邮发代码:82-418   刊号:ISSN1671-4350   定价:10.00

[去科技馆学科学]神奇的涡电流

韩永志/中国科学技术馆

2018-10/总第271期

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在本刊2018年第5期《哥伦布蛋和旋转磁场》一文中,我们介绍了非常有趣的展品“旋转的银蛋”,其中的“银蛋”会在三相交流电所产生的旋转磁场和其内部所产生的被称为“涡流”的感应电流所生成磁场的相互作用下快速旋转起来。其实中国科技馆中有关涡流的有趣展品还有很多,其中一件被称为“神奇的涡流”,而我更喜欢叫它“悬浮的电磁炉”。为了能让大家更好地了解这件展品,我们先简单了解一下电磁炉的工作原理。


电磁炉大家一定都很熟悉,它是现代家庭中常见的厨房电器,使用电磁炉烧水、烹饪,不仅不产生明火,加热速度快,而且电磁炉本身还不会发热,所以非常安全、便捷。说到这里你也许会产生疑问,如果炉子本身不发热,那烧水、烹饪所需的热量从何而来呢?毕竟绝大多数炉子,无论是烧煤、烧油、烧气(天然气或液化石油气)的炉子,还是与电磁炉一样利用电能使电热丝发热的电炉,都是炉子本身先产生出大量的热,之后再通过热传导加热水壶、锅等容器烧水或烹饪的。其实电磁炉加热水或食物的热量是由其上的金属锅直接产生的,而电磁炉之所以具有这种“神奇的本领”,则是因为它是利用电磁感应原理工作的。

大家对电磁感应肯定不陌生,初中、高中的物理课都教过相关的知识——闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感应线运动时,导体中就产生电流,这种现象就称为电磁感应。由电磁感应产生的电流叫感应电流,产生的电动势叫感应电动势(相关定义引自“人教版”普通高中物理教科书)。说得简单一些,就是当块状金属处于变化的磁场中或与磁场有相对运动时,金属内部就会产生感应电流。也可说,只要穿过闭合回路的磁通量发生变化,回路中就会有感应电流产生。由于这种感应电流在金属中形成一个个闭合回路,就好像水中的漩涡一样,因此被叫作涡电流,简称“涡流”(如图1)。由于整块金属的电阻很小,因此涡流可达到很大的强度,而强大的涡流则会释放出大量的热,电磁炉正是利用这些热量来烧水和烹饪食物的。具体来说,电磁炉在工作时,其内部线圈中通有高频交流电,由此产生的高频交变磁场会使穿过炉子上方的金属锅(一般由铁或合金钢制成,由于这些材料的磁导率高,因此可有效增加涡电流强度)的磁通量快速变化,从而在金属锅中形成很强的涡电流,而涡流所产生的热则会把水烧开、把食物做熟。

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图1 涡电流

(图片来源:《电磁学》,赵凯华、陈熙谋)


在了解了电磁炉的基本工作原理后,让我们言归正传,继续介绍科技馆中的那个可以悬浮的大电磁炉——展品“神奇的涡流”。

“神奇的涡流”展品为表演项目,位于中国科技馆常设展厅2层A厅的“科学表演区”,包括演示台、操作台2个主要部分(如图2)。演示台为四棱台,其上部是圆形的玻璃台面。1个铝盘——相当于电磁炉上的金属锅——被放置在台面上。这个台面相当于电磁炉的玻璃或陶瓷炉面,台面下方的特定位置安装有4个线圈,它们相当于电磁炉中的线圈。所不同的是,这些线圈不但能在铝盘中产生涡流和大量的热,还可以将铝盘悬浮起来,并进行定位。这些线圈和众多电容、电阻及其他电器元件共同组成LCR并联谐振电路。LCR并联谐振电路是将电感(L)与电阻(R)串联,之后再与电容(C)并联的一种电路,本展品使用该电路主要是因为,当达到谐振时会有很大的电流在LR和C组成的闭合回路中循环。工作人员为展品通电后,通过高频电源和高频变压器,为电路通入高频交变电流,此时铝盘会从台面上弹起,并上下晃动,几秒钟后铝盘会逐渐稳定地悬浮在空中。铝盘之所以会在接通电源的瞬间被弹起,是因为未通电的状态下铝盘中无磁通,通电后铝盘中突然出现了磁通,磁通的变化在铝盘中产生出感应电流。根据楞次定律,感应电流的方向,总是使得它所激发的磁场阻碍引起感应电流的磁通量的变化,因此铝盘中的感应电流在磁场中受到了方向竖直向上的安培力的作用,正是这个力使铝盘弹了起来,即铝盘力求保持其中无磁通。也可以理解为,在通电的瞬间,铝盘中感应电流所产生的磁场与引起感应电流的磁场同极相对,故相互排斥,这一斥力使铝盘弹了起来。而铝盘能悬浮在空中则是因为其受到的电磁力和它的重力达到了动态平衡。虽然线圈在通入交变电流后对铝盘既有排斥作用,也有吸引作用,但是由于铝盘中涡电流的变化也会产生磁场,即铝盘存在自感,也就是说铝盘不再是1个纯电阻,而等效于1个电阻与1个电感的串联,因此其产生的真实的涡流会比其被视为1个纯电阻时所产生的涡流的相位要有所滞后,这样一来向上的排斥力作用于铝盘的时间就要比向下的吸引力作用于铝盘的时间多一些。由于交流电的变化频率很快(本展品约为1 000 Hz),因此平均下来,电磁作用使铝盘受到向上的推力,当该力与铝盘的重力达到动态平衡时,铝盘便可悬浮在空中。

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图2 展品“神奇的涡流”效果图

待铝盘悬浮稳定后使用喷壶向其喷水,水遇到铝盘后马上蒸腾,并形成白雾,说明铝盘的温度很高。产生这一现象的原因,就是我们上面介绍过的涡流的热效应。铝盘的电阻很小,因此其中的涡流会很大,从而产生大量的热,故短时间内就可使铝盘的温度高达数百摄氏度。为了增加项目的趣味性,笔者曾在国外科技馆中见过在铝盘上煎鸡蛋的表演,颇受观众的欢迎。

除电磁炉外,还可以利用涡流的热效应制造真空高频感应炉(如图3),在真空环境中冶炼金属,从而防止冶炼过程中有杂质混入,并防止金属在高温下发生氧化。另外,由于热量是涡流在金属内部产生的,所以金属各部分被同时加热,而非由外向内的逐渐传导,使得加热均匀、效率高、速度快。因此,高频真空感应炉被广泛用于高质量特种钢材的冶炼,以及活泼金属及半导体材料提纯工艺中。

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图3 高频感应炉原理图

(图片来源:《电磁学》,赵凯华、陈熙谋)

当然,涡流的热效应也并非有益无害,在一些时候也会导致出现很多有害的问题。比如,电机、变压器等设备中,为了增强磁感应强度,线圈都缠绕在铁芯上,当线圈中通以交变电流时,铁芯中就会产生很强的涡流,轻则会使铁芯发热消耗大量电能,重则甚至会因发热量过大而破坏绝缘,烧毁设备。因此,为了减小涡流一般会将很多电阻率很大、厚度很薄的硅钢片叠合在一起代替整块铁芯,且硅钢片之间会利用绝缘漆或氧化层进行绝缘,并使硅钢片的平面与磁感应线平行(如图4)。这样一来,由于截面积减小,涡流所产生的感应电动势也随之降低;同时涡流也被限制在厚度很薄、电阻很大的硅钢片中。这些都使得涡流大大减小,从而达到减少能耗、保护设备的目的。

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图4 硅钢片(图片来源:维基百科、百度百科)


当然,除了以上所介绍的应用外,涡流还有很多其他用途,比如利用涡流所产生的磁阻尼可使磁电式仪表摆动的指针迅速停止下来,以方便读取数据,而一些电气火车的电磁制动器也利用了涡流的磁阻尼作用。与之相反,感应式异步电动机和磁性式转速表则是利用了涡流的电磁驱动作用。此外,飞机场和公共场所的安检门,以及很多金属探测器也都是利用涡流工作的。

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