什麼是渦流(Eddy Current)?

2020-12-05 嘉達磁鐵
渦流

渦流(Eddy Current)是在導體中循環的電流,就像水流中的渦流。它們是由垂直於磁場平面的閉合迴路中的磁場變化和流動引起的。它們可以在導體穿過磁場時產生,也可以在靜止導體周圍的磁場發生變化時產生,即任何導致導體在磁場強度或方向上發生變化的東西都可以產生渦流。渦流的大小與磁場的大小、線圈的面積和磁通量的變化率成正比,與導體的電阻率成反比。

就像流過導體的任何電流一樣,渦流也會產生它自己的磁場。楞次定律指出,磁感應電流的方向,就像渦流一樣,會使產生的磁場與產生它的磁場的變化相反。這種由相反磁場產生的阻力在渦流制動中得到利用,渦流制動通常被用作停止旋轉電動工具和過山車的一種方法。

渦流

在下面的圖中,導電金屬薄片(例如,代表移動的過山車或電動工具)經過一個固定磁鐵。當薄板經過磁鐵的左邊緣時,它會感覺到磁場強度的增加,從而產生逆時針渦流。這些電流產生它們自己的磁場,根據楞次定律,方向是向上的,即與外部磁場相反,產生磁阻。在磁體的另一端,薄片將離開磁場,磁場的變化將是相反的方向,從而產生順時針渦流,然後產生一個向下作用的磁場。這將吸引外部磁鐵,也產生阻力。這些拖曳力使移動的薄板減速,提供剎車。一個電磁鐵可以用作外部磁鐵,這意味著有可能通過調整通過電磁鐵線圈的電流來改變制動的強度。渦流制動的優點是不接觸,因此不會產生機械磨損。然而,渦流制動不適合低速制動,由於導體必須運動,渦流制動無法將物體保持在固定位置。因此,通常還需要使用傳統的摩擦制動器。

渦流

渦流最早是在1824年由科學家、後來的法國總理弗朗索瓦·阿拉戈(Francois Arago)觀測到的。他意識到將大多數導電物體磁化是可能的,他是第一個見證旋轉磁性的人。十年後,海因裡希·倫茨(Heinrich Lenz)提出了楞次定律,但直到1855年,法國物理學家萊昂·福柯(Leon Foucault)才正式發現渦流。他發現,當銅盤的邊緣被放置在磁鐵(如馬蹄形磁鐵)的兩極之間時,旋轉銅盤所需的力會增大,而銅盤會被感應渦流加熱。加熱效應來源於電能向熱能的轉化,用於一些炊具、焊工等感應加熱裝置。

渦流

導體中渦流所感受到的阻力引起焦耳熱,產生的熱量與電流的平方成正比。然而,對於電機、發電機和變壓器等應用,這種熱量被認為是浪費的能量,因此渦流需要最小化。這可以通過對這些設備的金屬芯層加壓來實現,其中每個芯由多個絕緣金屬薄片組成。這在許多單獨的磁路中將磁芯分開,並限制渦流通過磁芯的流動,減少了焦耳加熱產生的熱量。

渦流

渦流也可以通過導體上的裂紋或裂縫,這些裂縫會破壞電路,阻止電流迴路的循環。這意味著渦流可以用來檢測材料中的缺陷。這被稱為無損檢測,常用於飛機上。測量了渦流產生的磁場,磁場的變化表明存在不規則;缺陷會減小渦流的大小,從而減小磁場強度。渦流的另一個應用是磁懸浮。導體暴露在變化的磁場中,磁場在導體內部產生渦流,產生排斥性磁場,將磁鐵和導體分開。這種交變磁場可以是由於磁鐵和導體之間的相對運動(通常磁鐵是靜止的,導體是運動的),也可以是由於施加了一個改變電流以改變磁場強度的電磁鐵。

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