渦電流；渦流

Posted on 2016/10/09 in 物理, 電磁學, 電磁感應 with 沒有迴響 27,967 views

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。

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。

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!

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。