渦流

渦流

渦流是一個漩渦型的水漩,由反水流的活動形成。絕大多數的渦流,不是很強大。強渦流被稱為Maelstrom,但和渦流是同一個原理,所有有下沉氣流的渦流亦可稱為渦(Vortex)。海洋渦流通常是由潮汐引起的,非常小的渦流可以很容易地在浴缸或水槽排水時看到。但這些都和自然形成的渦流性質非常不同。導體的外周長越長,交變磁場的頻率越高,渦流就越大。導體內部的渦流也會產生熱量,如果導體的電阻率小,則渦流很強,產生的熱量就很大。電磁感應作用在導體內部感生的電流。又稱為傅科電流。

基本信息

科技名詞定義

渦流渦流

中文名稱:渦流

英文名稱:vortexflow;eddycurrent

其他名稱:有鏇流動

定義1:質點流速形成微小質團轉動的流動,即角速度不等於零。所屬學科:地理學(一級學科);水文學(二級學科)

定義2:物質中沿閉合路徑環流的感應電流。所屬學科:電力(一級學科);通論(二級學科)

定義3:由於磁場的時間或空間(或二者)的變化,在導體中感應的鏇渦電流。所屬學科:機械工程(一級學科);試驗機(二級學科);無損檢測儀器-磁粉探傷機(三級學科)

定義4:流體微團有轉動的流動。所屬學科:水利科技(一級學科);水力學、河流動力學、海岸動力學(二級學科);水力學(水利)(三級學科)

渦流現象

渦流(eddycurrent)在一根導體外面繞上線圈,並讓線圈通入交變電流,那么線圈就產生交變磁場。由於線圈中間的導體在圓周方向是可以等效成一圈圈的閉合電路,閉合電路中的磁通量在不斷發生改變,所以在導體的圓周方向會產生感應電動勢和感應電流,電流的方向沿導體的圓周方向轉圈,就像一圈圈的漩渦,所以這種在整塊導體內部發生電磁感應而產生感應電流的現象稱為渦流現象。導體的外周長越長,交變磁場的頻率越高,渦流就越大。導體內部的渦流也會產生熱量,如果導體的電阻率小,則渦流很強,產生的熱量就很大。

原理

電磁感應作用在導體內部感生的電流。又稱為傅科電流。導體在磁場中運動,或者導體靜止但有著隨時間變化的磁場,或者兩種情況同時出現,都可以造成磁力線與導體的相對切割。按照電磁感應定律,在導體中就產生感應電動勢,從而驅動電流。這樣引起的電流在導體中的分布隨著導體的表面形狀和磁通的分布而不同,其路逕往往有如水中的漩渦,因此稱為渦流。渦流在導體中要產生熱量。所消耗的能量來源於使導體運動的機械功,或者建立時變電磁場的能源。因此在電工設備中,為了防止渦流的產生或者減少渦流造成的能量損失,將鐵心用互相絕緣的薄片或細絲疊成,並且採用電阻率較高的材料如矽鋼片或鐵粉壓結的鐵心。另一方面,利用渦流作用可以做成一些感應加熱的設備,或用以減少運動部件振盪的阻尼器件等。導體在非均勻磁場中移動或處在隨時間變化的磁場中時,因渦流而導致能量損耗稱為渦流損耗。渦流損耗的大小與磁場的變化方式、導體的運動、導體的幾何形狀、導體的磁導率和電導率等因素有關。渦流損耗的計算需根據導體中的電磁場的方程式,結合具體問題的上述諸因素進行。用來冶煉合金鋼的真空冶煉爐,爐外有線圈,線圈中通入反覆變化的電流,爐內的金屬中產生渦流。渦流產生的熱量使金屬熔化。利用渦流冶鍊金屬的優點是整個能在真空中進行,這樣就能防止空氣中的雜質進入金屬,可以冶煉高質量的合金。電動機,變壓器的線圈都繞在鐵心上。線圈中流過變化的電流,在鐵心中產生的渦流使鐵心發熱,浪費了能量,還可能損壞電器。因此,我們要想辦法減小渦流。途徑之一是增大鐵心材料的電阻率,常用的鐵心材料是矽鋼。如果我們仔細觀察發電機、電動機、和變壓器,就可以看到,它們的鐵心都不是整塊金屬,而是用許多薄的矽鋼片疊合而成。為什麼這樣呢?原來,把塊裝金屬置於隨時間變化的磁場中或讓它在磁場中運動時,金屬塊內將產生感應電流。這種電流在金屬塊內自成閉合迴路,很像水的漩渦,因此叫做渦電流簡稱渦流。整塊金屬的電阻很小,所以渦流常常很強。如變壓器的鐵心,當交變電流穿過導線時,穿過鐵心的磁通量不斷隨時間變化,它在副邊產生感應電動勢,同時也在鐵心中產生感應電動勢,從而產生渦流。這些渦流使鐵心大量發熱,浪費大量的電能,效率很低。但渦流也是可以利用的,在感應加熱裝置中,利用渦流可對金屬工件進行熱處理。大塊的導體在磁場中運動或處在變化的磁場中,都要產生感應電動勢,形成渦流,引起較大的渦流損耗。為減少渦流損耗,交流電機、電器中廣泛採用表面塗有薄層絕緣漆或絕緣的氧化物的薄矽鋼片疊壓製成的鐵心,這樣渦流被限制在狹窄的薄片之內,磁通穿過薄片的狹窄截面時,這些迴路中的淨電動勢較小,迴路的長度較大,迴路的電阻很大,渦流大為減弱。再由於這種薄片材料的電阻率大(矽鋼的渦流損失只有隻有普通鋼的1/5至1/4),從而使渦流損失大大降低。另一方面,利用渦流作用可以做成一些感應加熱的設備,或用以減少運動部件振盪的阻尼器件等。如:我們常見的電磁爐。就是採用渦流感應加熱原理;其內部通過電子線路板組成部分產生交變磁場、當用含鐵質鍋具底部放置爐面時,鍋具即切割交變磁力線而在鍋具底部金屬部分產生渦流,使鍋具鐵分子高速無規則運動,分子互相碰撞、摩擦而產生熱能,用來加熱和烹飪食物,從而達到煮食的目的。

原理圖原理圖

渦流損耗(eddy current loss)

導體在非均勻磁場中移動或處在隨時間變化的磁場中時,因渦流而導致的能量損耗。渦流是上述情況下導體內的感生的電流。這種電流在導體中形成一圈圈閉合的電流線,稱為渦流(又稱傅科電流)。

渦流損耗的大小與磁場的變化方式、導體的運動、導體的幾何形狀、導體的磁導率和電導率等因素有關。渦流損耗的計算需根據導體中的電磁場的方程式,結合具體問題的上述諸因素進行。

置於隨時間變化的磁場中的導體內,也會產生渦流,如變壓器的鐵心,其中有隨時間變化的磁通,它在副邊產生感應電動勢,同時也在鐵心中產生感應電動勢,從而產生渦流。這些渦流使鐵心發熱,消耗電能,這是不希望有的。但在感應加熱裝置中,利用渦流可對金屬工件進行熱處理。

大塊的導體在磁場中運動或處在變化的磁場中,都要產生感應電動勢,形成渦流,引起較大的渦流損耗。為減少渦流損耗,常將鐵心用許多鐵磁導體薄片(例如矽鋼片)疊成,這些薄片表面塗有薄層絕緣漆或絕緣的氧化物。磁通穿過薄片的狹窄截面時,渦流被限制在沿各片中的一些狹小迴路流過,這些迴路中的淨電動勢較小,迴路的長度較大,再由於這種薄片材料的電阻率大,這樣就可以顯著地減小渦流損耗。所以,交流電機、電器中廣泛採用疊片鐵心

渦流探測及其他

渦流金屬探測器有一個流過一定頻率交變電流的探測線圈,該線圈產生的交變磁場在金屬物中激起渦流,隱蔽金屬物的等效電阻、電感也會反射到探測線圈中,改變通過探測線圈電流的大小和相位,從而探知金屬物。渦流金屬探測器可用於探測行李包中的槍枝、埋於地表的地雷、金屬覆蓋膜厚度等當然,在生產和生活中,有時也要避免渦流效應。如電機、變壓器的鐵芯在工作時會產生渦流,增加能耗,並導致變壓器發熱。要減少渦流,可採用的方法是把整塊鐵芯改成用薄片疊壓的鐵芯,增大迴路電阻,削弱迴路電流,減少發熱損失

感應加熱電磁渦流加熱汽車聯動桿熱處理感應加熱電磁渦流加熱汽車聯動桿熱處理

流體力學中的渦流

在流體力學和水力學中的渦流是指流體的鏇轉角速度矢量為零,也稱為有鏇運動,及流體質點或流體微團在運動過程中繞其自身軸線鏇轉

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