如何认识涡电流.doc

如何认识涡电流 　 如何认识涡电流 　　如图所示，导体棒ab通过导线与开关S、灵敏电流表G连成一个电路，磁感应强度B垂直于这个电路所在平面向内。当开关S闭合，导体棒ab左右运动切割磁感线时，闭合电路中产生感应电流，灵敏电流表G的指针发生偏转；当S断开时，电流表G的指针没有发生偏转,此时电路中没有从a?(或b)流经电流表G的感应电流（线状回路电流），但严格来说，?ab中还有另一种微弱的感应电流——涡电流。 　　■ 　　实际上，任何金属导体在磁场中运动或处于变化的磁场中，或者两种情况同时出现，则金属导体中的自由电子将受洛伦兹力或感生电场力的作用。这两种力将在导体内部引起感应电动势，从而产生电流。这种电流在导体中的分布随着导体的表面形状和磁通量的分布而不同，其路径看起来往往就像水中的旋涡，因而称做涡电流，简称涡流，也叫做傅科电流。 　　研究表明：同一导体所处的磁场的磁通量变化率越大，则涡流越大。另外，涡流的回路（与磁场方向垂直的平面）面积越大，涡流也越大。下面谈谈涡流的几个效应。 　　一、涡流的热效应 　　1.涡流的热 效应的应用　　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在整块金属内部激起强大的涡流，涡流同样也要放出焦耳热。如果是整块金属绕上线圈，线圈通入交流，则金属产生的焦耳热与交流的频率的二次方成正比。由此，人们制出了冶炼金属用的真空高频感应炉。在感应炉中，有产生高频电流的电源，有产生交变磁场的线圈，线圈中间放置一个耐火材料制成的坩埚，用来放待熔化的金属。整个冶炼过程能在真空中进行，能冶炼出高纯度的金属。现代家庭烹饪食物的一种新型炊具——电磁炉，其原理也是利用电磁感应引起的涡流加热来工作的。 　　2.防止涡流的热效应的危害 　　涡流产生的焦耳热也会造成危害，例如涡流的热效应对变压器和电机的运行极为不利，会导致铁芯温度升高，从而危及线圈绝缘材料的使用寿命；要损耗额外的能量,使变压器和电机的效率降低。如何减少涡流的热效应造成的危害呢？因为焦耳热与电流的二次方成正比，所以减少涡流更能减少发热量。在磁场的磁通量变化率相同的情况下，涡流的大小与回路面积有关，故可将电机、变压器的铁芯改用彼此绝缘的硅钢片叠合而成来代替。彼此绝缘的硅钢片越薄，则涡流的回路面积越小，涡流也越小。计算表明：涡流的热损耗与硅钢片的厚度的平方成正比。如果金属中的涡流是由金属外边紧密绕着的线圈通入的交变电流的磁场B1产生的，由楞次定律，则涡流的磁场B2与B1?平行，阻碍B1的变化。根据右手螺旋定则，磁感应强度方向垂直于电流（即线圈）所在平面。故金属中的涡流所在平面与金属外边的线圈平面平行。为了减少涡流的回路面积，彼此绝缘的薄硅钢片的叠合方向要与外边套上的线圈平面垂直，与交变电流的磁场B1方向平行（涡流的回路最大直径为薄硅钢片的厚度）。常见的小型变压器，薄硅钢片各表面涂上绝缘漆，两近似于“F”型薄片交叉对接拼成“曰”形状的平面，各平面再叠压在一起，将绕上线圈的方塑料框卡紧，线圈平面与硅钢片平面互相垂直，这也是为了减少涡流的回路面积，减少涡流的热损耗。 　　采用薄硅钢片代替整块铁芯的另一原因是硅钢片的电阻率比一般钢铁的电阻率大，从而减少损耗。 　　为了感性认识涡流的发热量与回路面积的关系，可进行下面的实验：比较硅钢片与钢条的冷热程度。 　　取2套演示用可拆变压器（J2425型），都选用12V交流电给1600匝线圈供电。变压器的“U”型硅钢片铁芯是固定的。将其中一套用整条同规格的钢铁代替可拆的硅钢片横条，另一套不作改动，都将横条固定，防止横条受磁力作用而振动发声。同时通电2分钟后，同时断电（以防有触电危险）。请一学生分别摸两横条，会感觉到钢铁明显比硅钢片热。这说明涡流的大小及发热量与涡流的回路面积有关。 　　二、涡流的磁效应 　　涡流的磁效应有几个重要应用： 　　1.电磁阻尼 　　当导体在磁场中运动时，涡流会使导体受到安培力且安培力的方向总是与导体的运动方向相反，即阻碍导体的运动。这种阻尼作用源于电磁感应，故这种现象称为电磁阻尼。 　　电磁阻尼是一种普遍的物理现象，任何在磁场中运动的导体只要给感应电流提供回路，就会存在电磁阻尼。电磁阻尼在实际中应用广泛。在磁电式仪表中常将线圈绕制在闭合的铝框上，铝框及线圈始终处于与线圈平面平行且大小相同的永磁体的磁场中。当线圈通电时，线圈的与磁场方向垂直的两条对边因受到的安培力方向相反而转动，也带动指针偏转。此时铝框中也产生涡流，由于磁场对涡流的阻尼作用，线圈就迅速地稳定在平衡位置上，同时带动指针摆到所示值处便稳定下来，便于读数。电气列车的电磁制动器，电工测量中的电能表（俗称电度表）的制动铝盘也都是应用电磁阻尼的原理来工作的。 　　2.电磁驱动 　　如果磁场相对于导体运动，在导体中会产生感应电流（涡流），磁场对电流有安培