高中物理第四章电磁感应7涡流电磁阻尼和电磁驱动课件新人教版选修3_2-51张 51页

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。 一　涡　　流 【 典例 】 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 【 正确解答 】 选 C 。容器中水温升高 , 是电能转化成内能所致。只有变化的电流才能产生变化的磁场 , 且只有小铁锅处于变化的磁场中时 , 才能产生感应电动势 , 从而产生感应电流 , 导致小铁锅发热。玻璃杯是绝缘体 , 不能产生感应电流。故 C 正确 ,A 、 B 、 D 错误。 【 核心归纳 】 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) 金属块放在变化的磁场中 , 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 , 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。 【 特别提醒 】 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.( 多选 ) 下列哪些措施是为了防止涡流的危害 ( 　　 ) A. 电磁炉所用的锅要用平厚底金属锅 B. 磁电式电表的线圈常常用铝框做骨架 , 把线圈绕在铝框上 C. 变压器的铁芯不做成整块 , 而是用许多电阻率很大的硅钢片叠合而成 D. 变压器的铁芯每片硅钢片表面有不导电的氧化层 【 解析 】 选 C 、 D 。电磁炉是采用电磁感应原理 , 在金属 锅上产生涡流 , 使锅体发热从而加热食物的 , 属于涡流 的应用 , 故 A 不符合题意 ; 磁电式电表的线圈常常用铝框 做骨架 , 起到电磁阻尼作用 , 是为了利用电磁感应 , 故 B 不符合题意 ; 变压器的铁芯不做成整块 , 而是用许多电 阻率很大的硅钢片叠合而成 , 是为了减小变压器铁芯内 产生的涡流 , 属于涡流的防止 , 故 C 正确 ; 变压器的铁芯每片硅钢片表面有不导电的氧化层 , 是为了减小变压器铁芯内产生的涡流 , 属于涡流的防止 , 故 D 正确 ; 故选 C 、 D 。 3. 金属探测器是用来探测金属的仪 器 , 关于其工作原理 , 下列说法中正确的是 ( 　　 ) A. 探测器内的探测线圈会产生稳定的磁场 B. 只有有磁性的金属物才会被探测器探测到 C. 探测到金属物是因为金属物中产生了涡流 D. 探测到金属物是因为探测器中产生了涡流 【 解析 】 选 C 。金属探测器探测金属时 , 探测器内的探测线圈会产生变化的磁场 , 被测金属中感应出涡流 , 故选项 A 、 D 错误 ,C 正确 ; 所有的金属都能在变化的磁场中产生涡流 , 所以不一定是只有有磁性的金属物才会被探测器探测到 , 选项 B 错误 ; 故选 C 。 二　电磁阻尼和电磁驱动 考查角度 1 电磁阻尼 【 典例 1】 (2017· 全国卷 Ⅰ) 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 电磁驱动 【 典例 2】 ( 多选 )(2015· 全国卷 Ⅰ) 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 【 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。 【 核心归纳 】 电磁阻尼 电磁驱动 不 同 点 成因 由导体在磁场中运动形成的 由磁场运动而形成的 效果 安培力方向与导体运动方向相反 , 为阻力 安培力方向与导体运动方向相同 , 为动力 能量 转化 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 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 电磁阻尼 电磁驱动 共同点 两者都是电磁感应现象 , 导体受到的安培力都是阻碍导体与磁场间的相对运动 【 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。 【 过关训练 】 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. 如图所示 , 蹄形磁铁和矩形线圈均可绕竖直轴 OO′ 转动 , 当从上往下看磁铁做逆时针转动后 , 则 ( 　　 ) A. 线圈将逆时方向转动 , 转速与磁铁相同 B. 线圈将逆时方向转动 , 转速比磁铁小 C. 线圈将逆时方向转动 , 转速比磁铁大 D. 线圈仍将静止 【 解析 】 选 B 。当转动磁铁时 , 导致线圈的磁通量发生变化 , 从而产生感应电流 , 产生安培力 , 导致线圈与磁铁转动方向相同 , 线圈的转速一定比磁铁转速小 ,B 正确、 A 、 C 、 D 错误。 3. 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 。 【 拓展例题 】 考查内容 : 涡流现象在日常生活中的应用 【 典例 】 如图为电磁灶 , 是采用磁场感应涡流原理 , 它 利用高频的交流电通过环形线圈 , 从而产生无数封闭磁 感线 , 当磁感线通过导磁 ( 如 : 铁质锅 ) 的底部 , 而底部可 看做由无数个导体圆环构成 , 当穿过圆环的磁通量发生 变化时 , 圆环上就产生感应电流 , 即小涡流 ( 一种交变电 流 , 家用电磁炉使用的是 15 ～ 30 kHz 的高频电流 ) 。它和普通电流一样要放出焦耳热 , 会使锅体本身自行高速发热 , 然后再加热锅内食物。 (1) 为什么锅体必须是导磁性材料 ? (2) 如图所示为电磁灶的结构示意图。电磁灶是根据涡流原理给锅加热的 , 调查研究电磁灶与一般烹饪灶具比较具有哪些优点 ?( 写出两条即可 ) 【 解析 】 (1) 由于非导磁性材料不能有效汇聚磁感线 , 几乎不能形成涡流 , 所以基本上不加热 ; 另外 , 导电能力特别差的磁性材料由于其电阻率太高 , 产生的涡流电流也很小 , 也不能很好地产生热量。所以 , 电磁灶使用的锅体材料导电性能相对较好 , 一般采用铁磁性材料的金属或者合金以及它们的复合体 , 一般采用的锅有 : 铸造铁锅、生铁锅、不锈铁锅。纯不锈铁锅材料由于其导磁性能非常低 , 所以在电磁灶上并不能正常工作。 (2)① 热效率高。由于电磁灶是通过涡流而使磁性锅体发热的 , 它不存在热量再传导或辐射的过程 , 也就减少了传导和辐射过程中的热量损耗 , 热效率较高。一般电炉的热效率为 50%, 煤气灶的热效率为 40%, 而电磁灶的热效应可达 80% 。 ② 控温准确。电磁灶能方便而准确地根据用户的要求控制发热功率及烹调温度 , 热惯性小 , 断电即断磁 , 也就不再发热 , 而且使锅内温度分布均匀 , 烹调效果好。 ③安全可靠。由于电磁灶使用时不产生明火 , 再加上灶台本身不发热 , 并且又附有多种自动保护功能 , 因此使用时 , 不会发生烫伤事故 , 也不会引起火灾、爆炸、中毒等事故。 ④ 清洁卫生。由于电磁灶无明火 , 无烟 , 不会产生有害气体污染空气 , 还能保持锅体和灶台清洁 , 由于灶台面板为结晶陶瓷玻璃制成 , 即使食物溢出也不会焦糊 , 如有污物很容易擦净。 ⑤ 使用方便。电磁灶体积小 , 重量轻 , 操作简单 , 一目了然 , 可随意搬动 , 便于携带 , 可以作为外出旅游之用 , 也可以放在餐桌上使用。 答案 : 见解析