7.涡流、电磁阻尼和电磁驱动

第七节：涡流电磁阻尼和电磁驱动电磁感应第四章选修3—2☆．回顾与思考……根据麦克斯韦电磁场理论：变化的磁场能在周围空间激发电场，这种电场叫感生电场。BE磁场变化产生感生电场，导体放在感生电场中，其中的自由电荷在感生电场力方向运动，产生感应电流，电流的分布与感生电场线分布类似。这样的感应电流，看起来就像水中的旋涡，所以把它叫做涡电流，简称涡流。一、涡流（eddycurrent）定义：块状金属在变化的磁场中或在磁场中运动时，金属块内产生的自成闭合回路的感应电流，叫涡电流，简称涡流。涡流是整块导体发生的电磁感应现象，同样遵守电磁感应定律．金属块中的涡流也要产生热量，如果金属的电阻率小，则涡流很强，产生的热量也很多。涡流的利用真空冶炼炉高频感应炉：利用涡流的热效应来熔化金属。交流电的频率越高，金属熔炉中的感应电动势就越大，金属材料的电阻率越小，产生的涡流热效应就越强。高频感应炉优点：速度快，温度易控制，整个过程在真空中进行，能避免有害杂质混入被冶炼的金属中，适于冶炼特种合金和特种钢。涡流的利用高频焊接高频焊接机原理：线圈中通以高频电流，内部焊接工件由于电磁感应产生感应电流，频率越高，产生的感应电流越大。由于焊接缝处接触电阻很大，放出的热量很多，致使温度升高将金属熔化，焊接在一起。应用于焊接自行车车架。电磁灶采用了磁场感应涡流的加热原理。它利用陶瓷玻璃板下方的线圈产生交变磁场，这样，铁锅的锅底部就处在交变磁场中而产生环状电流（即涡流）使锅本身高速发热，从而能将饭菜煮熟。涡流的应用探雷器门框~交流电报警电路线圈安检门☆．思考与讨论……电动机和变压器的工作原理都跟电磁感应现象有关，内部都有铁芯结构，为什么电动机和变压器等的铁芯都不是整块金属，而是用许多相互绝缘的薄硅钢片叠合而成？电动机的铁芯变压器的铁芯电动机、变压器的线圈都绕在铁芯上．线圈中流过变化的电流，在铁芯中产生的涡流使铁芯发热，浪费了能量，还可能损坏电器．思考与讨论——怎样减少涡流损耗？交变电流交变电流整块铁心彼此绝缘的薄片变压器铁芯中的涡流损耗及改善措施涡流的防止硅钢片平面与磁感应线平行。变压器、电动机的铁芯不采用整块金属，由许多相互绝缘的电阻率很大的薄硅钢片叠合而成，目的就是为了减弱铁芯中由于电磁感应而产生的涡流的热效应，从而减少电能的损耗。思考与讨论一个单匝线圈落入磁场中，分析它在图示位置时感应电流的方向和所受安培力的方向。安培力对线圈的运动有什么影响？vIFA（P27）磁电式电流表使用铝框做线圈骨架有什么好处？铝框在磁场中转动时产生感应电流，磁场对感应电流作用力阻碍铝框的转动，指针随着铝框很快就稳定地指在读数位置上，达到能够迅速读出数据的功能。二、电磁阻尼导体在磁场中运动时，感应电流使导体受到安培力的作用，安培力的方向总是阻碍导体的运动，这种现象称为电磁阻尼。做一做：取一灵敏电流计，用手晃动表壳，观察表针相对表盘摆动的情况。用导线把灵敏电流计的两个接线柱连在一起，再次晃动表壳，观察表针相对表盘摆动的情况与上次有什么不同，怎样解释这种差别？思考如图所示，弹簧下端悬挂一根磁铁，将磁铁托起到某高度后释放，磁铁能振动较长时间才停下来。如果在磁铁下端放一固定线圈，磁铁会很快停下来。这种现象说明了什么？如图，把铜片悬挂在电磁铁的两极间，形成一个摆。在电磁铁线圈未通电时，铜片可以自由摆动，要经过较长时间才会停下来。一旦当电磁铁通电之后，由于穿过运动导体的磁通量发生变化，铜片内将产生感应电流。根据楞次定律，铜片摆锤的摆动便受到阻力而迅速停止。三、电磁驱动磁场相对于导体运动时，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，这种现象称为电磁驱动。线圈转动与磁铁同向，但转速小于磁铁，即同向异步。应用：感应电动机、电能表、汽车上用的电磁式速度表等。安培力对以地为参照物来说，是动力。但对相对磁体的运动来说，是阻力。◆电磁阻尼与电磁驱动的比较电磁阻尼电磁驱动区别产生电流的原因由于导体在磁场中运动由于磁场相对于导体运动，导体中产生感应电流安培力方向安培力方向与导体运动方向相反，阻碍导体运动导体受安培力方向与导体运动方向相同，推动导体运动联系都属于电磁感应现象，安培力的作用效果都是阻碍导体与磁场间发生相对运动如图4－7－2所示，一金属球用绝缘细线悬挂于O点，将金属球拉离平衡位置并释放，金属球摆动过程中经过有界的水平匀强磁场区域，A、B为该磁场的竖直边界．若不计空气阻力，则()类型一电磁阻尼的分析A．金属球向右穿过磁场后，还能摆至原来的高度B．在进入和离开磁场时，金属球中均有感应电流C．金属球进入磁场后离平衡位置越近速度越大，感应电流也越大D．金属球最终将静止在平衡位置【解析】如图4－7－3所示，当金属球从1位置开始下落，进入磁场时(即2和3位置)，由于金属球内磁通量发生变化，所以有感应电流产生．同时，金属球本身有内阻，必然有能量的转化，即有能量的损失．图4－7－31.如图4－7－4所示，A、B为大小、形状均相同且内壁光滑，但用不同材料制成的圆管，竖直固定在相同高度．两个相同的磁性小球，同时从A、B管上端的管口无初速度释放，穿过A管的小球比穿过B管的小球先落到地面．下面对于两管的描述可能正确的是()变式训练图4－7－4A．A管是用塑料制成的，B管是用铜制成的B．A管是用铝制成的，B管是用胶木制成的C．A管是用胶木制成的，B管是用塑料制成的D．A管是用胶木制成的，B管是用铝制成的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4－7－5所示，在此过程中()类型二电磁驱动的分析和应用图4－7－5A．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【思路点拨】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．2.如图4－7－6所示，把一个闭合线框放在蹄形磁体的两磁极之间，蹄形磁体可以绕竖直轴转动，闭合线框也可以绕竖直轴转动，当蹄形磁体逆时针(从上往下看)转动时，有关线圈的运动下列说法正确的是()变式训练图4－7－6A．线圈将顺时针方向转动B．线圈仍保持静止C．线圈将逆时针方向转动，转速与磁铁相同D．线圈将逆时针方向转动，转速比磁铁小解析：选D.根据电磁驱动，磁铁转动，线圈会产生感应电流和受到安培力作用，这个安培力驱动线圈运动，其转动的效果是阻碍它们的相对运动，因此线圈转动方向与磁铁相同，但转速比磁铁小．光滑曲面与竖直平面的交线是抛物线，如图4－7－7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面上y＝b(ba)处以速度v沿抛物面下滑，假设抛物面足够长，小金属块沿抛物面下滑后产生的焦耳热总量是()类型三电磁感应中的能量问题A．mgbB.12mv2C．mg(b－a)D．mg(b－a)＋12mv2【答案】D【点评】小金属块在进出磁场的过程中，磁通量发生变化，会产生涡流，机械能转化为内能．但在匀强磁场中运动时，磁通量不变，不产生涡流，机械能守恒．3.如图4－7－8所示，光滑弧形轨道和一足够长的光滑水平轨道相连，水平轨道上方有一足够长的金属杆，杆上挂有一光滑螺旋管A.在弧形轨道上高为h的地方，无初速释放一磁铁B(可视为质点)，B下滑至水平轨道时恰好沿螺旋管A的中心轴运动，设A、B的质量分别为M、m，若最终A、B速度分别为vA、vB.变式训练(1)螺旋管A将向哪个方向运动？(2)全过程中整个电路所消耗的电能．解析：(1)磁铁B向右运动时，螺旋管中产生感应电流，感应电流产生电磁驱动作用，使得螺旋管A向右运动．(2)全过程中，磁铁减少的重力势能转化为A、B的动能和螺旋管中的电能，所以mgh＝12MvA2＋12mvB2＋E电．即E电＝mgh－12MvA2－12mvB2.答案：见解析【习题1】：下列关于涡流的说法中正确的是（）A．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B．涡流不是感应电流，而是一种有别于感应电流的特殊电流C．涡流有热效应，但没有磁效应D．在硅钢中不能产生涡流【解析】：涡流本质上是感应电流，是自身构成回路，在穿过导体的磁通量变化时产生的，所以A对B错。涡流不仅有热效应，同其他电流一样也有磁效应，C错。硅钢电阻率大，产生的涡流较小，但仍能产生涡流，D错。A【习题2】：电磁炉是利用电磁感应现象产生的涡流，使锅体发热从而加热食物．下列相关的说法中正确的是（）A．锅体中涡流的强弱与磁场变化的频率有关B．电磁炉中通入电压足够高的直流电也能正常工作C．金属或环保绝缘材料制成的锅体都可以利用电磁炉来烹饪食物D．电磁炉的上表面一般都用金属材料制成，以加快热传递、减少热损耗【解析】：涡流是高频交流电产生的磁场引起的电磁感应现象，故选项A正确B错误；电磁炉表面一般用绝缘材料制成，避免产生涡流，锅体用金属制成利用涡流加热物体，故选项CD错误．A题型一：关于涡流的利用和防止【变式2】：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，这是因为（）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．增大铁芯中的电阻，以减少放出的热量【解析】：不使用整块硅钢而采用很薄的硅钢片，这样做的目的是增大铁芯中的电阻，来减少电能转化成铁芯的内能，提高效率，是防止涡流而采取的措施.BD题型一：关于涡流的利用和防止题型二：电磁阻尼的分析【习题2】：如如图所示，A、B为大小、形状均相同且内壁光滑，但用不同材料制成的圆管，竖直固定在相同高度．两个相同的磁性小球，同时从A、B管上端的管口无初速度释放，穿过A管的小球比穿过B管的小球先落到地面．下面对于两管的描述可能正确的是（）A．A管是用塑料制成的，B管是用铜制成的B．A管是用铝制成的，B管是用胶木制成的C．A管是用胶木制成的，B管是用塑料制成的D．A管是用胶木制成的，B管是用铝制成的AD【解析】：选AD.磁性小球穿过金属圆管过程中，将圆管看做由许多金属圆环组成，小球的磁场使每个圆环中产生感应电流，据楞次定律，该电流阻碍磁性小球的下落，小球向下运动的加速度小于重力加速度；小球在塑料、胶木等非金属材料圆管中不会产生感应电流，小球仍然做自由落体运动，穿过塑料、胶木圆管的时间比穿过金属圆管的时间少．【变式训练1】：在水平放置的光滑导轨上，沿导轨固定一个条形磁铁，如图。现有铁、铝和有机玻璃制成的滑块甲、乙、丙，使它们从导轨上的A点以某一初速度向磁铁滑去。各物块在碰上磁铁前的运动情况是（）A．都做匀速运动B．甲做加速运动C．乙做匀速运动D．丙做匀速运动铁块会被磁化，与磁铁相互吸引铝块不会被磁化，形成涡流，与磁铁相互排斥BD【变式训练2】：（2012·福州模拟）甲、乙两个完全相同的铜环可绕固定轴OO′旋转，当它们以相同的角速度开始转动后，由于阻力，经相同的时间后便停止；若将两环置于磁感应强度为B的大小相同的匀强磁场中，乙环的转轴与磁场方向平行，甲环的转轴与磁场方向垂直，如图所示，当甲、乙两环同时以相同的角速度开始转动后，则下列判断中正确的是（）A．甲环先停B．乙环先停C．两环同时停下D．无法判断两环停止的先后由图可知：甲环的磁通量会发生变化，甲环的动能要转化为电能，而乙环中无磁通量的变化，不会产生感应电流，故甲环先停下来.题型三：电磁驱动的分析和应用【习题3】：如图所示，把一个闭合线框放在蹄形磁体的两磁极之间，蹄形磁体可以绕竖直轴转动，闭合线框也可以绕竖直轴转动，当蹄形磁体逆时针（从上往下看）转动时，有关线圈的运动下列说法正确的是（）A．线圈将顺时针方向转动B．线圈仍保持静止C．线圈将逆时针方向转动，转速与磁铁相同D．线圈将逆时针方向转动，转速比磁铁小【解析】：根据电磁驱动，磁铁转动，线圈会产生感应电流和受到安培力作用，这个安培力驱动线圈运动，其转动的效果是阻碍它们的相对运动，因此线圈转动方向与磁铁相同，但转速比磁铁小．D