涡流定义

涡流（Eddy currents），在电磁学中也称为傅科电流（Foucault's currents），是指在导体内部由导体内的磁场变化（根据法拉第感应定律）或导线在磁场中相对运动所感应产生的电流环。

涡流的紧密环路以与磁通量相反的方向穿过导体。例如，可以通过交流电磁铁或变压器的时变磁场，或者通过磁体与相邻导体之间的相对运动，在附近静止的导体中产生它们。

给定环路内电流的幅度与物质的电阻率成反比，并与磁场的强度、环路的面积以及磁通量变化率有关。这些在金属块中的环形电流可以在图上可视化，并类似于液体中的涡流或漩涡。

楞次定律指出，涡流产生的磁场会抵抗引起它的磁场的变化，从而使涡流反作用于磁场的源头。 例如，由运动磁体产生的涡流会在相邻的导电表面产生一个阻碍其运动的阻力。涡流制动器利用这一现象来迅速停止旋转的电动工具。此外，由于电流流过导体的电阻，能量会以热量的形式在材料中损失。

由于涡流是交流电（AC）电感、变压器、发电机和电动机以及其他交流电机中的电损耗源，因此有必要采用特殊结构来减少它们，例如多层磁芯或铁氧体磁芯。感应加热设备和炉子利用涡流来加热物体，而涡流测试工具则用于查找金属部件中的缺陷和裂纹。

法国第25任总理弗朗索瓦·阿拉戈（Fran�ois Arago，1786-1853），他同时也是一位数学家、物理学家和天文学家，是第一个观察到涡流的人。他在1824年注意到了如今称为旋转磁性现象，以及几乎所有导电体都可以被磁化；迈克尔·法拉第（1791-1867）完成了并阐明了这些观察。

楞次定律，由埃米尔·楞次（Emil Lenz）于1834年首次提出，指出物体内感应电流的方向将使其产生的磁性与产生电流的磁通量变化相反。涡流产生的二次场部分抵消了外部电场的一部分，导致一部分外部磁通量逃离导体。

法国物理学家莱昂·傅科（L�on Foucault，1819-1868）被认为是涡流的发现者。1855年9月，他发现当一个铜盘在磁体两极之间旋转时，需要更大的力来转动它，并且由于产生的涡流，金属也会发热。1879年，当大卫·E·休斯（David E. Hughes）将这些概念应用于冶金分选测试时，这是涡流首次用于无损检测。

涡流的特性

涡流在具有非零电阻的导线中产生电磁力和热量。热量可以实现感应加热。电磁力可以实现悬浮、运动或强大的制动作用。涡流也可能造成损坏，例如变压器功率损耗。在这种用途中，通过使用薄板、导体叠片或其他与导体形状相关的方面来减少它们。

在导体中，集肤效应是由自产生的涡流引起的。另一方面，它可以用于无损地测试材料，以寻找微裂纹等几何特征。由外部产生的涡流引起的邻近效应具有类似的影响。

当场以及物体相对于彼此静止时，物体或其一部分经历稳定的场强和方向；否则，由于导体的形状阻止电流流动，场是不稳定的。这些事件导致电荷在物体上或内部堆积，产生静电冲击势，阻止任何进一步的电流。虽然静电势可能最初是由电流产生的，但这些势可能只存在很短的时间。

某些能量来源，例如动能，通过涡流引起的电阻损耗转化为热量。电动机、铁芯变压器以及其他利用变化的磁场的设备因此类焦耳加热而效率降低。这些设备通过使用磁导率低且导电性差的铁氧体作为磁芯材料，或者通过使用薄磁片（即叠片）来减少涡流。

由于层压板之间的绝缘空间，电子无法以宽弧形运动。类似于霍尔效应，电荷在层压板的边缘堆积，产生电场，阻止任何额外的电荷堆积，从而抑制了涡流。随着相邻层压板之间距离的减小，或者每单位面积的层压板数量增加（平行于施加的磁场），涡流的减小会增加。

虽然有一些有用的应用，但输入能量转化为热量并不一定是一件坏事。涡流制动器（例如在某些火车制动器中看到的）就是一个例子。当金属轮在制动时受到电磁铁磁场的作用，会在车轮中产生涡流。涡流是由车轮的旋转产生的。

因此，根据楞次定律，涡流的磁场会对其预期结果产生反作用。结果是，首先会有一个阻止车轮运动的力。车轮转动越快，效果越大，因此随着火车减速，制动力减小，从而产生平稳的制动效果。

应用

1. 电制动

通过应用涡流制动器，可以减慢或停止运动的物体。由于没有与碟式制动器或鼓式制动器接触，因此不会产生机械磨损。然而，涡流制动器无法产生“保持”扭矩，因此可以与机电制动器一起使用，例如在起重机上。

在一些过山车上，另一个应用是将从车辆伸出的重型铜板在两对非常强大的永磁体之间移动。由于板内的电抗性引起的拖曳效应，汽车的动能会损失，这类似于摩擦。

在火车上的电磁制动器以及圆锯等动力设备中也使用相同的方法来立即停止刀片。与永磁体相比，电磁铁允许改变磁场的强度，从而改变制动效果的程度。

2. 排斥效应和悬浮

感应电流的效应在变化的磁场中类似于抗磁性排斥。导电物体会受到排斥力。通过恒定的功率输入来补充涡流损失的能量，可以使物体克服重力而升高。涡流分离器的一个应用是将铝罐与其他金属分开。

铝和其他有色导体被推离磁铁，这可以将废水分离成黑色金属和有色废钢。黑色金属会吸附在磁铁上，而铝和其他有色导体则会吸附在磁铁上。

通过将便携式磁铁（例如钕磁铁）以非常小的距离快速划过硬币，可以轻松观察到非常相似的效果。即使硬币不包含任何磁性部件，例如美分硬币，根据磁铁的强度、硬币的身份以及它们之间的距离，仍然可以使其比磁铁稍微向前拉。另一个例子是将一个强磁铁以非常慢的速度穿过一个铜管。

3. 金属识别

在投币式自动售货机中，有时会使用涡流来识别假币或“杂币”。当硬币通过一个不动的磁铁时，涡流会使硬币移动得更慢。硬币金属的电导率决定了涡流的强度以及产生的减速程度。杂币由于减速方式与真币不同，因此被送入拒币槽。

4. 位置和振动检测

在某些类型的接近传感器中，涡流被用来监测轴承内旋转轴的运动和振动。通用电气（General Electric）的研究人员在1930年代使用胡佛管电子设备发明了这项技术。唐纳德·E·本特利（Donald E. Bently）在1950年代后期于本特利内华达公司（Bently Nevada Corporation）创建了固态版本。

这些传感器对于观察现代涡轮机械中微小的振动（数量级为千分之一英寸）特别适用，因为它们对非常小的位移非常敏感。用于振动测量的接近传感器的常用比例因子为 200 mV/mil。

由于这些传感器在涡轮机械中的广泛使用，行业已经制定了规定其使用方式的标准。例如，这些标准包括 ISO 7919 和美国石油学会（API）标准 670。