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涡流现象的产生与应用

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发表于 2015-7-22 20:08:07 | 显示全部楼层 |阅读模式
处在交变磁场中的导体,由于电磁感应作用,其中会感应出形成闭合旋涡的电流。这种电流称为涡流,又称为傅科电流。举例说,象图1a那样,在柱形导体外面绕上线圈,线圈中通过一交流电流。使导体中产生交变磁场。同时在导体中任取一横截面,这截面可看作是由许多同心闭合回路组成。由于穿过这些闭合回路的磁力线数目(磁通)在不断变化(增加或减少),所以根据电磁感应定律,这些闭合回路中必然引起感应电流以反抗磁通的变化,这就是涡流。

涡流现象

涡流现象

涡流产生的磁场阻碍穿过闭合回路的磁通发生变化,力图使这一磁通保持为一常数。因此涡流的方向也可以用右手定则来确定。在图1a中所示的瞬间,线圈中交流电流方向如箭头所示,产生的磁力线的方向是向后的,因此涡流产生的磁力线方向应当向前,如图中所示,而涡流的方向则如截面上的箭头所示。实际上任何一个不规则的导电体,在任何方向的剖面上,都可以画出许多闭合回路,只要通过这些回路的磁通发生变化,就必然产生涡流。产生涡流的感应电动势,其大小和涡流回路中穿过的磁力线数目(磁通)的变化率成正比,因此交变磁场的幅度越大,频率越高,涡流就越大。另一方面,在一定的感应电动势下,导体内闭合回路的电阻越小,电流就越大。所以当交变磁场频率很高、幅度很大时,在大块良导体中产生的涡流可能很大。当整块导体在不均匀的静磁场中运动时,由于导体内部各个闭合回路中的磁通也在不断变化,所以也能产生涡流。
任何导体,在通常情况下都有一定的电阻。在涡流作用下,自然要使导体发热。根据能量守恒定律,如果磁场是交变的,那么这热能必然是来自产生交变磁场的电能;如果导体在静磁场中运动,那么涡流在导体中产生的热能,就是消耗了动能的结果。
在有些地方,涡流的热效应有很大害处。例如变压器的铁心,如果做成整块的(图1a),涡流闭合回路包围的面积很大,其中磁力线很多,发生变化时就会产生很大的涡流,从而产生大量的热将线圈烧毁。因此铁心通常由许多铁片迭成,片间加以绝缘,涡流闭合回路,就只能包围较少的磁力线(图1b),因而能减小涡流。为了进一步减小涡流,还在铁心材料中加入一定量的硅,以减小铁心电阻。尽管如此,涡流还是不能彻底消除。收音机中或其它设备中的变压器会发热,主要就是由于涡流损耗产生的。电机中的电枢,也是用钢片迭成,以减小涡流,提高电机的效率。
另一方面,涡流的热效应对我们又有很大用处。如高频电热器,就是应用这一原理制成的。强大的涡流产生大量的热,很快地使金属达到很高的温度。用这种方法冶炼金属的好处很多:例如温度易控制、加热快并且无杂质混入等。
在磁场中运动的导体,由于产生涡流而损耗一部分动量。因此,涡流会对这个导体起着制动作用。利用这一现象可以制造各种制动装置。例如用来作仪表指针的阻尼器,如图2。涡流的这种作用用来阻止指针的摆动,使它很快稳定下来。

涡流

涡流

利用涡流磁场对原磁场的抵消作用,可做高频磁场的磁屏蔽。在高频线圈或变压器外面套一个导电性能很好的金属罩,就是一个很好的磁屏蔽。图3为屏蔽作用的示意图。金属板中的涡流所产生的磁场和线圈产生的磁场相反,因而在很大程度上阻止磁力线穿过金属板到达板的右面。

利用涡流磁场对原磁场的抵消作高频磁场磁屏蔽

利用涡流磁场对原磁场的抵消作高频磁场磁屏蔽

最后,我们谈谈磁的集肤效应。由图1可见,涡流所产生的反磁场(去磁作用)在截面的不同部分是不一样的。在图1a中,包围截面中心点0的涡流回路最多,因此,那里的去磁作用最强,如果在接近表面处取一点A,则包围点A的涡流回路很少,去磁作用很弱。由此可见,截面中心处的磁通最小,而靠边缘处磁通最大。当频率很高时,磁力线可能集中在线圈铁心表面薄薄的一层中,使铁心磁阻增大。因此,当频率高到一定值时,在线圈中加入铁心,反而使线圈的电感量减小。这种现象再加上高频时的涡流热损失很大,使我们不能在高频线圈中使用普通的铁心。现代高频线圈或变压器多用铁淦氧磁心,由于它不导电,可以消除涡流的影响。
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