电磁感应与交流电的电效应

1.电磁感应

当交流电通过一个线圈时，在这个线圈的内部和周围将产生一个交变磁场，如果将一个导体（金属工件）置于一个交变磁场中，则在这个导体上就会产生感应电动势和感应电流，这种现象称为电磁感应。

感应电动势E（V）的大小为

E=4.44fnΦ10^-8 （2-1）

式中，f为磁通变化频率（电流频率）（Hz）；n为线圈匝数；Φ为穿过导体的总磁通量（Wb）。

由式（2-1）可知，感应电动势的大小与磁通变化频率（即交流电频率）和磁通量大小有关。

电磁感应现象说明了电磁感应的实质，即交变电场能够引起交变磁场，反之，交变磁场也能引起交变电场。其意义在于，电磁感应能够将电能经由真空、空气或其他介质所构成的空隙，传递给需要加热的金属工件，而电源与被加热的金属工件之间无需有任何方式的直接接触。这就是感应加热基础。

在交变磁场中的导体所产生的感应电流在导体内自成回路称为涡流。

式中，I为涡流（A）；E为感应电动势（V）；Z为导体的阻抗（Ω）。

涡流使导体本身发热，所产生的热量Q（J）可根据焦耳-楞次定律计算：

Q=I²Rt （2-3）

式中，I为涡流（A）；R为导体的电阻（Ω）；t为加热时间（s）。

由此可见，电磁感应在感应加热中起到了把电磁能传递到工件并转换成热能，进而使金属工件加热的作用。

2.趋肤效应

趋肤效应也称集肤效应或表面效应。当直流电流流过导体时，导体截面上任意一点的电流密度是均匀的。电流密度i（A/cm²）的大小可由式（2-4）表示：

式中，I为流过导体的电流（A）；A为导体截面面积（cm²）。

但是，当交流电通过导体时，导体截面上电流密度分布是不均匀的，越接近表面电流密度越大，越接近心部电流密度越小，这种电流密度倾向于表面增大的现象称为电流的趋肤效应（见图2-1）。设想把导体理解成由无限多的细线组成，当导体两端加上交流电时，导体中建立交变磁场。由于电磁感应效应，这些细线通过的交流电都会在其周围引起交变磁场，形成磁通。靠近导体中心的细线既交链导体外部磁通也交链导体内部磁通，所以它产生的感应电动势就最大，而靠近导体表面的细线，只交链外部磁通，它产生的感应电动势最小，而感应电动势与外加电场方向相反，结果导致合成电动势由导体表面向心部逐渐减弱。因此，电流密度由导体表面到心部逐渐减小。

图2-1 导体截面上电流密度的分布

a）直流电通过导体时导体截面上电流密度分布情况 b）交流电通过导体时导体截面上电流密度分布情况

导体截面上各点的电流密度i_x（A/cm²）可由式（2-5）计算：(www.xing528.com)

i_x=i₀e^-x/Δ （2-5）

式中，i₀为表面电流密度（A/cm²）；e为自然对数底数；x为导体截面上任意处至表面的距离（cm）；Δ为电流透入深度（cm）。

由式（2-1）可知感应电动势E与电流频率f成正比。因此，电流频率越高，电流的趋肤效应越显著。交流电的趋肤效应为实现感应淬火和感应器制作中无须采用过大截面的导体提供了依据。

3.邻近效应

当两个相互平行且互相靠近的导体分别通入交流电时，由于电磁感应的作用，两个导体中的电流密度要重新分配。如果在任何瞬间两平行导体中的电流方向都相同，则电流密度最大处集聚在两导体的外侧面，这种现象称为邻近效应（见图2-2）。

图2-2 通电导体的邻近效应

a）平行导体通入方向相反、大小相等的电流时 b）平行导体通入方向相同、大小相等的电流时

利用邻近效应原理，在实际生产中设计适当的感应器，可对工件表面的一定部位进行加热。

4.环形效应

交流电通入一个环形导体时，将出现类似邻近效应的现象，电流密度最大处集聚在环形导体的内侧，这种现象称为环形效应（见图2-3）。在实际生产中我们应用环形效应电流密度集聚在环的内侧的原理，制成圆环形感应器加热圆柱形工件的外表面。

5.有磁路存在时的趋肤效应

环形效应对加热工件外表面是十分有效的，特别是圆柱形工件，然而在加热工件的内表面时，由于电流密度集聚在感应器的内侧，而外侧几乎为零，不利于工件加热。为改变这一状况，可采用图2-4所示的在一个矩形导体外面装了“Π”形的导磁体，然后对导体通上交流电使磁场与电流密度的分布发生变化。

图2-3 环形效应原理

图2-4 在有磁路存在时的趋肤效应

导磁体是具有良好磁导率、磁阻很小的磁性材料。当导体装上“Π”形导磁体后，通电导体产生的磁场磁力线绝大部分通过电磁体，并在“Π”导磁体的开端闭合形成回路。在有磁路存在时导体截面上电流密度最大处集聚在磁路开端一面的导体表面上，这种现象称为在有磁路存在时的趋肤效应。

图2-5 环形导体截面电流密度的分布

如图2-5所示，将圆环形感应器环形部分导体装上“Π”形导磁体后，环形导体截面上电流密度将重新分配，电流密度最大处集聚在磁路开端的环形导体外侧面。这样，在对内表面加热时，在邻近效应的作用下，可获得良好的加热效果。利用在有磁路存在时趋肤效应的原理，不仅可对工件的内表面实行感应加热，而且可对工件的平面和某些特定部位进行感应加热，在实际生产中应用非常普遍。

综合以上所述，感应加热就是通过电磁感应将几个电效应加以综合利用。这几个电效应也是设计各类合适感应器的依据。