1、7 涡流、电磁阻尼和电磁驱动,一、涡流 1.定义:在变化的磁场中的导体内产生的_, 就像水中的漩涡,所以把它叫作涡电流,简称涡流。 2.特点:若金属的电阻率小,涡流往往很强,产生的 _很多。,感应电流,热量,3.应用: (1)涡流_的应用:如真空冶炼炉。 (2)涡流_的应用:如探雷器、安检门。,热效应,磁效应,4.防止: 电动机、变压器等设备中为防止铁芯中_ 而导致浪费能量,损坏电器。 (1)途径一:增大铁芯材料的_。 (2)途径二:用相互绝缘的_的铁芯代替整 块硅钢铁芯。,涡流过大,电阻率,硅钢片叠成,二、电磁阻尼和电磁驱动 1.电磁阻尼: (1)定义:当导体在磁场中运动时,感应电流会使导体
2、受 到安培力,安培力的方向总是_导体的运动的现象。 (2)应用:电学仪表中利用_使指针很快地停下 来,便于读数。,阻碍,电磁阻尼,2.电磁驱动: (1)定义:如果磁场相对于导体转动,在导体中会产生 感应电流,感应电流使导体受到安培力的作用,_ 使导体运动起来的现象。 (2)应用:交流感应电动机。,安培力,【思考辨析】 (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。 ( ) (2)涡流有热效应,但没有磁效应。 ( ) (3)电磁灶是在金属锅体中产生热效应,从而达到加热和烹饪食物的目的。 ( ),(4)制造变压器用的铁芯是利用了涡流。 ( ) (5)发生电磁驱动时,导体
3、与磁场的运动速度应 相同。( ),提示:(1)。涡流本质上是感应电流,是自身构成的回路,在穿过导体的磁通量变化时产生的。 (2)。涡流既有热效应,又有磁效应。 (3)。电磁灶是在金属锅体中产生热效应,是典型的涡流现象的应用,通过这种方式,可以达到加热和烹饪食物的目的。,(4)。变压器的铁芯是由硅钢片轧制而成的,硅钢片之间彼此绝缘且电阻率大,回路电阻大,涡流大为减弱,故变压器的铁心有效地防止了涡流。 (5)。两者速度相同了,就不会产生感应电流,就无法进行电磁驱动了。,【生活链接】 电磁炉的锅具为什么用平底的铁锅?,提示:在平底的铁锅底部产生涡流,从而使得锅底温度升高,起到加热做饭或炒菜的作用。,
4、如图是电磁驱动的原理图,铝质矩形线框abcd可绕轴转动,当蹄形磁铁逆时针(俯视)匀速转动时(即磁场转动),矩形线框为什么转动?,提示:磁铁转动时通过线圈的磁通量发生变化而产生感应电流,感应电流在磁场中受力,线圈就转动起来。,知识点一 对涡流的理解 探究导入: 变压器的铁芯为什么用彼此绝缘且电阻较大的硅钢片叠制而成?,提示:用片状的硅钢可以使产生涡流的回路变得非常狭窄,而且电阻较大时,使得产生的涡流就很小,尽量避免电能的损失。,【归纳总结】 1.涡流的本质:电磁感应现象。 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.产生涡流时的能
5、量转化:伴随着涡流现象,其他形式的能转化成电能最终在金属块中转化为内能。 (1)金属块放在了变化的磁场中,则磁场能转化为电能,最终转化为内能。 (2)如果是金属块进出磁场或在非匀强磁场中运动,则由于克服安培力做功,金属块的机械能转化为电能,最终转化为内能。,【典题通关】 考查角度1 对涡流现象的了解 【典例1】(2017石家庄高二检测)目前金属探测器已经广泛应用于各种安检、高考及一些重要场所,关于金属探测器的下列有关论述正确的是 ( ) A.金属探测器可用于月饼生产中,可用来防止细小的金属颗粒混入月饼馅中,B.金属探测器能帮助医生探测儿童吞食或扎到手脚中的金属物,是因为探测器的线圈中能产生涡流
6、 C.使用金属探测器的时候,应该让探测器静止不动,探测效果会更好 D.能利用金属探测器检测考生是否携带手机等违禁物品,是因为探测器的线圈中通有直流电,【正确解答】选A。金属探测器是通过其通有变化电流的探测线圈会在隐蔽的金属中激起涡流,反射回探测线圈,从而改变原电流的大小,起到探测作用,A正确,B、D错误;当探测器相对于被测金属移动时,探测器线圈中的变化电流产生的磁场相对变化较快,在金属中产生的涡流会更强,检测效果更好,故C错误。,考查角度2 涡流的应用 【典例2】如图所示是高频焊接原理示意图。线圈中通以高频变化的电流时,待焊接的金属工件中就产生感应电流,感应电流通过焊缝产生大量热量,将金属融化
7、,把工件焊接在一起,而工件其他部分发热很少。以下说法正确的是 ( ),A.电流变化的频率越高,焊缝处的温度升高得越慢 B.电流变化的频率越低,焊缝处的温度升高得越快 C.工件上只有焊缝处温度升得很高是因为焊缝处的电阻大 D.工件上只有焊缝处温度升得很高是因为焊缝处的电阻小,【正确解答】选C。高频焊接利用高频交变电流产生高频交变磁场,在焊接的金属工件中就产生感应电流,根据法拉第电磁感应定律分析可知,电流变化的频率越高,磁通量变化频率越高,产生的感应电动势越大,感应电流越大,焊缝处的温度升高得越快,故A、B错误;工件中各处电流大小相等,但接口处电阻大,电流热功率大,温度升得很高,故C正确,D错误。
8、,【误区警示】涡流问题的三点注意 (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。 (2)金属能够自身形成闭合回路,形成涡流。 (3)磁场变化越快( 越大),导体的横截面积S越大,导体材料的电阻率越小,形成的涡流就越强。,【过关训练】 1.(多选)变压器的铁芯是利用薄 硅钢片叠压而成,而不是采用一块整硅钢,这是为 了 ( ) A.增大涡流,提高变压器的效率 B.减小涡流,提高变压器的效率 C.增大涡流,减小铁芯的发热量 D.减小涡流,减小铁芯的发热量,【解析】选B、D。涡流的主要效应之一就是发热,而变压器的铁芯发热,是我们不希望出现的,所以不采用整块硅钢,而采用薄硅钢片叠压
9、在一起,目的是减小涡流,减小铁芯的发热量,进而提高变压器的效率。故选项B、D正确。,2.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】选C。通入恒定电流时,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在导体内产生的,所以玻璃杯中的水不会升温,故C正确。,【补偿
10、训练】 如图所示,有一铝质圆形金属球以一定的初速度通过有界匀强磁场,则从球开始进入磁场到完全穿出磁场过程中(磁场宽度大于金属球的直径),小球( ),A.整个过程做匀速运动 B.进入磁场过程中小球做减速运动,穿出过程做加速运动 C.整个过程都做匀减速运动 D.穿出时的速度一定小于初速度,【解析】选D。小球在进入和穿出磁场时,有涡流产生,受阻力作用,做减速运动;完全处于磁场中时,穿过小球的磁通量不发生变化,小球中无涡流,做匀速运动。故A、B、C错误,D正确。,知识点二 电磁阻尼和电磁驱动的比较 探究导入: 如图所示,把蹄形磁铁的两极靠近一个金属圆盘(不接触),当磁铁绕轴转动时,圆盘会转动吗?说明理
11、由。,提示:当蹄形磁铁转动时,相当于金属圆盘向反方向做切割磁感线的转动,在金属圆盘里形成涡流。根据楞次定律可知,金属圆盘中的涡流受到的磁场力的作用是阻碍圆盘和蹄形磁铁之间的相对运动,所以圆盘随磁铁一起转动,但圆盘的转速要小于磁铁的转速,两者转动方向相同。,【归纳总结】,【特别提醒】 (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,导体的运动速度仍要小于磁场的运动速度。,【典题通关】 考查角度1 对电磁阻尼的分析 【典例1】扫描隧道显微镜(STM)可 用来探测样品表面原子尺度上的形貌,为了有效
12、隔离外 界振动对STM的扰动,在圆底盘周边沿其径向对称地安 装若干对紫铜薄板,并施加磁场来快速衰减其微小振动,如图所示。无扰动时,按下列四种方案对紫铜薄板施加恒磁场;出现扰动后,对于紫铜薄板上下及左右振动的衰减最有效的方案是 ( ),【正确解答】选A。衰减的原理是当紫铜薄板上下及左右振动时,均在紫铜薄板内产生感应电流,薄板受到安培力作用阻碍其运动。只有A选项中当紫铜薄板上下及左右振动时,板中均会产生感应电流。,考查角度2 对电磁驱动的分析 【典例2】(多选)1824年,法国科学家阿拉果完成了著名的“圆盘实验”。实验中将一铜圆盘水平放置,在其中心正上方用柔软细线悬挂一枚可以自由旋转的磁针,如图所
13、示。实验中发现,当圆盘在磁针的磁场中绕过圆盘中心的竖直轴旋转时,磁针也随着一起转动起来,但略有滞后。下列说法正确的是 世纪金榜导学号86176026( ),A.圆盘上产生了感应电动势 B.圆盘内的涡电流产生的磁场导致磁针转动 C.在圆盘转动的过程中,磁针的磁场穿过整个圆盘的磁通量发生了变化 D.圆盘中的自由电子随圆盘一起运动形成电流,此电流产生的磁场导致磁针转动,【正确解答】选A、B。由于磁针位于圆盘的正上方,所以穿过圆盘的磁通量始终为零,故C错误;如果将圆盘看成由沿半径方向的“辐条”组成,则圆盘在转动过程中,“辐条”会切割磁感线产生感应电动势,在圆盘中产生涡电流,该涡电流产生的磁场导致磁针运
14、动,故A、B正确;同时圆盘中的自由电子随圆盘一起转动形成电流,该电流对磁针没有作用力,D错误。,【规律方法】涡流与电磁阻尼现象的规律 (1)涡流是整块导体发生的电磁感应现象,同样遵守法拉第电磁感应定律,磁场变化越快,导体横截面积越大,导体材料的电阻率越小,形成的涡流就越大。,(2)电磁阻尼是导体棒在磁场中运动产生感应电流,导体棒受到的安培力阻碍导体棒运动的现象。电磁驱动是磁场运动,在导体棒中产生感应电流,导体棒受到安培力的作用,跟随磁场一起运动的现象。 (3)电磁阻尼、电磁驱动现象中安培力的效果阻碍相对运动,应注意电磁驱动中阻碍的结果,导体运动速度要小于磁场的运动速度。,【过关训练】 1.(2
15、018揭阳高二检测)如图所示,在O点正下方有 一个具有理想边界的磁场,铜环在A点由静止释放向 右摆至最高点B。不考虑空气阻力,则下列说法正确 的是 ( ),A.A、B两点在同一水平线上 B.A点高于B点 C.A点低于B点 D.铜环将做等幅摆动,【解析】选B。铜环进出磁场时,产生感应电流,机械能要损耗,所以B点应该低于A点。,2.(多选)如图所示,电表中的指针和电磁阻尼器的结构,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针能够转动 D.该装置的作用是使指针能很快地稳定,【解析】选A、D。这是涡流的典型应用之一。当指针摆动时,1随
16、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的效果总起到阻碍作用。所以它能使指针很快地稳定下来。,【补偿训练】 1.如图所示,用丝线悬挂闭合金属环,悬于O点,第一种情况是虚线左边有匀强磁场,右边没有磁场。第二种情况是整个空间都有向外的匀强磁场,金属环的摆动情况是 ( ),A.两种情况都经过相同的时间停下来 B.第一种情况先停下来 C.第二种情况先停下来 D.无法确定,【解析】选B。只有左边有匀强磁场,金属环在穿越磁场边界时,由于磁通量发生变化,环内一定会有感应电流产生,根据楞次定律将会阻碍相对运动,所以摆动会很快停下来,这就是电磁阻尼现象。也
17、可以用能量守恒来解释:既然有电流产生,就一定有一部分机械能向电能转化,最后电能通过导体转化为内能。若空间都有,匀强磁场,穿过金属环的磁通量不变化,因此不产生感应电流,也就不会阻碍相对运动,摆动就不会很快停下来。故选B。,2.(多选)位于光滑水平面的小车上放置一螺线管,一个比螺线管长的条形磁铁沿着螺线管的轴线水平穿过,如图所示,在此过程中 ( ) A.磁铁做匀速直线运动 B.磁铁做减速运动 C.小车向右做加速运动 D.小车先加速后减速,【解析】选B、C。本题为电磁驱动,可由楞次定律判断作用力的方向,再由牛顿第二定律判断运动情况。磁铁水平穿入螺线管时,管中将产生感应电流,由楞次定律的扩展含义知产生
18、的相互作用力阻碍磁铁的运动。同理,磁铁穿出时,由楞次定律的扩展含义知产生的相互作用力阻碍磁铁的运动,故整个过程中,磁铁做减速,运动,选项B是正确的。而对于小车上的螺线管来说,在此过程中,螺线管受到的安培力都是水平向右的,这个安培力使小车向右运动,且一直做加速运动,C对。,【拓展例题】考查内容:涡流中的能量转化 【典例】光滑曲面与竖直平面的交线是抛物线,如图所示,抛物线的方程是y=x2,下半部处在一个水平方向的匀强磁场中,磁场的上边界是y=a的直线(图中的虚线所示),一个小金属块从抛物线上y=b(ba)处以速度v沿抛物线下滑,假设抛物线足够长,金属块沿抛物线下滑后产生的焦耳热总量是 ( ),A.
19、mgb B. mv2 C.mg(b-a) D.mg(b-a)+ mv2,【正确解答】选D。金属块在进出磁场过程中要产生感 应电流,感应电流产生焦耳热,机械能要减少,上升的最 大高度不断降低,刚好飞不出磁场后,就往复运动永不 停止,故由能量守恒可得整个过程中产生的焦耳热等于 机械能的损失,即Q=E= mv2+mg(b-a),故选项D正确。,科学技术社会环境电动机的工作原理 【命题素材】 电动机是电源提供一个旋转的磁场,笼型的转子在旋转的磁场中因与磁场发生相对运动而产生感应电流,转子中的感应电流受安培力而转动。其原理如图。,【信息提取流程】 1.信息定位:电磁驱动 2.物理模型:电动机 3.物理知
20、识:电磁感应 4.结果讨论:线圈中的感应电流在磁场力的作用下而运动,【案例示范】 如图所示,蹄形磁铁的两极之间放置一个线圈abcd,磁铁和线圈都可以绕OO轴转动,当磁铁按图示方向绕OO轴转动时,线圈的运动情况是 ( ),A.俯视,线圈顺时针转动,转速与磁铁相同 B.俯视,线圈逆时针转动,转速与磁铁相同 C.线圈与磁铁转动方向相同,但转速小于磁铁的转速 D.线圈静止不动,【解析】选C。当磁铁转动时,由楞次定律知,线圈中有感应电流产生,以阻碍磁通量的增加,即感应电流的方向必定是使其受到的力矩的方向与磁铁转动方向相同,以减小磁通量的增加,因而线圈跟着转起来,但转速小于磁铁的转速。如果转速相等,线圈中的磁通量不再变化,起“驱动”作用的安培力将消失,故C正确,A、B、D错误。,
