[科普中国]-涡流效应

若块状金属被放入变化的磁场中，或在非均匀的磁场中运动，则在该金属内要产生感应电动势，由于金属的电阻很小，因而即使感应电动势不很大，也能引起强大的电流。这种电流在金属内沿着一个一个闭合回路流动，像河水中的旋涡，因此被称为涡旋电流，简称涡流。涡流既可产生热效应，也可引起机械效应。1

概述如图所示，在一根导体外面绕上线圈，并让线圈通入交变电流，那么线圈就产生交变磁场。由于线圈中间的导体在圆周方向是可以等效成一圈圈的闭合电路，闭合电路中的磁通量在不断发生改变，所以在导体的圆周方向会产生感应电动势和感应电流，电流的方向沿导体的圆周方向转圈，就像一圈圈的漩涡，所以这种在整块导体内部发生电磁感应而产生感应电流的现象称为涡流现象。

导体的外周长越长，交变磁场的频率越高，涡流就越大2。

导体内部的涡流也会产生热量，如果导体的电阻率小，则产生的涡流很强，产生的热量就很大。

涡流损耗在恒定磁通作用下的磁路中不存在功率损耗。如果磁通随时间交变，则会在磁路中产生涡流损耗和磁滞损耗，统称为铁磁损耗，又简称为铁损或铁耗。

根据电磁感应原理，当磁路中的磁通随时间交变时，会在铁心中感生出一个旋涡状电动势，从而感应出电流，这个电流在垂直于磁通方向的平面上围绕磁感应线呈旋涡状流动(如图所示)，因此称为涡流。该电流通过涡流回路电阻产生热损耗，称为涡流损耗。为了减小涡流损耗，导磁铁心通常采用涂有绝缘漆的薄硅钢片叠装而成。由于硅有较高的电阻率，采用薄硅钢片后又加长了涡流路径从而使涡流电阻增大；同时，硅钢片很薄，使通过每片硅钢片的磁通较整个铁心大为减小，从而使每片中的感生电动势降低，因此可以达到减小涡流的目的。3

当薄片铁心中通过正弦交变磁通时,单位体积铁心内的涡流损耗可按下式近似计算:

式中，σ为铁心材料的电导率，f为电源频率，d为叠片厚度，Bm为磁感应强度幅值。

对涡流损耗严格的计算不能用上式进行，必须采用电磁场的数值分析方法来计算。

应用电磁炉电磁炉采用了磁场感应涡流加热原理，它利用交变电流通过线圈产生交变磁场，当磁场内的磁感线传到含铁质锅的底部时，即会产生无数强大的小涡流，使锅本身自行迅速发热，然后再加热锅内的食物。

感应加热利用足够大的电力在导体中产生很大的涡流，导体中电流可以发热，使金属受热甚至熔化。所以制造了感应炉，用来冶炼金属。在感应炉中，有产生高频电流的大功率电源和产生交变磁场的线圈，线圈的中间放置一个耐火材料（例如陶瓷）制成的坩埚，用来放有待熔化的金属。涡流感应加热的应用很广泛，如用高频感应炉冶炼金属，用高频塑料热压机过塑，以及把涡流热疗系统用于治疗，金属材料学中常用于感应淬火、感应退火等方法来提高工件的表面硬度与耐磨性。

感应加热的优点：1.非接触式加热，热源和受热物件可以不直接接触；

2.加热效率高，速度快，可以减少表面氧化现象；

3.容易控制温度，提高加工精度；

4.可实现局部加热；

5.可实现自动化控制；

6.可减少占地、热辐射、噪声和灰尘钢盘在蹄型磁铁的磁场中转动，会在钢盘中激起涡流，涡流在与磁场相互作用产生一个动态阻尼力，从而提供制动动力矩。这种制动方式常应用于电表的阻尼制动、高速机车制动的涡流闸等。

涡流探测涡流金属探测器有一个流过一定频率交变电流的探测线圈，该线圈产生的交变磁场在金属物中激起涡流，隐蔽金属物的等效电阻、电感也会反射到探测线圈中，改变通过探测线圈电流的大小和相位，从而探知金属物。涡流金属探测器可用于探测行李包中的枪支、埋于地表的地雷、金属覆盖膜厚度等。

当然，在生产和生活中，有时也要避免涡流效应。如电机、变压器的铁芯在工作时会产生涡流，增加能耗，并导致变压器发热。要减少涡流，可采用的方法是把整块铁芯改成用薄片叠压的铁芯，削弱回路电阻，减少发热损失。

本词条内容贡献者为:

李健 - 副教授 - 重庆邮电大学