涡流热效应影响因素的研究

赵虎 王凤 张可蒙

摘 要：涡流热效应是大学物理中非常重要的一个知识点。由于涡电流现象在日常生活中直接感受到的机会比较少，因此许多同学对理解这个知识点存在困难。也有许多同学试图通过制作演示实验装置，通过演示演示帮组大家更好的理解。本文主要对涡流热效应产生的原理、影响的因素进行了分析，并最终讨论了制作演示实验装置应该考虑的问题。

关键词：涡流；演示实验装置

物理是以观察和实验为基础的学科。课堂演示实验是帮助学生理解物理概念和物理规律的重要手段，特别是对一些复杂抽象的物理概念，好的演示实验可以取得事半功倍的效果。涡流是电磁学中的一个重要概念，由于在实际生活中直观感受到的机会不多，因此大多数同学对涡流的概念比较陌生。许多同学和老师都希望能通过设计涡流演示实验装置来帮助理解涡流的概念，为了使所设计的演示实验装置能达到较好的演示效果，首先研究了影响涡流热效应的各种因素，最后对计算结果进行了分析讨论。

1.涡流热效应产生的原理

块状金属在变化的磁场中或在磁场中运动时，产生的在金属块内自成闭合回路的感应电流叫做涡电流，简称涡流。如图1所示，当线圈中通以交变电流时，线圈内部将产生变化的磁场。根据麦克斯韦感生电场的假说，变化的磁场将产生变化的电场，就是涡旋电场，涡旋电场在导体内部就会形成涡电流，从而导致在导体内部产生热效应，这就是涡流热效应产生的原因。由于大块金属导体对应的横截面积一般比较大，由电阻定律可知大块金属导体的电阻会比较小，所以即使一个比较小的电动势也能产生一个较大的涡电流，进而产生大量的热量。因此涡电流的热效应被应用于生产生活中的许多领域。

2.涡流热效应的影响因素分析

为了方便计算，我们假定线圈为无限长密绕螺线管，内部的磁场为匀强磁场，线圈内部的导体为圓柱形导体。另外设线圈接入的是正弦交变电流，电流频率为f，则内部的磁场也为正弦交变磁场（如图2所示）。铁芯的半径为R，长度为L，电阻率为P，绝对磁导率为µ，密度为P'。由于磁感应强度与电流强度成正比，电流是正弦变化，因此可得

因此导体棒的升温速率与电流大小、匝数、导体棒磁导率、电流频率、导体棒的半径正相关，与比热容、导体棒的密度、电阻率成负相关，另外还要注意，导体棒的长度与升温速率无关，这是因为长度增大，会增加热功率，但是相应的需要加热的导体棒的质量也会增加。两种因素相互抵消，导致升温速度与导体棒长度无关。

3.分析和讨论

上述讨论的情况是在理想情况下，即线圈内部是匀强磁场，一般情况，如果线圈匝数密度越大，长度越长、横截面积越小，内部磁场越接近匀强磁场，否则内部磁场与匀强磁场差距较大，计算结果需要校正。为了使涡流热效应演示实验装置演示内容更充分完整，演示装置设计时，考虑要能够通过调节电流大小、频率、介质材质、线圈的径和长度等参数来演示对涡流热效应的影响，完善演示实验装置的功能。

上述计算过程中，我们假定内部是圆形导体棒，在设计演示实验过程中可以对这个模型进行改进，比如增加其他形状的导体、或者将导体棒改为一捆相互绝缘的金属丝等方式增加演示实验的内容。另外在演示实验设计中，可以尝试从另外一些角度表现涡流的热效应，例如热胀冷缩、热对流等方面，从而增加演示实验的感染性。

参考文献

[1]程守洙，江之永.普通物理学（第五版）[M].北京：高等教育出版社.2010.

[2]魏永峰，刘卓，李景竹.用电磁场理论对涡流损耗的探讨[J].物理通报，2001（06）.

作者简介：

赵虎（1997.01-），男，甘肃天水人，陕西省西安市西京学院本科在读，主要研究方向：演示实验仪器的开发和设计。

（作者单位：西京学院理学院）