1、7 涡流、电磁阻尼和电磁驱动,一、涡流 1.定义:由于电磁感应,在导体中产生的像水中旋涡样的感应电流。 2.特点:若金属的电阻率小,涡流往往很强,产生的热量很多。 3.应用 (1)涡流热效应:如真空冶炼炉。 (2)涡流磁效应:如探雷器、安检门。 4.防止 电动机、变压器等设备中应防止铁芯中涡流过大而导致浪费能量,损坏电器。 (1)途径一:增大铁芯材料的电阻率。 (2)途径二:用相互绝缘的硅钢片叠成的铁芯代替整个硅钢铁芯。,二、电磁阻尼 1.概念:当导体在磁场中运动时,感应电流会使导体受到安培力,安培力的方向总是阻碍导体运动的现象。 2.应用:磁电式仪表中利用电磁阻尼使指针迅速停止到某位置,便于
2、读数。 三、电磁驱动 1.概念:磁场相对导体转动时,导体中产生感应电流,感应电流使导体受到安培力的作用,安培力使导体运动起来的现象。 2.应用:交流感应电动机。搜索“磁悬浮列车与涡流”,了解什么是磁悬浮列车、磁悬浮列车的种类以及目前存在的技术问题,了解中国磁悬浮列车的现状。,自我检测 1.正误判断。 (1)涡流跟平时常见的感应电流一样,都是因为穿过导体的磁通量变化而产生的。 ( ) 解析:涡流本质上是感应电流,是自身构成的回路,是在穿过导体的磁通量变化时产生的。 答案: (2)涡流有热效应,但没有磁效应。 ( ) 解析:涡流既有热效应,又有磁效应。 答案: (3)在硅钢中不能产生涡流。 ( )
3、 解析:硅钢电阻率大,产生的涡流较小,但仍能产生涡流。 答案:,(4)电磁阻尼、电磁驱动都是电磁感应现象,都遵循楞次定律和法拉第电磁感应定律。 ( ) 解析:电磁阻尼、电磁驱动都是由于磁通量的变化引起的,所以都遵循楞次定律和法拉第电磁感应定律。 答案: (5)电磁阻尼是由于电磁感应中安培力阻碍导体与磁场的相对运动产生的,而电磁驱动是由于电磁感应现象中安培力增强磁场与导体间的相对运动产生的。 ( ) 解析:电磁感应现象中,安培力总是阻碍引起感应电流的导体与磁场间的相对运动。 答案:,2.(多选)变压器的铁芯是利用薄硅钢片叠加而成的,而不是采用一整块硅钢,这是为了( ) A.增大涡流,提高变压器的
4、效率 B.减小涡流,提高变压器的效率 C.增大铁芯的电阻,以产生更多的热量 D.增大铁芯的电阻,以减小发热量 解析:磁场变化越快,感应电动势越大,因而涡流也就越强。涡流能使导体发热。变压器的铁芯是相互绝缘的薄片叠加而成的,从而减小回路的横截面积来减小感应电动势,还增加铁芯的电阻,以降低涡流强度,从而减少能量损耗,提高变压器的效率。 答案:BD,3.(多选)如图所示,蹄形磁铁和矩形线圈均可绕竖直轴OO转动。从上向下看,当磁铁逆时针转动时( )A.线圈将逆时针转动,转速与磁铁相同 B.线圈将逆时针转动,转速比磁铁小 C.线圈转动时将产生变化的电流 D.线圈转动时感应电流的方向始终是abcda 解析
5、:磁铁逆时针转动,相当于磁铁不动而线圈顺时针旋转切割磁感线,线圈中产生变化的电流,故C对,D错;由楞次定律的推广含义可知,线圈将与磁极同向转动,但转动的角速度一定小于磁铁转动的角速度。如果两者的角速度相同,磁感线与线圈会处于相对静止,线圈不切割磁感线,无感应电流产生,B对,A错。 答案:BC,探究一,探究二,涡流 问题探究 高考考场用的金属探测器是一根长的黑色扁棒,使用时监考教师手持探测器,在考生前后左右和容易藏东西的部位划过,如藏有金属物品,即便是一粒金属纽扣,探测器也会鸣响。金属探测器的原理是什么?,要点提示:涡流金属探测器通过其通有交流电的探测线圈,会在隐蔽金属中产生涡流,涡流的磁场又影
6、响探测线圈,从而改变原交流电的大小和相位,从而起到探测作用。,探究一,探究二,知识归纳 1.对涡流的理解,2.产生涡流的两种情况 (1)块状金属放在变化的磁场中。 (2)块状金属进出磁场或在非匀强磁场中运动。 3.应用 (1)涡流热效应的应用,如真空冶炼炉。 (2)涡流磁效应的应用,如探雷器。,探究一,探究二,4.涡流的危害与防止 (1)涡流的危害 在各种电机、变压器中,涡流会使铁芯的温度升高,危及线圈绝缘材料的寿命;另外涡流发热要消耗额外的能量,使电机、变压器的效率降低。 (2)涡流的防止 为了减小涡流,变压器、电机中的铁芯不是由整块的钢铁制成,而是用薄薄的硅钢片叠压而成。一方面硅钢片的电阻
7、率比一般钢铁的要大,从而减少损耗;另一方面,每层硅钢片之间都是绝缘的,阻断了涡流的通路,进一步减小了涡流的发热。,探究一,探究二,(1)涡流是整块导体发生的电磁感应现象,同样遵循法拉第电磁感应定律。,探究一,探究二,典例剖析 【例题1】 (多选)高频焊接原理示意图如图所示,线圈通以高频交变电流,金属工件的焊缝中就产生大量焦耳热,将焊缝熔化焊接,要使焊接处产生的热量较大可采用 ( ) A.增大交变电流的电压 B.增大交变电流的频率 C.增大焊接缝的接触电阻 D.减小焊接缝的接触电阻,解析:增大交变电流的电压和交变电流的频率均可使电流的变化率增大,由E=n 知,感应电动势和涡流均增大,焊接处的发热
8、功率增大,若增大焊接缝的接触电阻,则焊接处的电压、功率分配就越大,产生的热量就会越大,故A、B、C正确,D错误。 答案:ABC,探究一,探究二,变式训练1如图所示,在一个绕有线圈的可拆变压器铁芯上分别放一小铁锅水和一玻璃杯水。给线圈通入电流,一段时间后,一个容器中水温升高,则通入的电流与水温升高的是( ) A.恒定直流、小铁锅 B.恒定直流、玻璃杯 C.变化的电流、小铁锅 D.变化的电流、玻璃杯 解析:通入恒定直流时,所产生的磁场不变,不会产生感应电流,通入变化的电流,所产生的磁场发生变化,在空间产生感生电场,铁锅是导体,感生电场在导体内产生涡流,电能转化为内能,使水温升高;涡流是由变化的磁场
9、在导体内产生的,所以玻璃杯中的水不会升温。 答案:C,探究一,探究二,电磁阻尼和电磁驱动 问题探究 如图所示,蹄形磁铁和矩形线圈均可绕竖直轴转动。(1)如果将磁铁拿走,轻转线圈,观察线圈的转动,若安装上磁铁,用同样的力转动线圈,你会观察到两次现象有什么不同?为什么? (2)让线圈静止,转动磁铁,观察线圈有什么现象发生,为什么?,探究一,探究二,要点提示:(1)观察到没有磁铁时线圈转动的时间比有磁铁时转动的时间长很多。有磁铁时,线圈转动会产生感应电流,感应电流的安培力阻碍线圈的转动。 (2)观察到线圈随着磁铁的转动会慢慢转动起来。线圈中产生感应电流,感应电流的安培力阻碍线圈相对磁铁的运动,即使线
10、圈慢慢随磁铁转动起来。,探究一,探究二,知识归纳 电磁阻尼与电磁驱动的比较,探究一,探究二,(1)电磁阻尼、电磁驱动都是电磁感应现象,都遵循楞次定律。 (2)电磁阻尼、电磁驱动现象中安培力的作用效果都是阻碍相对运动,应注意电磁驱动中阻碍的结果,若磁铁运动,线圈中的感应电流的结果是安培力的方向与磁铁运动方向相同,即电磁驱动;若磁场不动,线圈运动,则感应电流的结果阻碍线圈运动,即电磁阻尼。,探究一,探究二,典例剖析 【例题2】如图所示,弹簧上端固定,下端挂一只条形磁铁,使磁铁上下振动,磁铁的振动幅度不变。若在振动过程中把线圈靠近磁铁,观察磁铁的振幅将会发现( ) A.S闭合时振幅逐渐减小,S断开时
11、振幅不变 B.S闭合时振幅逐渐增大,S断开时振幅不变 C.S闭合或断开,振幅变化相同 D.S闭合或断开,振幅都不发生变化 解析:S断开时,磁铁振动,穿过线圈的磁通量发生变化,线圈中无感应电流,振幅不变;S闭合时有感应电流,有电能产生,磁铁的机械能越来越少,振幅逐渐减小。选项A正确。 答案:A,探究一,探究二,电磁驱动和电磁阻尼的联系:电磁驱动和电磁阻尼现象中安培力的作用效果均为阻碍导体间的相对运动。,探究一,探究二,变式训练2阻尼摆的示意图如图所示,在轻质杆上固定一金属薄片,轻质杆可绕上端O点在竖直面内转动,一水平有界磁场垂直于金属薄片所在的平面。使摆从图中实线位置释放,摆很快就会停止摆动;若
12、将摆改成梳齿状,还是从同一位置释放,摆会摆动较长的时间。试定性分析其原因。,解析:第一种情况下,阻尼摆进入有界磁场后,在摆中会形成涡流,涡流受磁场的阻碍作用,会很快停下来;第二种情况下,将金属摆改成梳齿状,阻断了涡流形成的回路,从而减弱了涡流,受到的阻碍会比先前小得多,所以会摆动较长的时间。 答案:见解析,1,2,3,4,5,1.如图所示,使一个铜盘绕其竖直的轴OO转动,且假设摩擦等阻力不计,转动是匀速的。现把一个蹄形磁铁移近铜盘,则( )A.铜盘转动将变慢 B.铜盘转动将变快 C.铜盘仍以原来的转速转动 D.铜盘转动速度是否变化,要根据磁铁的上、下两端的极性来决定 解析:当一个蹄形磁铁移近铜
13、盘时,铜盘转动切割磁感线,产生感应电流,由楞次定律可知感应电流所受的安培力阻碍其相对运动,所以铜盘转动将变慢。本题也可以从能量守恒的角度去分析,因为铜盘转动切割磁感线,产生感应电流,铜盘的机械能不断转化成电能,铜盘转动会逐渐变慢。选项A正确。 答案:A,1,2,3,4,5,2.(多选)机场的安检门可以利用涡流探测人身上携带的金属物品。安检门中接有线圈,线圈中通以交变电流,关于其工作原理,下列说法正确的是( ),A.人身上携带的金属物品会被地磁场磁化,在线圈中产生感应电流 B.人体在通有交变电流的线圈产生的磁场中运动,产生感应电动势并在金属物品中产生感应电流 C.线圈产生的交变磁场会在金属物品中
14、产生交变的感应电流 D.金属物品中感应电流产生的交变磁场会在线圈中产生感应电流,1,2,3,4,5,解析:地磁场很弱,即使金属物品被磁化,磁性也很弱,作为导体的人体电阻很大,且一般不会与金属物品构成回路,选项A、B错误;安检门利用涡流探测金属物品的工作原理是线圈中的交变电流产生交变磁场,使金属物品中产生涡流,选项C正确;该涡流产生的磁场又会在线圈中产生感应电流,而线圈中交变电流的变化可以被检测,选项D正确。 答案:CD,1,2,3,4,5,3.(多选)如图所示是电表中的指针和电磁阻尼器,下列说法中正确的是( ) A.2是磁铁,在1中产生涡流 B.1是磁铁,在2中产生涡流 C.该装置的作用是使指
15、针能够转动 D.该装置的作用是使指针能很快地稳定 解析:这是涡流的典型应用之一。当指针摆动时,1随之转动,2是磁铁,那么在1中产生涡流,2对1的安培力将阻碍1的转动。不管1向哪个方向转动,2对1的效果总起到阻尼作用,所以它能使指针很快地稳定下来。 答案:AD,1,2,3,4,5,4.电磁炉热效率高达90%,炉面无明火,无烟无废气,电磁“火力”强劲,安全可靠。如图所示是描述电磁炉工作原理的示意图,下列说法正确的是( )A.当恒定电流通过线圈时,会产生恒定磁场,恒定磁场越强,电磁炉加热效果越好 B.电磁炉通电线圈加交流电后,在锅底产生涡流,进而发热工作 C.电磁炉的锅不能用陶瓷锅或耐热玻璃锅,主要
16、原因是这些材料的导热性能较差 D.在锅和电磁炉中间放一纸板,则电磁炉不能起到加热作用,1,2,3,4,5,解析:电磁炉就是采用的涡流感应加热原理,其内部电子线路板组成部分产生交变磁场。当把铁质锅具底部放置在炉面时,锅具底部金属部分产生涡流,使锅具铁分子高速无规则运动,分子互相碰撞、摩擦而产生热量,用来加热和烹饪食物,从而达到煮食的目的,故A错误,B正确;电磁炉工作时需要在锅底产生感应电流,陶瓷锅或耐热玻璃锅不属于金属导体,不能产生感应电流,C错误;通电线圈产生的磁场能穿透纸板到达锅底,在锅底产生感应电流,利用电流的热效应起到加热作用,D错误。 答案:B,1,2,3,4,5,5.如图所示,上下开口、同样粗细、内壁光滑的铜管P和塑料管Q竖直放置。小磁块先后在两管中从相同高度处由静止释放,并落至底部,则小磁块( ) A.在P和Q中都做自由落体运动 B.在两个下落过程中的机械能都守恒 C.在P中的下落时间比在Q中的长 D.落至底部时在P中的速度比在Q中的大 解析:小磁块在内壁光滑的塑料管Q中,从高处由静止释放做自由落体运动,机械能守恒;小磁块在内壁光滑的铜管P中,则会产生电磁阻尼阻碍小磁块的运动,相比Q中自由落体运动时间要长,C项正确,A项错误;由于电磁阻尼产生焦耳热,机械能不守恒,B项错误;由于机械能有损失,落至底部时在P中的速度比在Q中的小,D项错误。 答案:C,
