什么是涡流？ –定义，原因，应用
因磁场变化而产生于超导体中的电流称为涡流。它们在与磁场平面极其平行的紧密循环中循环。根据楞次定律，这种电流以最基本的方式旋转，以产生一个反对这种变化的磁场。在超导体中，电子在垂直于磁场的过度平面上旋转。涡流是这种现象的结果，它是由物理学家福柯在 1819-1868 年发现的。
涡流
Eddy currents flow through conductors like whirling eddies in a stream, and they are frequently formed in reaction to a changing magnetic field. They flow in closed loops perpendicular to the plane of the magnetic field plane, caused by changing magnetic fields. These are also known as Foucault’s Currents.
1824 年，数学家、科学家和天文学家弗朗索瓦·阿拉戈是第一个观察到涡流的人。他是第一个体验旋转磁力的人，他知道大多数导电的东西都可能被磁化。 10年后，海因里希·楞次提出楞次定律，但直到1855年法国科学家莱昂·福柯才提出。
涡流是由福柯正式发现的。他进行了几次测试，并确定当将铜盘的边缘放在磁铁的两极之间时，旋转它所需的力会增加（就像马蹄形磁铁一样）。由于感应涡流而在盘中产生热量。
涡流的原因
当导体穿过磁场或静止导体周围的磁场发生变化时，会产生涡流。因此，只要导体中磁场的强度或方向发生变化，就可以产生涡流。
我们从楞次定律知道，感应电流（例如涡流）的方向是这样的，即由它产生的磁场与引起它的磁场的变化相反。导体中的电子会在垂直于磁场的平面中旋转，从而发生这种情况。涡流的大小为：
- 与磁场大小成正比
- 与环路面积成正比
- 与磁通量变化率成反比
- 与导体电阻成正比
涡流倾向于抵消产生它们的磁场的变化，从而导致导体中的能量损失。它们将能量转化为热能，例如动能或电能。为了停止旋转的电动工具和过山车，我们利用反向磁场产生的阻力来产生涡流。
涡流的应用
涡流有以下应用：
- 火车中的制动机制——火车上的金属轮子在金属轨道上运行。刹车时，火车的金属车轮暴露在磁场中，从而在车轮中感应出涡流。由于施加的磁场与车轮中产生的涡流之间的磁相互作用，列车减速。随着车轮开始快速旋转，这种影响变得更大，随着火车减速，制动力减小，使火车平稳停止。
- 检流计中的阻尼-涡流在无差拍检流计的构造中至关重要。在停止之前，检流计指针经常围绕其平衡点来回移动。指针的这种振荡导致记录读数时出现明显的延迟。通过在非磁性金属框架上缠绕一个线圈，可以消除这种延迟。当线圈偏转时，金属框架中会产生涡流，使针立即停止。线圈的作用在这里被抑制。实际上，一些检流计是由非磁性材料组成的线圈制成的。由于线圈的振荡而在线圈中形成的涡流往往会阻止线圈的运动，使其立即停止。
- 家里的电表 -在我们的家里，由于产生的电流，机械电表会旋转一个明亮的金属圆盘。仪表中的这些电流是由变化的磁场引起的。
- 基于感应的熔炉——由于产生的大电动势，在快速变化的磁场中会形成巨大的涡流。涡流产生热量，导致温度升高。实际上，感应炉中产生的大量热量会将温度升高到非常高的值。在组件金属上感应出一个线圈，并将其置于高频磁场中。由此产生的温度足以熔化金属。这种方法经常用于从矿石中提取金属。感应炉用于制造合金。
- 汽车中的速度指示器——我们用于运输的每辆车都有一个速度计，它告诉我们车辆在任何特定时间的行驶速度。它有一个磁铁，可以根据车辆的速度旋转。在滚筒中产生涡流，当滚筒沿旋转磁铁的方向移动时，连接的指针在刻度上移动，显示车辆的速度。
- 游乐园游乐设施-游乐园游乐设施的制动系统基于涡流，可实现相当平稳和非接触式停止。
- 无损检测——涡流用于识别大型结构或机械（如飞机）中的缺陷。如感应涡流数量的变化所表明的那样，在金属表面存在不规则性的任何地方都会观察到某个位置的磁场变化。
- 炊具-基于感应的炊具利用将电能转化为热能所产生的加热效应。在电磁炉上方，放置了带有金属板底座的器具。铜线圈插入这些灶具中的陶瓷板下方。当通过线圈馈送交流电时，产生的振荡磁场会在器具的金属板上产生涡流，从而使器具变暖。
Minimizing Eddy Currents
Eddy currents can be reduced in a variety of methods, including:
- By laminating the metal core: Insulating materials separate the laminations of the metallic core, and the plane of the laminations should be kept parallel to the magnetic field so that they cut across the routes of eddy currents. The eddy currents’ intensity is reduced as a result of this configuration. Heat loss is significantly reduced since the dissipation of electrical energy into heat varies directly with the square of the intensity of the electric current.
- By using magnetic materials with poor electrical conductivity or high resistance to make the core.
涡流引起制动
想象一下，一块导电金属板穿过过山车或火车制动系统中的固定磁铁。当薄片延伸超过磁铁的左边缘时，磁场强度增加，导致涡流以逆时针方式在其表面形成。我们知道，根据楞次定律，这些电流会产生与外部磁场方向相反的磁场，当薄片离开磁铁另一边的磁场时，会产生磁阻力。
场偏移将在相反的方向，导致顺时针涡流和磁场向下作用。结果，它会将外部磁铁吸引到自身上，从而产生暗影效应。通过减慢移动的片材，这些阻力在片材中提供制动作用。经常使用电磁铁代替外部磁铁。控制流过电磁铁线圈的电流可以很容易地调节制动动作的大小。因为涡流制动是非接触式的，所以没有机械磨损或撕裂。然而，为了获得有效的涡流结果，导体必须在移动。涡流对低速停止无效，因为它们不会将物体保持在静止位置；在这些情况下，使用常规摩擦制动器。
示例问题
问题一：什么是涡流？
回答：
Based on Faraday’s law of induction, eddy currents are small circular current loops formed within a conductor by the changing magnetic field around the conductor.
问题2：涡流有哪些应用？
回答：
- Braking in trains and amusement rides
- Speedometers
- Induction cookers
- Non-destructive testing
问题3：涡流是如何产生的？
回答：
Eddy currents are generated inside a conductor when it moves through a magnetic field or when the magnetic flux flowing through it varies continuously.
问题 4：如何使涡流最小化？
回答：
Eddy currents can be minimized by:
- Laminating the metal core, eddy currents can be reduced.
- Using magnetic materials with a high electrical resistance value.
问题5：涡流大小取决于哪些因素？
回答：
The eddy current’s magnitude is:
- Proportional to the magnetic field’s magnitude
- Proportional to the area of the loop
- Proportional to the rate of change of magnetic flux inversely
- Proportional to the conductor’s resistance
问题 6：为什么涡流不受欢迎？
回答：
When a conductor is moved in a magnetic field, eddy currents are generated. Eddy currents cause energy to be lost as heat. It can cause power loss and lower efficiency in electric motors, generators, and even transformers. These currents may cause the equipment to degrade.