電磁阻尼

---

引言

簡而言之，阻尼是對任何物體運動的阻礙作用。電磁阻尼與電磁感應的概念密切相關，因此首先學習電動勢 (emf) 的感應非常重要。在本教程中，我們將討論為什麼感應電流（渦流）會形成以及它們如何影響物體或導體的運動。電磁阻尼與磁場強度、物體速度、感應電流值等各種因素的關係和比例關係也是一個重要的問題。

什麼是阻尼？

阻尼是指降低任何物體速度，或通常來說，阻礙物體在振盪下運動的影響。它是有意引入的，以控制需要時物體的運動。有幾種阻尼技術被使用，包括：

• 粘性阻尼 − 透過在振盪系統中加入粘性流體，粘度可以阻礙運動。

• 摩擦阻尼 − 這是阻礙任何傾向於運動或振盪的物體的運動的傳統方法，透過使接觸面粗糙。它產生阻尼摩擦，從而降低物體的速度。

• 空氣阻力 − 當物體穿過空氣運動時，空氣施加的阻力也是一種阻尼形式。其方向也與物體的相對運動方向相反。空氣阻力阻尼最常見的例子是簡單的擺錘如何自行在一段時間後停止擺動。

除了上述例子外，還有電磁阻尼，它是迄今為止最引人入勝且最有效的阻尼方法。

什麼是電磁阻尼？

顧名思義，電磁阻尼是一種透過使用電動勢和磁場來誘導運動阻力的方法。它與其他阻尼技術不同的一個非常有趣的原因是，它不需要與運動物體直接物理接觸即可發揮作用。它利用感應電動勢和在旋轉方向產生的電流，這些電流由於楞次定律而具有相反的性質。磁場和感應電流的相互作用產生了電磁阻尼。

電磁感應

為了完全理解電磁阻尼的概念，我們需要了解“電磁感應”，這是邁克爾·法拉第在 1831 年首次發現的。根據這種現象，只要將導體置於時變磁場中，就會在其兩端產生電動勢 (emf)。這被稱為電磁感應。感應電動勢的方向總是以抵消初始磁場變化的方式進行。這被稱為楞次定律。

渦流

此外，由於導體兩端的感應電動勢，由於導體內部電子的運動和流動，會在導電路徑中產生感應電流。這些感應電流被稱為渦流，它是由萊昂·傅科在 1851 年首次發現的，因此有時也被稱為傅科電流。感應電流呈環路或渦旋狀。電子在導體內部像漩渦中的水一樣旋轉和流動。產生的渦流的大小取決於磁場強度、磁場變化的速度（換句話說，通量變化的速度）、導體的面積等。

與電磁阻尼相關的公式和定律

反過來，這些產生的渦流會產生一個磁場，該磁場會阻止導體所經歷的磁場變化。這就是楞次定律。它可以正式表述為：“由於磁場變化而在電路中感應的電流的方向將是這樣的：它會阻礙磁通量的變化，並施加一個阻礙運動的機械力”。

數學上可以表示為：

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

其中$\mathrm{\phi}$是磁通量，E是產生的電動勢。磁通量相當於穿過導體表面的磁力線數量。負號表明產生的電動勢會阻礙通量變化。

感應場和渦流的方向

因此，渦流在垂直於磁場的方向上形成環路，如圖所示。由於新的磁場與磁場相反，這種相互作用會產生一個具有阻礙性質的力。它阻礙導體的運動。這就是我們所說的電磁阻尼。當產生磁場的磁鐵遠離導體時，阻尼力值會減小。

結論

阻尼是一種廣泛用於控制和調節各種裝置的技術，在需要阻礙物體運動的地方。在各種阻尼方法中，電磁阻尼是最有趣和最有效的一種。基於電磁感應和渦流的概念，它使我們能夠無需與運動物體進行任何物理接觸即可產生阻礙。

常見問題

Q1. 楞次定律是哪個引數守恆的結果，為什麼？

A1. 楞次定律是能量守恆的結果。它表明電流會阻礙變化。因此，為了阻礙，必須做一些額外的工作。這項額外的工作表現為感應電流，即電能。因此，它是服從能量守恆定律的。

Q2. 如何增加電磁阻尼？

A2. 可以透過減小產生磁場的磁體和導體之間的距離來增加電磁阻尼。

Q3. 給出一個實際應用電磁阻尼的例子？

A3. 電磁阻尼用於軌道制動系統，以控制和調節車廂的速度，或使其在某些點停止。在這種情況下不需要任何物理制動。

Q4. 如果一個非常好的導體只是放在靜止的磁場中，是否會產生感應電動勢？

A4. 不會。不會產生任何感應電動勢。電磁感應需要導體的磁通量發生變化，這可以透過移動導體或改變磁場來實現。

Q5. 在各種裝置中使用電磁阻尼技術的缺點是什麼？

A5. 在整個電磁阻尼現象中產生的渦流會導致大量的能量損失，這些能量損失以熱量的形式存在。過多的熱量損失會縮短裝置的使用壽命。