涡流和磁屏蔽
电磁屏蔽
电磁屏蔽电磁屏蔽electromagnetic shielding防止或者减少电磁波侵入空间某些部位的措施。
通常的办法是用金属网或者金属壳将产生电磁波的区域与需防止侵入的区域隔开。
例如某些仪器或仪表常安装在金属箱中，又如高电压实验室的墙壁内及室顶中常埋设有金属的屏蔽网，以防止或减少它所受到的干扰及它对其余区域的干扰。
常选择有较高的电导率和磁导率的导体作为屏蔽物的材料。
因为高导电性材料在电磁波的作用下将产生较大的感应电流。
这些电流按照楞次定律将削弱电磁波的透入。
采用的金属网孔愈密,直到采用整体的金属壳,屏蔽的效果愈好，但所费材料愈多。
高导磁性的材料可以引导磁力线较多地通过这些材料，而减少被屏蔽区域中的磁力线。
屏蔽物通常是接地的，以免积累电荷的影响。
电磁波向大块金属透入时将不断衰减，直到衰减为零。
衰减的程度随着材料的电导率、磁导率及电磁波频率的增加而加大。
屏蔽的要求较高时往往采用多层屏蔽。
例如有时采用铸铁、坡莫合金、电解铜3种材料制成多层屏蔽，以满足导电、导磁等要求。
但是实现完全的屏蔽是很难办到的，因为被屏蔽的区域与其余区域之间往往仍需要有电路的连接，引线与引线、引线与外壳之间总存在着绝缘间隙，仍然为电磁波提供通道。
即使对于完全封闭的金属壳，在频率极低的外部电磁场作用下，理论上内部的磁通密度并不为零。
电磁场在导电介质中传播时，其场量[1]（E和H）的振幅随距离的增加而按指数规律衰减。
从能量的观点看，电磁波在导电介质中传播时有能量损耗，因此，表现为场量振幅的减小。
导体表面的场量最大，愈深入导体内部，场量愈小。
这种现象也称为趋肤效应。
利用趋肤效应可以阻止高频电磁波透入良导体而作成电磁屏蔽装置。
它比静电、静磁屏蔽更具有普遍意义。
电磁屏蔽是抑制干扰，增强设备的可靠性及提高产品质量的有效手段。
合理地使用电磁屏蔽，可以抑制外来高频电磁波的干扰，也可以避免作为干扰源去影响其他设备。
如在收音机中，用空芯铝壳罩在线圈外面，使它不受外界时变场的干扰从而避免杂音。
集肤效应、涡流、邻近效应及电磁屏蔽
05
电磁屏蔽
定义与原理
电磁屏蔽定义
电磁屏蔽是指通过特定的材料或结构 ，将电磁波限定在某一区域内，防止 其向外传播或干扰其他设备的技术。
屏蔽原理
电磁屏蔽主要利用屏蔽材料对电磁波 的反射、吸收和引导作用，使电磁波 在屏蔽材料内部产生衰减，从而达到 屏蔽的效果。
屏蔽材料与技术
屏蔽材料
常用的电磁屏蔽材料包括金属、导电高分子、碳材料等。金属具有良好的导电性和反射性能，是电磁 屏蔽的首选材料；导电高分子和碳材料则具有轻质、易加工等优点，适用于特定场合。
对电磁波的屏蔽作用。这种方法被广泛应用于电子设备中的电磁屏蔽设
计。
03
涡流检测
集肤效应还可以应用于涡流检测中。当交变磁场作用于导体时，会在导
体内部产生涡流。通过测量涡流引起的磁场变化，可以实现对导体缺陷、
裂纹等缺陷的检测。
03
涡流
定义与原理
涡流定义
当线圈中的电流随时间变化时，由于电磁感应，附近的另一个导体中会产生感应 电流，这种感应电流像水的旋涡一样，被称为涡流。
影响因素
导体间距
导体之间的距离越近，邻近效应越明显。当两个 导体紧密接触时，邻近效应将达到最大值。
电流大小
导体中的电流越大，产生的磁场越强，从而邻近 效应也越明显。
导体形状和尺寸
导体的形状和尺寸会影响其内部和外部磁场的分 布，从而影响邻近效应的大小。
应用场景
电力传输
在电力传输系统中，邻近效应可能导致电线之间的能量损失和干扰。为了减小这种影响， 可以采取增加电线间距、使用绞线等措施。
蔽效果，如电磁屏蔽室、电磁屏蔽材料等。
04
邻近效应
定义与原理
定义
邻近效应是指当两个导体彼此接近时，一个导体中的电流会 在另一个导体中产生感应电流，从而导致两个导体之间存在 相互作用的现象。
高二涡流、电磁阻尼
知识梳理涡流电磁阻尼和电磁驱动1、涡流①涡流的产生机理：处在磁场中的导体，只要磁场变化就会引起导体中的磁通量的变化，导体中就有感应电动势，这一电动势在导体内部构成回路，导体内就有感应电流，因为这种电流像水中的旋涡，所以称为涡流。
在大块的金属内部，由于金属块的电阻很小，所以涡电流很大，能够产生很大的热量。
严格地说，在变化的磁场中的一切导体内都有涡流产生，只是涡电流的大小有区别，以至一些微弱的涡电流就被我们忽视了。
②涡流的利用：利用高频真空冶炼炉冶炼高纯度的金属；用探测器探测地雷、探测地下电缆也是利用涡流的工作原理；利用涡电流可以治疗疾病；利用涡流探伤技术可以检测导电物体上的表面和近表面缺陷、涂镀层厚度和热处理质量（如淬火透入深度、硬化层厚度、硬度等）；还有上海的磁悬浮列车是利用涡电流减速的……③涡流的防止：防止涡流的主要途径是增大在变化的磁场中使用的金属导体的电阻：一是选用电阻率大的材料，二是把导体制作成薄片，薄片与薄片之间用绝缘材料相隔，这样增大电阻减小因涡电流损失的能量。
2、电磁阻尼导体与磁场相对运动时，感应电流受到的安培力总是阻碍它们的相对运动，利用安培力阻碍导体与磁场间的相对运动就是电磁阻尼，磁电式仪表的指针能够很快停下，就是利用了电磁阻尼。
上面提到的“磁悬浮列车利用涡电流减速”其实也是一种电磁阻尼。
3、电磁驱动导体与磁场相对运动时，感应电流受到的安培力总是阻碍它们的相对运动，应该知道安培力阻碍磁场与导体的相对运动的方式是多种多样的。
当磁场以某种方式运动时（例如磁场转动），导体中的安培力为阻碍导体与磁场间的相对运动使导体跟着磁场动起来（跟着转动），这就是电磁驱动。
其实不管是“电磁阻尼”还是“电磁驱动”，都是利用了楞次定律中的“阻碍”两个字。
［范例精析］例1已知某一区域的地下埋有一根与地表面平行的直线电缆，电缆中通有变化的电流，在其周围有变化的磁场，因此可以通过在地面上测量闭合试探小线圈中的感应电动势来探测电缆的确切位置、走向和深度。
高中物理第4章电磁感应7涡流、电磁阻尼和电磁驱动课件
7 涡流、电磁阻尼和电磁 驱动
学习目标
1.知道涡流的产生原因及 涡流的防止和应用. 2.知道电磁阻尼和电磁驱 动的原理和应用.
重点难点 重点 涡流的产生原
因和涡流的应 用. 难点 对涡流产生原 因的理解.
知识点一 涡流 提炼知识
由于电磁感应在导体中产生的像水中漩 定义
涡样的感应电流 若金属的电阻率小，涡流往往很强，产生 特点 的热量很多 (1)涡流热效应的应用：如真空冶炼炉 应用 (2)涡流磁效应的应用：如探雷器、安检门
电动机、变压器等设备中应防止铁芯中 涡流过大而导致浪费能量，损坏电器 防止 (1)途径一：增大铁芯材料的电阻率 (2)途径二：用相互绝缘的硅钢片叠成的 铁芯代替整个硅钢铁芯
判断正误
(1)涡流不是感应电流，而是有别于感应电流的特殊 电流．(×)
(2)涡流是一种感应电流，都是因为穿过导体的磁通 量变化而产生的．(√)
则由于克服安培力做功，金属块的机械能转化为电 能，最终转化为内能．
【典例 1】 (多选)高频焊接原理示意图如图所示．线 圈中通以高频变化的电流时，待焊接的金属工件中就产 生感应电流，感应电流通过焊缝时产生大量热量，将金 属熔化，把工件焊接在一起，而工件其他部分发热很 少．下列说法正确的是( )
A．电流变化的频率越高，焊缝处的温度升高得越快 B．电流变化的频率越低，焊缝处的温度升高得越快 C．工件上只有焊缝处温度升得很高是因为焊缝处的 电阻小 D．工件上只有焊缝处温度升得很高是因为焊缝处的 电阻大
的磁通量发生变化，待冶炼金属内不会产生涡流，选项 A
正确，选项 B 错误；
当感应炉内装入待冶炼的金属时，会在待冶炼的金属 中直接产生涡流来加热金属，从而使金属熔化，高频感应 炉不是利用线圈中电流产生的焦耳热，也不是利用线圈中 电流产生的磁场加热，选项 C 错误，选项 D 正确．
电力变压器磁屏蔽模型涡流场和损耗的计算与测量
线 圈测量装置） ，并用 ＭａＮ ｔ ｇ ｅ 软件进行 了数值计算。基 准模 型的计算和测量 结果相吻合 ，验证 了计算 方
法和软件的有效性。 关 键 词 ：涡 流 ；磁 屏 蔽 ；磁 滞 损 耗 ；各 向 异 性 ；硅 钢 迭 片 ；杂散 损 耗 中 图 分 类 号 ：Ｔ ３ Ｍ ０ Ｍ９ ；Ｔ ４ １ 文 献标 识 码 ：Ａ
密 的单 元 构 成 ，而 两 表 层 中 间 部 分 的 单 元 较 粗 。
对 于 时 间 微 分 项 的 处 理 采 用 准 非 线 性 法 。
２ ２ 硅钢 叠片 材料 的磁各 向异 性处理 ．
在 磁 屏 蔽 模 型 中 ，硅 钢 片 的 厚 度 仅 为 ０ ３ ． ｍ ｍ，在 大 尺 寸 三 维 涡 流 场有 限 元 分 析 中非 常薄 的 有 限元 网 格 分 层 给 计 算 带 来 很 大 的 困 难 。 同 时 ， 单 张硅 钢 片 的 特 性 与 整 体 硅 钢 叠 片屏 蔽 的 特 性 是
钢 叠 片 表 层 考 虑 各 向 异 性 ，但 其 内 部 设 电 导 率
为零
［ ］＝ ｃ
［］的 ４ 。叠 表 片层 组
． 为 电 流 矢 量 位 ， ２ ３ 杂 散损耗 计算 磁 屏 蔽 构 件包 括 硅 钢 ： 叠片 和 导 磁 钢 板 ，硅 钢
常涡 流 损 耗 ３个 分 量 。普 通 钢 板 中 的损 耗 可 以考 虑 涡 流 损 耗 和 磁 滞 损 耗 两 个部 分 。 导 磁 钢 板 中 的涡 流 损 耗 Ｐ 计 算 公 式 为
（ ） 选 择 合 适 的金 属 部 件 结 构 和 尺 寸 ； （ ） 选 择 实 验 研 究 室 测 量 并 提 供 ，见 文 献 ［ ］ １ ２ ２ 。磁 屏 蔽 是 合 适 的 结 构部 件 材 料 ； （ ） 采 用 电磁 屏 蔽 或 磁 屏 ３
磁场的屏蔽问题.
磁场的屏蔽问题，是一个既具有实际意义又具有理论意义的问题。
根据条件的不同，电磁场的屏蔽可分为静电屏蔽、静磁屏蔽和电磁屏蔽三种情况，这三种情况既具有质的区别，又具有内在的联系，不能混淆。
静电屏蔽在静电平衡状态下，不论是空心导体还是实心导体；不论导体本身带电多少，或者导体是否处于外电场中，必定为等势体，其内部场强为零，这是静电屏蔽的理论基础。
因为封闭导体壳内的电场具有典型意义和实际意义，我们以封闭导体壳内的电场为例对静电屏蔽作一些讨论。
（一）封闭导体壳内部电场不受壳外电荷或电场影响。
如壳内无带电体而壳外有电荷q，则静电感应使壳外壁带电（如图1）。
静电平衡时壳内无电场。
这不是说壳外电荷不在壳内产生电场，根发电场。
由于壳外壁感应出异号电荷，它们与q在壳内空间任一点激发的合场强为零。
因而导体壳内部不会受到壳外电荷q或其他电场的影响。
壳外壁的感应电荷起了自动调节作用。
如果把上述空腔导体外壳接地（图2），则外壳上感应正电荷将沿接地线流入地下。
静电平衡后空腔导体与大地等势，空腔内场强仍然为零。
如果空腔内有电荷，则空腔导体仍与地等势，导体内无电场。
这时因空腔内壁有异号感应电荷，因此空腔内有电场（图3）。
此电场由壳内电荷产生，壳外电荷对壳内电场仍无影响。
由以上讨论可知，封闭导体壳不论接地与否，内部电场不受壳外电荷影响。
（二）接地封闭导体壳外部电场不受壳内电荷的影响。
如果壳内空腔有电荷q，因为静电感应，壳内壁带有等量异号电荷，壳外壁带有等量同号电荷，壳外空间有电场存在（图4），此电场可以说是由壳内电荷q间接产生。
也可以说是由壳外感应电荷直接产生的但如果将外壳接地，则壳外电荷将消失，壳内电荷q与内壁感应电荷在壳外产生电场为零（图5）。
可见如果要使壳内电荷对壳外电场无影响，必须将外壳接地。
这与第一种情况不同。
这里还须注意：①我们说接地将消除壳外电荷，但并不是说在任何情况壳外壁都一定不带电。
假如壳外有带电体，则壳外壁仍可能带电，而不论壳内是否有电荷（图6）。
涡流、电磁阻尼和电磁驱动[可修改版ppt]
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工具
第四章 电磁感应
一、涡流
1．概念：用整块金属材料作铁芯绕制的线圈，当线圈中通 有变化的电流时．变化的电流会产生变化的 磁场 ， 变 化
的 磁场 穿过 铁芯 ． 整 个 铁 芯 会 自 成 回 路 ． 产 生
感应电流 ．这种电流看起来像水的旋涡，把这种电流叫做
涡电流，简称涡流．
磁电式仪表的线圈常常用铝框做骨架，把线圈绕在铝框上 图乙．假定仪表工作时指针向右转动，铝框中的感应电流沿什 么方向？由于铝框转动时其中有感应电流，铝框要受到安培 力．安培力是沿什么方向的？安培力对铝框的转动产生什么影 响？使用铝框做线圈骨架有什么好处？
乙 为什么用铝 框做线圈骨架？
【点拨】 仪表工作时指针向右转动，铝框中的感应电流 方向(从上往下看)沿铝框逆时针方向，铝框左边受向下的安培力， 而右边受向上的安培力，安培力阻碍线圈的转动．使用铝框做 线圈骨架的目的是利用感应电流来起到电磁阻尼作用，使线圈 偏转后尽快停下来．
练习、如图所示，在一蹄形磁铁下面放一个铜盘，铜盘 和磁铁均可以自由绕OO′轴转动，两磁极靠近铜盘，但不接 触．当磁铁绕轴转动时，铜盘将( )
A．以相同的转速与磁铁同向转动 B．以较小的转速与磁铁同向转动 C．以相同的转速与磁铁反向转动 D．静止不动
〔况．用导线把微安表的正、负两个接线柱连在一起，再次晃 动表壳，表针相对表盘的摆动情况与刚才有什么不同？怎样解 释这种差别？
【点拨】 用导线把微安表的两个接线柱连在一起后，用 手晃动表壳，表针的摆动幅度大大减小，因为用导线把微安表 两接线柱连在一起，就形成了闭合回路，产生感应电流从而阻 碍它们的相对运动．
2．应用 (1)涡流热效应的应用，如 真空冶炼炉 ． (2)涡流磁效应的应用，如 探雷器 ．
车涡流、电磁阻尼和电磁驱动
电流，感应电流使导体受到安培力的作用而运动起来的现象．
2．应用：感应电动机、电能表、汽车上用的电磁式速度表
等．
知识点 4 涡流、电磁阻尼、电磁驱动的区别与联系
涡流 电磁阻尼 电磁驱动
感 块状金属在变化的磁场 导体相对于磁场运 磁场相对于导体 区 应 中或在磁场中运动时，金 动时，导体产生感 运动时，导体产生 别 电 属块内产生的感应电流 应电流 感应电流 流
图 4－7－1 解析：当线圈中通过高频交变电流时，由于电磁感应，圆 形金属工件中产生的感应电动势大小为
ΔΦ ΔB 2 ΔB E＝ Δt ＝S· Δt ＝πr · Δt ＝100 V
工件非焊接部分的电阻 R1＝R0·2πr，代入数据得
R1＝2×10-3 Ω
焊接部分的电阻 R2＝99R1， 根据串联电路的电压分配关系， R2 R2 两端电压 U＝ E R1＋R2 U2 U2 R2E2 由 P＝ R 得，焊接处产生的热功率 P＝ R ＝ 2，代 R ＋ R 2 1 2 入数据解得 P＝4.95×104 W.
1.如图 4－7－2 所示，在水平地面下有一条沿东西方向铺设
的水平直导线，导线中通有自东向西稳定、强大的直流电流． 现用一闭合的检测线圈(线圈中串有灵敏的检流计，图中未画出) 检测此通电直导线的位置，若不考虑地磁场的影响，在检测线 圈位于水平面内，从距直导线很远处由此向南沿水平地面通过
导线的上方并移至距直导线很远处的
位置落至 B 位置，在下落过程中，自上向下看，线圈中的感应 电流方向为( C )
图 4－7－4
A．始终顺时针
C．先顺时针，再逆时针
B．始终逆时针
D．先逆时针，再顺时针
题型2
电磁阻尼、电磁驱动分析
【例 3】如图 4－7－5 Байду номын сангаас示，两个相等的轻质铝环套在一
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《电工技能与训练》
电子与信息技术专业教研组
(3) 将相邻的两个线圈互相垂直放置。 产生的互感电动势相互抵消。
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第六节
涡流和磁屏蔽
一、涡流 二、磁屏蔽
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一、涡流
1． 涡 流
把块状金属放在交变磁场中，金属块内将产生感应电流。 这种电流在金属块内自成回路，象水的旋涡，因此叫涡电 流，简称涡流。
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由于整块金属电阻很小，所以涡流很大，不可避免地使 铁心发热，温度升高，引起材料绝缘性能下降，甚至破坏绝 缘造成事故。铁心发热，还使一部分电能转换为热能白白浪 费，这种电能损失叫涡流损失。
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铁心采用硅钢片，是因为这种钢比普通 钢电阻率大，可以进一步减少涡流损失， 硅钢片的涡流损失只有普通钢片的1/5 ~1/4。
《电工技能与训练》
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2. 涡流的应用
在一些特殊场合，涡流也可以被利用，如: (1), 可用于有色金属和特种合金的冶炼。利用涡流加热的 电炉叫高频感应炉，它的主要结构是一个与大功率高频交 流电源相接的线圈，被加热的金属就放在线圈中间的坩埚 内，当线圈中通以强大的高频电流时，它的交变磁场在坩 埚内的金属中产生强大的涡流，发出大量的热，使金属熔 化。
二、磁屏蔽
1．磁屏蔽
在电子技术中，仪器中的变压器或其他线圈所产生的
漏磁通，可能会影响某些器件的正常工作，出现干扰和自
激，因此必须将这些器件屏蔽起来，利用屏蔽罩涡流发热消 耗外界交变磁场，使其免受外界磁场的影响，这种措施叫磁
屏蔽。
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2．方法
(1) 利用软磁材料制成屏蔽罩， 将需要屏蔽的器件放在铁罩内。 （2）涡流去磁作用消除高频交变磁场 常常用铜或铝等导电性能良好的金属制成屏蔽罩。
《电工技能与训练》
电子与信息技术专业教研组
(2), 家庭中的高频电磁炉利用涡流加热 它的主要结构是一个高频交流电源相接的线圈，被加热 的食物就放在线圈中间的铁锅内，当线圈中通以强大的高 频电流时，它的交变磁场在铁锅内的金属中产生强大的涡 流，发出大量的热，使食物变熟。
《电工技《电工技能与训练》
电子与信息技术专业教研组
在电机、电器的铁心中，完全消除涡流是不可能的，但 可以采取有效措施尽可能地减小涡流。为减小涡流损失，电 机和变压器的铁心通常不用整块金属，而用涂有绝缘漆的薄 硅钢片叠压制成。这样涡流被限制在狭窄的薄片内，回路电 阻很大，涡流大为减小，从而使涡流损失大大降低。