在圆柱形铁芯上绕有
螺线管,通有
交变电流 I,随着电流的变化,铁芯内
磁通量也在不断改变。把
铁芯看作由一层一层的圆筒状薄壳所组成,每层薄壳都相当于一个回路。由于穿过每层薄壳横截面的
磁通量都在变化着,因此,在相应于每层薄壳的这些回路中都将激起
感应电动势并形成环形的
感应电流。把这种电流叫作涡电流。
涡电流是法国物理学家J.B.L.傅科发现的,所以,也叫做
傅科电流。对于大块的良
导电体,由于电阻很小,涡电流强度可以很大。
它是这样来描述的:当大块
导体放在变化着的磁场中或相对于磁场运动时,在这块导体中也会出现
感应电流。由于导体内部处处可以构成回路,任意回路所包围面积的
磁通量都在变化,因此,这种电流在导体内自行闭合,形成
涡旋状,故称为涡电流,以“i涡”表示。
涡电流在金属块内流动时,释放出大量的
焦耳热。用交流线圈激发交变磁场,使放置在交变磁场中的金属块内产生涡电流而被加热,这叫做
感应加热,它是
感应电炉所依据的原理,用于加热、熔化及冶炼金属。感应加热的独特优点是无接触,可在真空容器内加热,因而可用于提纯半导体材料等工艺中。
在变压器、
交流电机等交流设备的
铁芯中,线圈中
交变电流所引起的涡电流导致
能量损耗,叫做
涡流损耗。涡流发热对电器是有害的,故铁芯常用互相绝缘的薄片(薄片平面与磁力线平行)或细条(细条方向与磁力线平行)叠合而成,以减小
涡流损耗。在无线电技术中、高频率范围内,常用铁粉或软磁性
铁氧体作
磁芯。交变磁场在铁芯中引起涡电流时,如果涡电流所产生的交变磁场可以略去不计,则
铁芯内每单位体积的平均
涡流损耗功率 pe与频率f的二次方、
磁感应强度极大值B涡电流的二次方以及薄片的厚度t(或导线的半径r)的二次方均成正比。其计算公式(用
国际单位制)为
其中ρ为
电阻率。可见使用薄片或细条以及使用电阻率较大的材料可使涡流损耗大大降低。
当涡电流所产生的交变磁场不可忽略时,应考虑涡电流所引起的
趋肤效应。
金属块中的涡电流将受到磁场的
作用力。当金属块相对于磁场运动时,涡电流所受
磁力总是反抗相对运动,即产生
阻尼作用,叫做
电磁阻尼,常用于制造电磁
阻尼器及
电磁制动器。在一些
电磁仪表中,利用线圈的铝制框架中
涡流的阻尼作用,使线圈较快地稳定在
平衡位置上。在
千瓦时计(即电度表)中,利用制动
磁铁在铝盘中引起涡流,产生阻尼作用,以稳定转动线圈的转速。根据同一原理,当磁场旋转时,置于
旋转磁场中的
闭合导线或金属
导体产生涡电流,所受的磁力反抗相对运动,从而跟随磁场旋转,但转速较旋转磁场略小。这就是感应式
异步电动机的运转和磁式
转速计测转速所依据的原理。在
感应式继电器中,则用交变磁场在金属片中产生涡电流受另一交变磁场的
磁力,以驱动金属片的运动。
在金属
圆柱体上绕一线圈,当线圈中通入
交变电流时,金属圆柱体便处在交变磁场中。由于金属导体的电阻很小,涡电流很大,所以热效应极为显著,可以用于金属材料的加热和冶炼。
理论分析表明,涡电流强度与交变电流的频率成正比,涡电流产生的
焦耳热则与交变电流的平方成正比, 因此,采用高频
交流电就可以在金属圆柱体内汇集成强大的
涡流,释放出大量的焦耳热,最后使金属自身熔化。这就是
高频感应炉的原理。
另一方面,导体中发生涡电流,也有有害的方面。在许多电磁设备中常有大块的金属部件,涡电流可使
铁芯发热,浪费
电能,这就是涡流耗损。