*§6-3　电子感应加速器　涡电流

一、电子感应加速器

前面已提到，即使在真空中，变化的磁场也将在空间激发涡旋感应电场。利用感应电场加速电子的装置称为电子感应加速器。其结构如图6-10所示，在圆形电磁铁两极的间隙中安放一个环形真空室。电磁铁用数十赫兹的强大交变电流励磁，在两极间产生变化的磁场，从电子枪射入环形室的电子在感生电场的作用下被加速；同时，电子在磁场里还受到洛伦兹力的作用，致使其沿圆形轨道运动。

在电场和磁场都在变化的情况下，为了实现电子的加速圆周运动，要求感生电场的方向与电子的运动方向相反；同时，还要求磁场的方向向上（图6-10），以使洛伦兹力的方向指向电子轨道的曲率中心。如图6-11所示，把磁场的变化按1/4周期，即T/4，划分为四个阶段。在各个阶段中，B的方向及变化趋势各不相同，它引起的感生电场方向如图6-11所示。显然，只有在第一、四两个T/4中电子才被加速。但是只有在第一、二两个T/4中磁场的方向向上，使洛伦兹力作为向心力。因此，只有第一个T/4能使电子在感生电场的作用下，沿圆形轨道做加速运动。在此期间，电子可转几十万圈，获得足够的能量。在每一个周期的第一个T/4之末，利用特殊装置将电子引离轨道，射到靶上进行实验。

电子感应加速器虽然不受相对论效应的限制，但却受到电子因加速运动而辐射能量的限制。一般电子感应加速器可将电子加速到数十万至数百万兆电子伏特。

电子感应加速器主要用于核物理研究，用其加速电子束轰击各种靶时，将获得穿透力很强的γ射线。近年来采用小型电子感应加速器产生硬X射线，用于工业探伤、医学上治疗癌症等。(www.daowen.com)

二、涡电流

当块状导体处在变化的磁场中时，或者相对磁场运动时，在导体内也会产生感应电流。如图6-12所示，在圆柱形铁芯上绕有线圈，铁芯可以看做是一系列不同半径的薄圆筒形闭合回路。当线圈中通过交变电流时，这些处在交变磁场中的回路中的磁通量都在不断变化，从而产生感应电流。这种电流是闭合的，称为涡电流，简称涡流。由于大块导体内电阻很小，所以，涡流可以达到非常大的强度。

强大的涡流也将在导体内产生大量的焦耳热。若忽略涡电流自身激发磁场的情况，涡电流产生的热量与交变电流频率的二次方成正比。工业上利用这种涡电流的热效应制成高频感应电炉来冶炼金属。如图6-13所示，被冶炼的金属处在高频强电流的交变磁场中，在金属块中产生涡流，从而释放出大量的焦耳热将金属熔化。用这种方法可以把冶金坩埚放在真空室内进行无接触冶炼，使金属不受污染，不会在高温下氧化；而且是在金属内部各处同时加热，效率高，速度快。故高频感应炉已广泛用于冶炼特种钢、难熔及活泼的金属。此外，这种无接触加热还被应用于各种真空仪器的制造。由于仪器内金属表面吸附的气体分子不易放出，故在抽气时，利用涡流加热法，一边加热，一边抽气，最后封口，借以清除附在其表面的气体，则可达到更高的真空度。

根据楞次定律，感应电流的效果总是反抗引起感应电流的原因。当导体相对磁场运动时，产生的涡电流所受的安培力要反抗这种运动。这种涡流的机械效应就是电磁阻尼原理。如图6-14所示，把铜片制成的摆挂在电磁铁两极之间，就是一种电磁阻尼装置。在一般电磁检测仪器中，常设置电磁阻尼装置。此外，若使金属圆盘紧靠蹄形磁铁的两极而不接触（图6-15），当磁铁旋转起来时，圆盘中产生的涡电流将使之反抗它与磁铁的相对运动，从而使它跟随磁铁转动起来，此时，涡电流的机械效应则表现为电磁驱动。感应式异步电动机就是根据这一原理来运转的。利用这种不接触的电磁驱动，还可以调节封闭在温度计中的金属丝的升降，从而实现不同温度的恒温控制。

事物总是一分为二的，涡电流的产生要消耗能量，最终变为焦耳热。如在电动机和变压器中，为加强磁场都采用铁芯，但在线圈中通过交变电流时，铁芯中涡流产生的能量，还会损坏设备。为了减小涡流，通常采用叠合起来的硅钢片作铁芯。这样，利用各片之间涂上的绝缘漆或附有的天然氧化层，把涡流限制在各片之内。加之硅钢片的电阻率很高，致使薄片内的涡流大大减小，从而降低涡流损耗。