书城童书物理知识知道点:磁场大探秘
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第8章 涡流和涡流的用处

涡流,又称为傅科电流,是“涡电流”的简称。迅速变化的磁场在导体(包括半导体)内部引起的感应电流,其流动的路线呈涡旋形,就像一圈圈的漩涡,故称“涡流”。导体在磁场中运动,或者导体静止但有着随时间变化的磁场,或者两种情况同时出现,都可以造成磁力线与导体的相对切割。按照电磁感应定律,在导体中就产生感应电动势,从而驱动电流。这样引起的电流在导体中的分布随着导体的表面形状和磁通的分布而不同,其路径往往有如水中的漩涡。导体的外周长越长,交变磁场的频率越高,涡流就越大。

导体在非均匀磁场中移动或处在随时间变化的磁场中时,因涡流而导致能量损耗称为涡流损耗。涡流损耗的大小与磁场的变化方式、导体的运动、导体的几何形状、导体的磁导率和电导率等因素有关。涡流损耗的计算需根据导体中的电磁场的方程式,结合具体问题进行。

涡流损耗会使变压器和电机的效率降低。如果我们仔细观察发电机、电动机和变压器,就可以看到,它们的铁芯都不是整块金属,而是用许多薄的硅钢片叠合而成。为什么这样呢?原来,电动机、变压器的线圈都绕在铁芯上。线圈中流过变化的电流,在铁芯中产生的涡流会使铁芯大量发热,浪费大量的电能,效率很低,而且会危及线圈绝缘材料的寿命,严重时可使绝缘材料当即烧毁。为了减少发热,降低能耗,提高效率,交流电机、电器中,一般不用整块材料作铁芯,而是把铁芯材料首先轧制成很薄的板材,板材外面涂上绝缘材料,再把板材叠放在一起,形成铁芯。这样涡流被限制在狭窄的薄片之内,磁通穿过薄片的狭窄截面时,这些回路中的净电动势较小,回路的长度较大,回路的电阻很大,涡流大为减弱。再由于这种薄片材料的电阻率大(硅钢的涡流损失只有普通钢的1/5~1/4),从而使涡流损失大大降低。

但有时我们又要利用涡流。在需要产生高温时,又可利用涡流来取得热量,如高频电炉就是根据这一原理设计的。涡流流动情况可用电流密度描述,由于多数金属的电阻率很小,因此不大的感应电动势往往可以在整块金属内部激起强大的涡流。当一个铁芯线圈通过交变电流时在铁芯内部激起涡流,它和普通电流一样要放出焦耳热。利用涡流的热效应进行加热的方法叫做感应加热。冶炼金属用的高频感应炉就是感应加热的一个重要例子。当线圈通入高频交变电流时,在线圈中的坩埚里的被冶炼金属内出现强大的涡流,它所产生的热量可使金属很快熔化。这种冶炼方法的最大优点之一,就是冶炼所需的热量直接来自被冶炼金属本身,因此可达极高的温度并有快速和高效的特点。此外,这种冶炼方法易于控制温度,并能避免有害杂质混入被冶炼的金属中,因此适于冶炼特种合金和特种钢等。

另一方面,利用涡流作用可以做成一些感应加热的设备,或用以减少运动部件振荡的阻尼器件等。

涡流还可以应用于生活。电磁炉就是涡流在生活中的应用。电磁炉是一种安全、卫生、高效节能的炊具,是“现代厨房的标志”之一。