1、7 涡流、电磁阻尼和电磁驱动,【自主预习】 1.涡流: (1)定义:由于_,在导体中产生的像水中的旋 涡一样的_电流。 (2)特点:若金属的电阻率小,涡流往往_,产生的热 量很多。,电磁感应,感应,很强,(3)应用: 涡流_的应用,如真空冶炼炉。 涡流_的应用,如探雷器、安检门。,热效应,磁效应,(4)防止:电动机、变压器等设备中应防止铁芯中涡流 过大而导致浪费能量,损坏电器。 途径一:增大铁芯材料的_。 途径二:用相互绝缘的_叠成的铁芯代替整块 硅钢铁芯。,电阻率,硅钢片,2.电磁阻尼: (1)定义:当导体在磁场中运动时,导体中会产生感应电 流,感应电流会使导体受到安培力,安培力总是_导 体
2、运动的现象。 (2)应用:磁电式仪表中利用_使指针迅速停下 来,便于读数。,阻碍,电磁阻尼,3.电磁驱动: (1)定义:磁场相对于导体转动时,导体中产生感应电流, 感应电流使导体受到_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,安培力,【预习小测】 1.下列磁场垂直加在金属圆盘上不能产生涡流的是 ( ),【解析】选A。只有变化的磁场才能使圆盘产生涡流,故A不能,故A正确,B、C、D错误。,2.下列对涡流的认识,不正确的是 ( ) A.大块金属中无感应电动势产生,直接产生了涡流 B.涡流对生产和实验既有利又有危害 C.涡流的形成是遵从电磁感应规律的 D.涡流的主要效
3、应是电流的热效应和磁效应,【解析】选A。涡流是一种电磁感应现象,同样遵从电磁感应规律,是一种自成回路的旋涡电流,由闭合电路欧姆定律可知,有电流必有电动势,故A错误,C正确;由于整块金属导体的电阻一般情况下很小,所以产生的涡流很大,因而其热效应和磁效应很明显,涡流的热效应可以用来加热或冶炼金属,但有时也产生危害,如使某些元件发热,故涡流既有有利的一面,也有不利的一面,所以B、D均正确。故选A。,3.(多选)变压器的铁芯是利用薄硅钢片叠压而成的,而不是采用一整块硅钢,这是为了 ( ) A.增大涡流,提高变压器的效率 B.减小涡流,提高变压器的效率 C.增大铁芯中的电阻,以产生更多的热量 D.增大铁
4、芯中的电阻,以减小发热量,【解析】选B、D。变压器铁芯利用薄硅钢片,涡流小了,在变压器上消耗的电流就小了,输出的功率就高了,所以增大铁芯中的电阻,以减小发热量,B、D对。,4.(多选)磁电式仪表的线圈通常用铝框当骨架,把线圈绕在铝框上,这样做的目的是 ( ) A.防止涡流而设计的 B.利用涡流而设计的 C.起电磁阻尼的作用 D.起电磁驱动的作用,【解析】选B、C。线圈通电后,在安培力作用下发生转动,铝框随之转动,并切割磁感线产生感应电流,就是涡流。涡流阻碍线圈的转动,使线圈偏转后较快停下来。所以,把线圈绕在铝框上的目的是利用涡流来起电磁阻尼的作用。,主题一 涡 流 【互动探究】 高频感应炉是用
5、来熔化金属并对其进行冶炼的,如图所示为冶炼金属的高频感应炉的示意图,炉内放入被冶炼的金属,线圈通入高频交变电流,这时被冶炼的金属就能被熔化。这种冶炼方法速度快,温度易控制,并能避免有害杂质混入被冶炼金属中,因此适于冶炼金属。,试结合上述现象思考以下问题: (1)涡流是在整块金属中产生的旋涡状电流,是否遵循法拉第电磁感应定律? 提示: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)涡流的产生条件是什么?块状金属在匀强磁场中运动时,能否产生涡流? 提示:涡流是发生电磁感应现象时产生的感应电流,故涡流的产生条件:a.金属块本身能够形成闭合回路。b.穿过金属块的磁通量发生变化。
6、块状金属在匀强磁场中运动时不能产生涡流,因为穿过该金属块的磁通量不发生变化。,(3)我们可以通过哪些方式使金属块中产生涡流? 提示:只要穿过能构成闭合回路金属块的磁通量发生变化时,它就产生涡流,即:金属块处在变化的磁场中。金属块进出磁场或在非匀强磁场中运动。,(4)请分析金属块产生涡流的过程中能量是如何转化的。 提示:当金属块处在变化的磁场中时,磁场能转化为电能,最终转化为内能。 当金属块进出磁场或在非匀强磁场中运动时,由于要克服安培力做功,所以金属块的机械能转化为电能,最终转化为内能。,【探究总结】 1.涡流的成因及特点: (1)成因:块状金属在变化的磁场中或在磁场中运动时,穿过金属块的磁通
7、量发生变化,在金属块自身构成的闭合回路中产生感应电流。 (2)特点:金属块本身自行构成闭合回路,如果整块金属的电阻很小,涡流往往很强,金属块会产生大量的热量。,2.涡流的利用和防止: (1)涡流的利用:利用高频真空冶炼炉冶炼高纯度的金属;用探测器探测地雷、探测地下电缆;利用涡流可以治疗疾病;利用涡流探伤技术可以检测导电物体的表面和近表面缺陷、涂镀层厚度,还有磁悬浮列车是利用涡电流减速的。,(2)涡流的防止:减小涡流的主要途径是增大在变化的磁场中使用金属导体的电阻:一是选用电阻率大的材料,如常用的铁芯材料是电阻率较大的硅钢;二是把导体制作成薄片,薄片与薄片之间用绝缘材料相隔,这样增大电阻来减小因
8、涡流损失的能量。,【典例示范】 (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 用柔软细线悬挂一枚可以自由旋转的磁针,如图所示。 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 ( ),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,【解题指南】解答本题时应从以下两点进行分析: (1)分析磁针的磁场分布情况。
9、 (2)把圆盘理解成“同心圆”和“辐条”模型。,【解析】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,该电流对磁针产生上下的作用力,不会使磁针水平转动,D错误。,【探究训练】 1.(2018温州高二检测)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
10、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,【解析】选B。锅体中的涡流是由变化的磁场产生的,所加的电流是交流,不是直流,故A错误、B正确;金属锅是自身产生无数小涡流而直接加热于锅的,陶瓷锅或耐热玻璃锅属于绝缘材料,里面不会产生涡流,故C错误;在锅和电磁炉中间放一纸板,不会影响电磁炉的加热作用,故D错误。,2.(多选)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
11、会产生感应电流,感应电流通过焊缝产生大量热量,将金属熔化,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快 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小 D.工件上只有焊缝处温度升得很高是因为焊缝处的电阻大,【解析】选A、D。电流的频率越高,待焊工件中磁通量的变化率越大,产生的感应电动势越大,感应电流I越大,所以电流热功率P=I2R也越大,温度升高得越快。待焊工件中各处电流大小相等,但焊缝处电阻大,电流热功率大,而其他部分电阻小,电流热功率小。,【补偿训练】 如图所示,在一
12、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在导体内产生的,所以玻璃杯中的水不会升温。,【通法悟道】分析涡流的三点注意 (1)涡流是整块导体发生的电磁感应现象。 (2)导体内部可以等效为许多闭合电路。
13、(3)金属内部发热的原理为电流的热效应。,主题二 电磁阻尼、电磁驱动 【互动探究】 探究点1 电磁阻尼 磁电式电流表内部线圈绕在铝框上,线圈通电时在安培力作用下带动指针偏转。铝框同时跟随线圈一起运动,在磁场中切割磁感线,产生涡流,因而受到安培力作用。试分析安培力对铝框的转动产生的影响,并讨论为何使用铝框做线圈骨架。,提示:(1)铝框中的涡流产生磁场,根据楞次定律,该磁场将阻碍引起涡流的磁场的变化。从力的角度分析,铝框中的安培力将阻碍铝框的转动,即产生阻尼。 (2)选用铝框做线圈骨架的原因:铝框是导体,可产生电磁阻尼,使指针转动更趋平稳;铝材质轻且结实。,探究点2 电磁驱动 某同学做了一个如图所
14、示的实验:一个铝框放在蹄形磁铁的两个磁极间,可以绕支点O自由转动。转动磁铁,请你观察铝框的运动并思考:,(1)怎样解释铝框的运动? 提示:我们观察到铝框会跟随着磁铁转动。其原因是磁铁转动,穿过铝框的磁通量发生变化,根据楞次定律,铝框中会产生感应电流,从而铝框受到安培力的作用,在安培力的驱动下,铝框会跟随着磁铁转动。,(2)铝框转动的角速度能否等于磁铁转动的角速度? 提示:电磁驱动中,感应电流的作用是阻碍磁铁与铝框的相对运动,但不能阻止这种相对运动,所以铝框转动的角速度一定小于磁铁转动的角速度。,【探究总结】 电磁阻尼与电磁驱动的比较,【典例示范】 (多选)如图所示,蹄形磁铁和矩形线圈均可绕竖直
15、轴OO转动。从上向下看,当磁铁逆时针转动时,则 ( ),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.线圈转动时将产生感应电流 D.线圈转动时感应电流的方向始终是abcda,【解题指南】解答本题应注意以下两点: (1)磁铁转动时线圈中有感应电流产生。 (2)磁铁和线圈的转速不同。,【解析】选B、C。当磁铁逆时针转动时,相当于磁铁不动而线圈顺时针旋转切割磁感线,线圈中将产生感应电流,由楞次定律可判得线圈中电流方向会发生变化,故C对,D错;由楞次定律的推广含义知,线圈与磁铁会同向转动,且线圈的转速比磁铁小,故A错,B对。,【探究训练】 1.如图所示,在蹄形磁铁的两极
16、间有一可以自由转动的铜盘(不计各种摩擦),现让铜盘转动。下面对观察到的现象描述及解释正确的是 ( ),A.铜盘中没有感应电动势、没有感应电流,铜盘将一直转动下去 B.铜盘中有感应电动势、没有感应电流,铜盘将一直转动下去,C.铜盘中既有感应电动势又有感应电流,铜盘将很快停下 D.铜盘中既有感应电动势又有感应电流,铜盘将越转越快,【解析】选C。铜盘转动时,根据法拉第电磁感应定律及楞次定律知,铜盘中有感应电动势,也产生感应电流,并且受到阻尼作用,机械能很快转化为电能进而转化为焦耳热,铜盘将很快停下,故C对,A、B、D错。,2.如图所示,上下开口、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
17、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】选C。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。,【补偿训练】 1.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,
18、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.铜环做等幅摆动,【解析】选B。铜环进入磁场和出磁场的过程中,都有涡流产生,阻碍铜环的摆动,从而有机械能转化为内能,A点高于B点,A、C错误,B正确;往复运动一段时间,由于铜环的一部分机械能转化为电能,其摆动幅度逐渐减小,当铜环完全进入磁场后,铜环最终将在磁场中做等幅摆动,D错误。,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】选A。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小,振幅逐渐减小,A正确。,【通法悟道】电磁阻尼和电磁驱动的两点注意 (1)电磁阻尼、电磁驱动都是电磁感应现象,产生的电流都是感应电流,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。,【课堂小结】,
