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7涡流、电磁阻尼和电磁驱动[学习目标]1.了解涡流的产生过程.2.了解涡流现象的利用和危害.3.通过对涡流实例的分析,了解涡流现象在生活和生产中的应用.4.了解电磁阻尼和电磁驱动及应用.课前预习掌握新知知识梳理一、涡流1.概念:当线圈中的电流随时间变化时,由于,在附近导体中产生像水中旋涡样的感应电流,所以把这种感应电流叫做.2.特点:整块金属的电阻率很小,涡流往往,产生的热量.3.应用(1)涡流热效应的应用:如等.(2)涡流磁效应的应用:如、等.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.电磁感应涡流很强很多真空冶炼炉探雷器安检门(1)途径一:增大铁芯材料的.常用的铁芯材料是硅钢,它的电阻率比较大.(2)途径二:用相互的硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯.二、电磁阻尼1.概念:当导体在磁场中运动时,电流会使导体受到安培力,安培力的方向总是导体的运动,这种现象称为电磁阻尼.2.应用:磁电式仪表中利用电磁阻尼使指针迅速,便于读数.三、电磁驱动1.概念: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的作用,安培力使导体,这种作用常常称为电磁驱动.2.应用:交流感应电动机.电阻率绝缘感应阻碍停止摆动安培力运动起来科学思维1.思考判断(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.()√(2)变压器的铁芯用硅钢片叠成是为了减小涡流.()(3)涡流有热效应,但没有磁效应.()(4)电磁阻尼和电磁驱动均遵循楞次定律.()(5)交流感应电动机利用了电磁阻尼的原理.()√×√×2.思维探究(1)乘坐飞机的乘客登机前都要接受安全检查.如图是一种手持式金属探测器,它和地下金属探测器,一靠近金属体,它就会发出报警声.这是为什么呢?答案:在探测器内有一线圈,线圈中通有高频电流,因此线圈周围有着高频的变化磁场.当探测器靠近金属体时,线圈的磁场在金属体中感应出涡电流,涡电流产生的磁场又会穿过线圈,改变线圈中的原磁场,使相关的电子线路产生报警声.(2)电磁驱动现象中,导体在安培力作用下的运动速度总要比磁场的运动速度慢一些,原因是什么?答案:如果导体速度和磁场速度一样,则两者相对速度为零,感应电流便不会产生,这时的电磁驱动作用就会消失,所以导体速度总要比磁场速度慢一些.(3)阅读教材P27中的“思考与讨论”,回答下列问题.①如图(甲)所示,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方向.安培力对线圈的运动有什么影响?答案:①单匝线圈落入磁场中图示位置时感应电流方向为逆时针,由左手定则可判定安培力方向向上,安培力阻碍线圈的下落.②磁电式仪表的线圈常常用铝框做骨架,把线圈绕在铝框上,如图(乙)所示.假定仪表工作时指针向右转动,铝框中的感应电流沿什么方向?由于铝框转动时其中有感应电流,铝框要受到安培力,安培力是沿什么方向的?安培力对铝框的转动产生什么影响?使用铝框做线圈骨架有什么好处?答案:②仪表工作时指针向右偏转,铝框中的感应电流方向(从上往下看)沿逆时针方向,铝框左边受向下的安培力,而右边受向上的安培力,安培力阻碍线圈的转动.使用铝框做线圈骨架的目的是利用感应电流来起电磁阻尼作用,使线圈偏转后尽快停下来.磁电式仪表的指针能够很快停下,就是利用了电磁阻尼.课堂探究突破要点要点一涡流现象分析[探究导学]如果磁场是用变化的电流来获取的,导体用整块铁代替,如图所示.请问铁块中有感应电流吗?如果有,它的形状像什么?答案:有.变化的电流产生变化的磁场,变化的磁场产生感生电场,感生电场在铁块中产生感应电流,它的形状像水中的旋涡,所以把它叫做涡电流,简称涡流.[要点归纳]1.涡流产生的条件(1)穿过金属块的磁通量发生变化.(2)金属块自身构成闭合回路.(3)金属块的电阻较小.2.可以产生涡流的两种情况(1)把块状金属放在变化的磁场中.(2)让块状金属进出磁场或在非匀强磁场中运动.3.涡流现象中的能量分析(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,就会产生电热.4.涡流的利用与防止(1)利用①电磁炉:金属块内产生涡流时将会产生电热,因此可以用涡流来加热物体.电磁炉就是利用了这一原理.②真空冶炼:用来冶炼合金钢的真空冶炼炉,炉外有线圈,线圈中通入周期性变化的电流,炉内的金属中产生涡流.涡流产生的热量使金属熔化并达到很高的温度,利用涡流冶炼的优点是整个过程能在真空中进行,这样就能防止空气中的杂质进入金属,可以冶炼高质量的合金.(2)防止①增大铁芯材料的电阻率,常用的铁芯材料是硅钢,它的电阻率比较大.②用互相绝缘的薄硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯,而铁芯中的涡流被限制在狭窄的薄片内,回路的电阻很大,涡流大为减弱,涡流产生的热量也减少.[例1](多选)高频焊接原理示意图如图所示,给线圈通以高频交变电流,在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ABC思路导图:解答本题时可按以下思路分析解析:交变电流频率越高、电压越大,产生的磁场变化越快,在工作中引起的感应电动势越大,感应电流就越大,产生的热量就越多,选项A,B正确;焊接缝接触电阻越大,焊接处电压越大,在此处产生的热量越多,越容易熔化焊接,选项C正确,D错误.学霸笔记解决涡流问题要掌握以下三个方面的知识(1)涡流的产生条件及能量转化情况;(2)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;(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,形成的涡流就越大.Bt(教师备用)例1-1:大小厚度相同的两块铁质圆盘,现将一块分割成五条,各条间涂上绝缘材料,如乙所示,另一块甲完好,放在同一变化的磁场中,当磁场均匀增强,下列说法正确的是()A.甲中只有感应电流没有涡流B.乙和甲中涡流相同C.甲比乙热效果好D.乙中没有涡流产生C解析:甲中的感应电流就是涡流,选项A错误,甲、乙均产生涡流,由于乙各条间绝缘,只有比较小的涡流,热效果差,故选项B,D错误,C正确.[针对训练1-1](多选)对变压器和电动机等中的涡流的认识,以下说法正确的是()A.涡流会使铁芯温度升高,减少线圈的寿命B.涡流发热,要损耗额外的能量C.为了不产生涡流,变压器和电动机的铁芯用相互绝缘的硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯D.涡流产生于线圈中,对原电流起阻碍作用AB解析::变压器和电动机中产生的涡流会使温度升高消耗能量,同时会减少线圈的寿命,选项A,B正确;变压器和电动机的铁芯用相互绝缘的硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯是为了增加电阻,减小涡流,减少产生的热量,选项C错误;涡流产生于铁芯中,对原电流无阻碍作用,选项D错误.要点二电磁阻尼和电磁驱动[探究导学](1)如图(甲)所示,将磁铁从同一高度释放,下端放有闭合线圈的磁铁很快停下来,而另一个磁铁能振动较长时间.如何解释这个现象?答案:(1)当磁铁穿过闭合线圈时,在闭合线圈中会产生感应电流,感应电流的磁场会阻碍磁铁靠近或离开线圈,也就使磁铁振动时除了受空气阻力外,还要受到线圈的磁场阻力,克服阻力需要做的功较多,机械能损失较快,因而会很快停下来.(2)如图(乙)所示,当顺时针或逆时针转动蹄形磁铁时线圈怎样转动?使线圈转动起来的动力是什么力?答案:(2)当蹄形磁铁顺时针转动时线圈也顺时针转动;当蹄形磁铁逆时针转动时线圈也逆时针转动.线圈内产生感应电流受到安培力的作用,安培力作为动力使线圈转动起来.[要点归纳]1.电磁阻尼中安培力的方向与导体运动方向相反,阻碍导体运动;电磁驱动中导体受安培力的方向与导体运动方向相同,推动导体运动.2.电磁阻尼中克服安培力做功,其他形式的能转化为电能,最终转化为内能;电磁驱动中由于电磁感应,磁场能转化为电能,通过安培力做功,电能转化为导体的机械能而对外做功.[例2](2018·甘肃天水期末)如图所示,在光滑的水平面上有一半径r=10cm、电阻R=1Ω、质量m=1kg的金属环,以速度v=10m/s向一有界磁场滑去.匀强磁场方向垂直于纸面向里,B=0.5T,从环刚进入磁场算起,到刚好有一半进入磁场时,圆环一共释放了32J的热量,求:(1)此时圆环中电流的瞬时功率;(2)此时圆环运动的加速度.核心点拨:(1)圆环进磁场过程中产生感应电流,机械能减少量等于释放的热量.(2)弯曲导线切割磁感线产生电动势的等效长度等于两端点连线长度.(3)弯曲导线所受安培力的等效长度也等于两端点连线长度.答案:(1)0.36W(2)6×10-2m/s2,方向向左解析:(1)设刚好有一半进入磁场时,圆环的速度为v′,由能量守恒,得12mv2=Q+12mv′2此时圆环切割磁感线的有效长度为2r,圆环的感应电动势E=B·2r·v′而圆环此时的瞬时功率P=2ER=22BrvR联立各式代入数据可得v′=6m/s,P=0.36W.(2)此时圆环在水平方向受向左的安培力F=ILB圆环的加速度为a=ILBm=222BrvmR=6×10-2m/s2,方向向左.学霸笔记电磁阻尼和电磁驱动问题的解答技巧(1)电磁阻尼和电磁驱动都是电磁感应现象,均可以根据楞次定律和左手定则分析导体的受力情况.(2)电磁阻尼与电磁驱动现象中安培力的作用效果均为阻碍相对运动,应注意在电磁驱动中,主动部分的速度(或角速度)大于被动部分的速度(或角速度).(教师备用)例2-1:(多选)半圆形导轨竖直放置,水平方向不均匀磁场垂直于轨道平面,一个金属球在轨道内来回滚动,如图所示,若空气阻力不计,则()A.金属球做等幅振动B.金属球做减幅振动C.金属球做增幅振动D.最终金属球会停在半圆形导轨底部BD解析:金属球在磁场中运动时,会产生感应电流,从而产生热量;根据能量守恒定律知,金属球的机械能减小,金属球做减幅振动,最终金属球会停在半圆形导轨底部,故B,D正确.[针对训练2-1](2018·陕西西安期末)(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.1是磁铁,在2中产生涡流B.2是磁铁,在1中产生涡流C.该装置的作用是使指针能很快地稳定D.该装置的作用是使指针能够转动BC解析:2是磁铁,1为闭合线框,当1切割磁感线在1中产生涡流,从而使1很快地稳定,选项B,C正确,A,D错误.随堂演练检测效果1.下列做法中可以减小涡流产生的是()A.在电动机、变压器的线圈中加入铁芯B.电动机、变压器内部铁芯都是由相互绝缘的硅钢片组成C.在电磁冶金中,把交变电流改成直流D.一些大型用电器采用特制的安全开关B解析:在电动机、变压器的线圈中加入铁芯,是为了增强线圈的磁通量,与涡流无关,选项A错误;在整块导体内部发生电磁感应而产生感应电流的现象称为涡流现象,要损耗能量,不用整块的硅钢铁芯,用相互绝缘的硅钢片叠合而成,其目的是为了减小涡流,选项B正确;在电磁冶金中,是利用涡流产生的热量,把交变电流改成直流则不能使用,选项C错误;一些大型用电器采用特制的安全开关是为了防止断电时由于自感产生的高压,与涡流无关,选项D错误.2.(2018·黑龙江大庆校级期中)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C解析: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,即产生的感应电流必定是使线圈转动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.3.(2018·重庆月考)(多选)如图所示,在线圈上端放置一盛有冷水的金属杯,现接通交流电源,过了几分钟,杯内的水沸腾起来.若