涡流现象

一、涡流现象如下图所示，在一根导体外面绕上线圈，当线圈中的电流发生________时，这个线圈内的导体中就会产生____________，这种________看起来很像水的漩涡，所以叫做________．导体的外周长越长，交变磁场的频率越高，产生的涡流就越________．变化感应电流电流涡流大二、电磁灶与感应加热1．电磁灶是________现象在生活中的应用，其基本结构如下图所示．电磁炉的工作原理是采用磁场感应涡流________原理，利用电流通过线圈产生交变磁场，当磁场内的磁感线通过铁质锅底时会产生无数的____________，使锅的本身自行迅速发热，然后再作用于锅内食物．电磁灶让锅直接发热，没有明火和炊烟，更没有因加热产生的废气，可算是一种________、________和高效________的炊具，且集煎、炒、蒸、煮、炸、炖、煲、火锅、铁板等多功能于一身，可满足家庭烹调的多种需求，是“__________________”之一．涡流加热小涡流清洁安全节能现代厨房的标志2．利用足够大的电力在导体中产生很大的涡流，导体中的电流可以________，使金属受热甚至熔化，发热根据这个道理，制造出了__________，用来冶炼金属，如右图所示．感应加热的优点有：①非接触式加热，热源和受热物件可以不直接__________；②加热效率____________、速度__________，可以减小表面__________现象；③容易控制________，提高加工精度；④可实现________加热；⑤可实现__________控制；⑥可减少占地、热辐射、噪声和灰尘．感应炉接触高快氧化温度局部自动化三、涡流制动与涡流探测1．如右图所示，当导体在磁场中运动时，感应电流会使导体受到________力，安培________力的方向总是________导体的运动．这种制动方式常应用于________的阻尼制动、高速机车制动的涡流闸等．安培阻碍电表2．涡流金属探测器有一个流过一定频率________电流的探测线圈，该线圈产生的________磁场在金属物中激起________，隐蔽金属物的等效电阻、电感也会反射到探测线圈中，改变通过探测线圈电流的大小和相位，从而探知________物．涡流金属探测器可用于探测行李包中的________、埋于地表的________、金属覆盖膜厚度等．交变交变涡流金属枪支地雷3．在生产和生活中，有时也要避免涡流效应．如电机、变压器的铁芯在工作时会产生________，增加能耗，并导致变压器________．要减少涡流，可采用的方法是把整块铁芯改成用________叠压的铁芯，增大回路________，削弱涡流，减少发热损失．涡流发热薄片电阻1．如图所示，将绕在铁芯上的线圈接入220V交变电源，几分钟后就可以感到铁芯变热，这说明发生了什么现象？【答案】铁芯在变化的磁场中，穿过它的磁通量将发生变化，铁芯内将产生感应电流，这种电流在铁芯内自成闭合电路，很像水的漩涡，因此叫做涡电流，简称涡流．由于导体存在电阻，当电流在导体中流动时，就会产生电热，这就是涡流的热效应．2．如图，把铜板做成的摆放到电磁铁的磁场中，当电磁铁未通电时，摆要往复多次才能停止下来．如果电磁铁通电，摆很快就能停止下来，请解释这种现象．【答案】这是因为磁场在摆动的铜板中产生了涡流．涡流受磁场作用力的方向与摆动方向相反，因而增大了摆的阻尼，摆很快就能停止下来．电磁仪表中的电磁阻尼器就是根据涡流磁效应制作的，在磁电式测量仪表中，常把使指针偏转的线圈绕在闭合铝框上，当测量电流流过线圈时，铝框随线圈指针一起在磁场中转动，这时铝框内产生的涡流将受到磁场作用力，抑止指针的摆动，使指针较快地稳定在指示位置上．此外，电气机车的电磁制动器也是根据这一效应制作的．3．如图所示，当磁铁转动时，在磁铁中的闭合线圈也将与磁铁同方向地转动起来，请解释这种现象．【答案】磁场相对于线圈运动时，会在线圈中产生感应电流，感应电流使线圈受到安培力的作用，安培力驱使线圈运动起来，这种现象称为电磁驱动．交流感应电动机就是应用电磁驱动的原理工作的．4．同样大小的整块金属和叠合的硅钢片铁芯放在同一变化的磁场中相比较，以下正确的是()A．金属块中的涡流较大，热功率也较大B．硅钢片中涡流较大，热功率也较大C．金属块中涡流较大，硅钢片中热功率较大D．硅钢片中涡流较大，金属块中热功率较大【答案】A【点拨】金属块中回路较大，因此，涡流较大，热功率也较大．1．涡流定义块状金属放在变化的磁场中，或让它在磁场中运动，金属块内有感应电场产生，从而形成闭合回路，这时感生电场力可以在整块金属内部引起闭合涡旋状的感应电流，所以叫做涡电流．“涡电流”简称涡流．2．涡流的热效应当变压器的线圈中通过交变电流时，在铁芯内部有变化的磁场，因而产生感生电场，引起涡流．涡流在通过电阻时也要放出焦耳热．(1)应用：利用它的热效应进行加热的方法称为感应加热．而涡流的大小和磁通量变化率成正比，磁场变化的频率越高，导体里的涡流也越大．实际上，一般使用高频交流电激发涡流．如：①高频焊接：如下图所示，线圈中通以高频交流电时，待焊接的金属工件中就产生感应电流(涡电流)．由于焊缝处的接触电阻很大，放出的焦耳热很多，致使温度升得很高，将金属熔化，焊接在一起．我国生产的自行车架就是用这种方法焊接的．②高频感应炉：高频感应炉利用涡流来熔化金属．上面有冶炼金属的感应炉的示意图．冶炼锅内装入被冶炼的金属，线圈通上高频交变电流，这时被冶炼的金属中就产生很强的涡流，从而产生大量的热使金属熔化．这种冶炼方法速度快，温度容易控制，并能避免有害杂质混入被冶炼的金属中，因此适于冶炼特种合金和特种钢．③电磁炉：电磁炉的工作原理是采用磁场感应涡电流加热原理，利用交变电流通过线圈产生磁场，当磁场内的磁感线通过铁质锅底时会产生无数的小涡流使锅的本身自行迅速发热，然后再作用于锅内食物．这种最新的加热方式，能减少热量传递的中间环节，可大大提升制热效率，比传统炉具(电炉、气炉)节省能源一半左右．(2)控制：导体在非均匀磁场中移动或处在随时间变化的磁场中时，因涡流而导致能量损耗称为涡流损耗．涡流损耗的大小与磁场的变化方式、导体的运动、导体的几何形状、导体的磁导率和电导率等因素有关．变压器、电机铁芯中的涡流热效应不仅损耗能量，严重时还会使设备烧毁．为减少涡流，变压器、电机中的铁芯都是用很薄的硅钢片叠压而成．因为在导体中涡流的大小和电阻有关，电阻越大涡流越小．为了减小涡流造成的热损耗，电机和变压器的铁芯常采用多层彼此绝缘的硅钢片叠加而成(材料采用硅钢以增加电阻)．这些薄片表面涂有薄层绝缘漆或绝缘的氧化物．磁通穿过薄片的狭窄截面时，涡流被限制在沿各片中的一些狭小回路流过，这些回路中的净电动势较小，回路的长度较大，再由于这种薄片材料的电阻率大，这样就可以显著地减小涡流损耗．所以，交流电机、电器中广泛采用叠片铁芯．3．涡流的磁效应(1)电磁阻尼现象：把铜板做成的摆放到电磁铁的磁场中，当电磁铁未通电时，摆要往复多次，才能停止下来．如果电磁铁通电，磁场在摆动的铜板中产生涡流．涡流受磁场作用力的方向与摆动方向相反，因而增大了摆的阻尼，摆很快就能停止下来．这种现象称为电磁阻尼．(2)应用：电磁仪表中的电磁阻尼器就是根据涡流磁效应制作的，在磁电式测量仪表中，常把使指针偏转的线圈绕在闭合铝框上，当测量电流流过线圈时，铝框随线圈指针一起在磁场中转动，这时铝框内产生的涡流将受到磁场作用力，抑止指针的摆动，使指针较快地稳定在指示位置上．此外，电气机车的电磁制动器也是根据这一效应制作的．1．涡流现象电磁炉(或电磁灶)是采用电磁感应原理产生涡流加热的，它利用变化的电流通过线圈产生变化的磁场，当变化的磁场通过含铁质锅的底部时，即会产生无数细小涡流，使锅体本身自行高速升温，然后再加热锅内食物．电磁炉工作时产生的电磁波，完全被线圈底部的屏蔽层和顶板上的含铁质锅所吸收，不会泄漏，对人体健康无危害．关于电磁炉，以下说法中正确的是()A．电磁炉是利用变化的磁场在食物中产生涡流对食物加热的B．电磁炉是利用变化的磁场产生涡流，使含铁质锅底迅速升温，进而对锅内食物加热的C．电磁炉是利用变化的磁场使食物中的极性水分子振动和旋转来对食物加热的D．电磁炉跟电炉一样是让电流通过电阻丝产生热量来对食物加热的【解析】由电磁炉的工作原理可知，A、D错误，B正确．C是微波炉的加热原理．【答案】B【点拨】正确理解电磁炉中的涡流作用是判断本题的依据．(双选)如下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【答案】AD【点拨】涡流的大小与导体的外周长和电流变化的频率有关，电流变化的频率越高，产生的涡流越大，焊缝处的电阻大，感应电流通过焊缝时产生热量多，将金属熔化，把工件焊接在一起，工件其他部分电阻小，发热很少．2．涡流的应用弹簧上端固定，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，如右图所示，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】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少，振幅逐渐减小，A正确．【答案】A【点拨】涡流的产生也是一个能量转化的过程，无涡流时，磁铁和弹簧机械能守恒，振幅不变，有涡流产生时，也即磁铁和弹簧的机械能要转化为电能，最终转化成线圈发热的内能，因而振幅将逐渐减小，最终磁铁会停止振动．如下图所示，在光滑水平面上固定一条形磁铁，有一小球以一定的初速度向磁铁方向运动，如果发现小球做减速运动，则小球的材料可能是()A．铁B．木C．铜D．铝【解析】小球向磁铁方向运动时，穿过它的磁通量会发生变化，若小球是金属的，则在小球内会产生涡流，故B错．铁球在向磁铁运动的过程中，虽然内部也会产生涡流，但磁铁对铁具有吸引作用，故铁球会做加速运动，而铜、铝两种球，由于内部产生了涡流，消耗了运动的机械能，将做减速运动．【答案】CD【点拨】根据经验，磁铁对铁球的吸引效果会远大于小铁球内部产生的涡流效应，绝缘木球不会产生涡流而损耗机械能．电阻为R的矩形线框abcd，边长ab＝L，ad＝h，质量为m，自某一高度自由落下，通过一匀强磁场，磁场方向垂直纸面向里，磁场区域的宽度为h，如下图所示，若线框恰好以恒定速度通过磁场，则线框中产生的焦耳热为多少？(不考虑空气阻力)【解析】线框通过磁场的过程中，动能不变．根据能的转化和守恒，线框减少的重力势能全部转化为线框中感应电流的电能，最后又全部转化为焦耳热．所以，线框通过磁场过程中产生的焦耳热为Q＝ΔEP＝mg·2h＝2mgh.【答案】2mgh【点拨】涡流是电磁感应现象中的一种特殊情况，它们都能应用能的转化和守恒定律来分析和求解．(双选)在闭合线圈上方有一条形磁铁自由下落，直到穿过线圈的过程中，下列说法正确的是()A．磁铁下落过程中机械能守恒B．磁铁的机械能增加C．磁铁的机械能减少D．线圈增加的热量是由磁铁减少的机械能转化而来的【答案】CD【点拨】磁铁穿过闭合线圈下落，会使穿过闭合线圈的磁通量发生变化，使线圈中产生感应电流，也即在线圈中产生了电能，最终通过电流发热，转化成了内能，线圈上增加的内能是由磁铁下落的机械能转化而来的，故磁铁机械能减少．(双选)如下图所示，abcd是一闭合的小金属线框，用一根绝缘的细杆挂在固定点O，使金属线框在竖直平面内来回摆动的过程穿过水平方向的匀强磁场区域，磁感线方向跟线框平面垂直，若悬点摩擦