渦電流;渦流

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渦電流;渦流 (Eddy Current)
國立臺灣大學物理學系 曾奕晴

渦電流是什麼?

1851 年,法國物理學家傅科 (Léon Foucault, 1819 – 1868) 發現,當一個移動中的金屬導體和磁場垂直相交時,金屬片的運動速度會有減少的現象,反之,移動的磁場與金屬相交,也會造成減速的效果。

而這個奇妙的效應,其實並不難理解,它就是由於電磁感應所造成。

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圖一、金屬線圈通過磁場時產生電流示意圖,黑色點表示磁場方向出紙面。(本文作者曾奕晴繪)

見圖一,有一個磁場向上的空間,我們在右方施力將線圈向右拉時,因為磁通量改變,依照冷次定律的解釋,當金屬線圈和磁場有相對運動速度時,金屬線圈上會產生感應電流,且感應電流產生的磁場會有減低磁通量的傾向,所以我們可以觀察到線圈逆時針的感應電流,而產生的阻力的作用方向向左。

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圖二、金屬平板通過磁場時產生渦電流示意圖,黑色點表示磁場方向出紙面。(本文作者曾奕晴繪)

進一步思考,若是此時不是金屬線圈,而是一片金屬板作相對運動,那麼會發生甚麼事呢?我們可以想像金屬板就像無限多個線圈所組成,金屬板上會產生一圈一圈的電流,電流方向也是逆時針方向,這一圈一圈的電流我們就稱為渦電流(見圖二)。這些渦電流在原磁場作用下產生的阻力,也是向左,但因為是由更多的渦電流造成的阻力,所以會比圖一單由一個線圈形成的阻力大上許多。

最後,如果現在金屬板不移動了,而是下方的磁場以一定的頻率隨著時間改變方向,根據冷次定律,金屬板上的感應渦電流,也會是和磁場變換相同頻率的交流電。

渦電流的應用—電磁爐

電磁爐的基本原理,就是利用磁場變換讓金屬導體產生渦電流,而渦電流在金屬導體中產生電流熱效應,藉此加熱金屬。

通常我們用來讓電磁爐加熱的器皿一定要是電磁體,也就是不但可以導電,同時又是鐵磁性物質的物體,如:鐵鍋、不鏽鋼鍋,因為這樣造成的磁性特別強,渦電流效果也大;而鋁鍋或銅鍋則效果較差,故不建議使用;當然,玻璃或是陶瓷鍋等絕緣物質就完全不適用於電磁爐了!

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圖三、電磁爐基本結構示意圖。(本文作者曾奕晴繪)

電磁爐的基本裝置可見圖三,主要構造分別為基座、變頻器、絕緣板。若拆開電磁爐的絕緣板,就可以看見下方的金屬線圈和變頻器,變頻器負責提供給線圈 2 ~ 6 萬 Hz 間的高頻交流電流,藉由金屬線圈形成高頻磁場,此時產生的磁場也是以一秒鐘 2 ~ 6 萬次的頻率在變化。

交流磁場在通過鍋底時,就會感應產生渦電流,而金屬的抗電性產生電流熱效應,升高金屬鍋的溫度,此時加熱的金屬鍋就像一般電器一樣發揮加熱的功能,可用來煮熟鍋中食物。

因為電磁爐的加熱原理不需要用到燃燒等化學反應,傳遞能量的效率比燃燒天然氣、瓦斯都好,且不會排放出二氧化碳等汙染氣體,相較之下是一項非常環保且節省能源的加熱鍋具。

渦電流的應用—電磁煞車

除了實用的電磁爐之外,日常生活中還有一項渦電流的常見應用,就是電磁煞車。由冷次定律我們可以知道,感應電流產生的磁場會有減低磁通量的傾向,也就是說,感應電流所產生的磁場會和原磁場方向相反,進而推得,這兩個磁場會產生吸引的作用力,如圖二所示,如果我們對金屬平板施以向右的力,則電磁感應出的渦電流會有向左的吸引力,形成阻尼的作用。

換句話說,如果我們想要使一片運動中的金屬板停下的話,只要想辦法讓它通過磁場,即會產生渦電流而產生吸引的力量使之停下。

防止渦電流

然而,有時我們會不想要有渦電流產生阻尼、產生熱的情況發生,這時候我們可以用改變金屬板的結構來達成,例如,將金屬板做成多孔型或梳子型(見圖四),使每片金屬片面積減小,讓渦電流結構較破碎,就可以有效降低阻尼的作用產生,同時降低熱能耗散,這也是為甚麼變壓器中的鐵芯會利用層片製作的原理。

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圖四、實心、多孔型、以及梳子型金屬板示意圖。(陳義裕繪)


參考文獻

  1. Eddy current — https://en.wikipedia.org/wiki/Eddy_current
  2. 普物演示廳:電磁煞車示範裝置|中興大學物理系。http://experiment.phys.nchu.edu.tw/device/exp16.htm

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