把一块强力钕磁铁丢进铜管里，会发生一件奇妙的事。铜是吸不住磁铁的金属，可磁铁却像穿过蜂蜜一样慢慢往下落。仿佛有某种看不见的东西拉住了磁铁。它的真面目就是“涡电流（Eddy Current）”。
简单来说，涡电流是指“由于磁场变化，在金属等导体内部形成的漩涡状电流”。人们把它比作水流绕过岩石时形成的漩涡，因此也称涡流；又因深入研究这一现象的法国物理学家而被称为傅科电流。
本文将依次介绍涡电流的产生原理、它在变压器中带来的麻烦，以及在制动器、电磁炉和金属检测中的用途。
金属中的电流漩涡：涡电流的原理与应用
什么是涡电流？
导体周围的磁场发生变化时，导体内部就会产生推动电荷的力，即感应电动势。这就是1831年迈克尔·法拉第揭示的电磁感应。如果是导线，电流会沿着固定的路径流动；但在宽大的金属板或金属块中，电流没有固定的去向，而是画着小圈不停地打转。这种在金属内部打转的电流就是涡电流。
磁铁在金属旁移动时、金属穿过磁场时，或者像交流电那样磁场强度不断变化时，都会产生涡电流。磁场越强、变化越快、金属的导电性越好，涡电流就越强。
为了便于理解，不妨想象把一根棍子伸进平静的池塘里搅动。棍子经过的地方，水都会打起小漩涡，棍子也会感受到水的阻力。金属中的电子同样被“变化的磁场”这根棍子搅成漩涡，而这些漩涡又反过来拉住磁铁的运动。
历史上，1824年法国人弗朗索瓦·阿拉戈首次观察到指南针的指针会被旋转的铜盘带动。随后在1855年，莱昂·傅科证实，在磁铁之间转动铜圆盘会变得费力得多，而且圆盘会发热。
抗拒变化的力：楞次定律
涡电流的流动方向有明确的规律。这就是1834年在俄罗斯帝国工作的物理学家海因里希·楞次总结出的楞次定律。
- 楞次定律（Lenz’s Law）：感应电流总是朝着阻碍产生它的磁场变化的方向流动。
- 阻力（Drag Force）：结果，磁铁与金属之间会产生相互减缓运动的力。
- 发热（Joule Heating）：由于金属存在电阻，电流的能量会转化为热。
铜管里的磁铁也可以这样解释。磁铁下落时，磁铁下方的管壁中磁场增强，上方的管壁中磁场减弱。于是管壁中产生涡电流，下方的涡电流推斥磁铁，上方的涡电流吸引磁铁。最终，磁铁的动能变成让铜管稍稍升温的热量散失掉，磁铁便缓缓下落。如果把同一块磁铁放进塑料管，由于电流无法流动，它会直接掉下去。
成为麻烦的涡电流
涡电流并不总是受欢迎的。变压器、电动机和发电机里都有铁芯，交流电使其中的磁场不断变化。如果铁芯是一整块，内部就会有很大的涡电流打转，把电能白白变成热量，并让机器发烫。这被称为涡流损耗。
（1）切薄再叠起来
因此，变压器铁芯是用涂有绝缘膜的薄硅钢片一层层叠成的。电流无法在片与片之间穿越，漩涡被分割成小块，损耗便大大减少。理论上，涡流损耗与钢片厚度的平方成正比，所以把钢片厚度减半，损耗大约会降到四分之一。这就是实际变压器钢片远薄于1毫米的原因。
（2）使用不易导电的材料
在处理高频的电子设备中，人们用铁氧体这类容易磁化却不易导电的材料制作磁芯，以阻止涡电流。由于涡流损耗会随频率升高而迅速增大，设备的频率越高，这种材料选择就越重要。
刻意利用涡电流的技术
反过来，也有许多技术把涡电流产生的阻力和热量变成了有用的东西。
（1）不接触的制动器
涡流制动器让金属板从磁铁之间穿过来降低速度。由于没有摩擦，几乎没有会磨损的部件，因此被用于过山车、部分高速列车、大型卡车的辅助制动器，以及让电动圆锯的锯片迅速停转。不过，速度越慢，它的制动力越弱，也无法让静止的物体保持不动，所以要和摩擦制动器一起使用。
（2）直接加热锅具的电磁炉
电磁炉让快速变化的电流流过线圈，在锅底产生涡电流。这就是没有火焰、锅本身却会变热的原理。所以，锅底是铁这类能被磁铁吸住的材质的锅最合适。
（3）分辨金属的眼睛
自动售货机根据硬币滚过磁铁旁时变慢的程度来剔除假币，回收工厂则利用涡电流把铝罐弹出，与其他垃圾分开。无需拆开就能找出飞机机翼或管道中细微裂纹的涡流探伤检测，用的也是同样的原理。金属里如果有裂缝，漩涡的路径就会被阻断，流动随之改变，检测设备便能捕捉到这一微小变化。
（4）测量振动的传感器
在发电厂涡轮机这类高速旋转的轴旁边，会安装利用涡电流的接近传感器。轴与传感器之间的距离只要稍有变化，涡电流的强度就会改变，因此无需接触就能监测约0.1毫米的细微振动。
涡电流是金属对变化磁场的一种微小抵抗。在机器内部，它是吞噬能量的麻烦；但只要理解了原理，它就会成为一种可靠的工具，让不会磨损的制动、快速的烹饪和精密的检测成为可能。
先理解看不见的力的性质，再明智地选择是阻止它还是利用它，这正是学习生活中的物理的第一步。
