部金屬部分産生渦流，使鍋具内電子運動産生熱能，用來加熱和烹饪食物，從而達到煮食的目的。

損耗

1、傅科電流

導體在非均勻磁場中移動或處在随時間變化的磁場中時，因渦流而導緻的能量損耗。渦流是上述情況下導體内的感生的電流。這種電流在導體中形成一圈圈閉合的電流線，稱為渦流（又稱傅科電流）。

2、産生渦流

置于随時間變化的磁場中的導體内，也會産生渦流，如變壓器的鐵心，其中有随時間變化的磁通，它在副邊産生感應電動勢，同時也在鐵心中産生感應電動勢，從而産生渦流。這些渦流使鐵心發熱，消耗電能，這是不希望有的。但在感應加熱裝置中，利用渦流可對金屬工件進行熱處理。

3、渦流抑制

大塊的導體在磁場中運動或處在變化的磁場中，都要産生感應電動勢，形成渦流，引起較大的渦流損耗。為減少渦流損耗，常将鐵心用許多鐵磁導體薄片（例如矽鋼片）疊成，這些薄片被分開呈梯形狀，表面塗有薄層絕緣漆或絕緣的氧化物。磁場穿過薄片的狹窄截面時，渦流被限制在沿各片中的一些狹小回路流過，這些回路中的淨電動勢較小，回路的長度較大，再由于這種薄片材料的電阻率大，這樣就可以顯著地減小渦流損耗。所以，交流電機、電器中廣泛采用疊片鐵心。

當然，在生産和生活中，有時也要避免渦流效應。如電機、變壓器的鐵芯在工作時會産生渦流，增加能耗，并導緻變壓器發熱。要減少渦流，可采用的方法是把整塊鐵芯改成用薄片疊壓的鐵芯，增大回路電阻，削弱回路電流，減少發熱損失。

應用

渦流與感應加熱的應用：渦流效應衍生出一系列工業産品，感應加熱電源就是其中最重要的一個，感應加熱就是利用渦流加熱金屬導體，使之非接觸式發熱。很多工業産品加熱是不能用明火加熱，這時候感應渦流加熱就成功地解決了這個問題，也使産品有了革命性的進步，感應加熱是将被加熱金屬置于高頻變化的電磁場中（實際應用是在感應線圈中），強大的電磁場在其表面形成感應渦流，依靠材料本身的内阻，使之迅速發熱，以改善工件的機械性能，感應加熱特性是渦流熱應用最典型的例子，金屬熱處理必不可少的加熱方式，也是以後工業加熱的趨勢，感應渦流不僅用于金屬件熱處理，也用于海底管道鋪設，石油天然氣管道預熱焊接，焊後熱處理，紫銅釺焊，蒸發鍍膜，電機短路環焊接，這些應用最基本的原理就是電磁感應，電磁場産生渦流熱效應的應用。

渦流金屬探測器有一個流過一定頻率交變電流的探測線圈，該線圈産生的交變磁場在金屬物中激起渦流，隐蔽金屬物的等效電阻、電感也會反射到探測線圈中，改變通過探測線圈電流的大小和相位，從而探知金屬物。渦流金屬探測器可用于探測行李包中的槍支、埋于地表的地雷、金屬覆蓋膜厚度等。