电磁阻尼

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引言

简而言之，阻尼是对任何物体运动的阻碍作用。电磁阻尼与电磁感应的概念密切相关，因此首先学习电动势 (emf) 的感应非常重要。在本教程中，我们将讨论为什么感应电流（涡流）会形成以及它们如何影响物体或导体的运动。电磁阻尼与磁场强度、物体速度、感应电流值等各种因素的关系和比例关系也是一个重要的问题。

什么是阻尼？

阻尼是指降低任何物体速度，或通常来说，阻碍物体在振荡下运动的影响。它是有意引入的，以控制需要时物体的运动。有几种阻尼技术被使用，包括：

• 粘性阻尼 − 通过在振荡系统中加入粘性流体，粘度可以阻碍运动。

• 摩擦阻尼 − 这是阻碍任何倾向于运动或振荡的物体的运动的传统方法，通过使接触面粗糙。它产生阻尼摩擦，从而降低物体的速度。

• 空气阻力 − 当物体穿过空气运动时，空气施加的阻力也是一种阻尼形式。其方向也与物体的相对运动方向相反。空气阻力阻尼最常见的例子是简单的摆锤如何自行在一段时间后停止摆动。

除了上述例子外，还有电磁阻尼，它是迄今为止最引人入胜且最有效的阻尼方法。

什么是电磁阻尼？

顾名思义，电磁阻尼是一种通过使用电动势和磁场来诱导运动阻力的方法。它与其他阻尼技术不同的一个非常有趣的原因是，它不需要与运动物体直接物理接触即可发挥作用。它利用感应电动势和在旋转方向产生的电流，这些电流由于楞次定律而具有相反的性质。磁场和感应电流的相互作用产生了电磁阻尼。

电磁感应

为了完全理解电磁阻尼的概念，我们需要了解“电磁感应”，这是迈克尔·法拉第在 1831 年首次发现的。根据这种现象，只要将导体置于时变磁场中，就会在其两端产生电动势 (emf)。这被称为电磁感应。感应电动势的方向总是以抵消初始磁场变化的方式进行。这被称为楞次定律。

涡流

此外，由于导体两端的感应电动势，由于导体内部电子的运动和流动，会在导电路径中产生感应电流。这些感应电流被称为涡流，它是由莱昂·傅科在 1851 年首次发现的，因此有时也被称为傅科电流。感应电流呈环路或涡旋状。电子在导体内部像漩涡中的水一样旋转和流动。产生的涡流的大小取决于磁场强度、磁场变化的速度（换句话说，通量变化的速度）、导体的面积等。

与电磁阻尼相关的公式和定律

反过来，这些产生的涡流会产生一个磁场，该磁场会阻止导体所经历的磁场变化。这就是楞次定律。它可以正式表述为：“由于磁场变化而在电路中感应的电流的方向将是这样的：它会阻碍磁通量的变化，并施加一个阻碍运动的机械力”。

数学上可以表示为：

$$\mathrm{E=-\frac{d \phi }{dt}}$$

其中$\mathrm{\phi}$是磁通量，E是产生的电动势。磁通量相当于穿过导体表面的磁力线数量。负号表明产生的电动势会阻碍通量变化。

感应场和涡流的方向

因此，涡流在垂直于磁场的方向上形成环路，如图所示。由于新的磁场与磁场相反，这种相互作用会产生一个具有阻碍性质的力。它阻碍导体的运动。这就是我们所说的电磁阻尼。当产生磁场的磁铁远离导体时，阻尼力值会减小。

结论

阻尼是一种广泛用于控制和调节各种设备的技术，在需要阻碍物体运动的地方。在各种阻尼方法中，电磁阻尼是最有趣和最有效的一种。基于电磁感应和涡流的概念，它使我们能够无需与运动物体进行任何物理接触即可产生阻碍。

常见问题

Q1. 楞次定律是哪个参数守恒的结果，为什么？

A1. 楞次定律是能量守恒的结果。它表明电流会阻碍变化。因此，为了阻碍，必须做一些额外的工作。这项额外的工作表现为感应电流，即电能。因此，它是服从能量守恒定律的。

Q2. 如何增加电磁阻尼？

A2. 可以通过减小产生磁场的磁体和导体之间的距离来增加电磁阻尼。

Q3. 给出一个实际应用电磁阻尼的例子？

A3. 电磁阻尼用于轨道制动系统，以控制和调节车厢的速度，或使其在某些点停止。在这种情况下不需要任何物理制动。

Q4. 如果一个非常好的导体只是放在静止的磁场中，是否会产生感应电动势？

A4. 不会。不会产生任何感应电动势。电磁感应需要导体的磁通量发生变化，这可以通过移动导体或改变磁场来实现。

Q5. 在各种设备中使用电磁阻尼技术的缺点是什么？

A5. 在整个电磁阻尼现象中产生的涡流会导致大量的能量损失，这些能量损失以热量的形式存在。过多的热量损失会缩短设备的使用寿命。