高中物理选修3-2：4-7涡流、电磁阻尼和电磁驱动-LI

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？一、涡流(eddycurrent)1、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。2、如图所示，绝缘导线绕在金属块上，当通以交变电流时，磁通量不断变化，将产生涡流，由于金属块电阻小产生涡流很强，使铁芯发热浪费电能。3、如图所示，薄硅钢片使涡流被限制在狭窄的薄片之内，使电阻增大，减弱涡流，减小损失。且硅钢片比普通钢片电阻率大，其涡流损失只有普通钢的1/5~1/4。二、涡流的利用1、如图所示的高频感应炉，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。2、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。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。二、涡流的利用二、涡流的利用生活中的电磁炉，也是利用电磁感应中的涡流的热效应来烧菜做饭的。二、涡流的利用线圈探雷器的长柄线圈中，通有变化的电流，在其周围就产生变化的磁场，埋在地下的金属物品，由于电磁感应而形成涡流，涡流的磁场反过来又作用于线圈，使仪器报警。二、涡流的利用机场、车站及重要场所的安检门及工作人员手上的探测器，也是利用与探雷器类似的电磁感应原理使仪器报警，来探测进出人员身上携带的金属物品。三、涡流的防止变压器和电动机的铁芯不采用整块金属，而是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，同时避免破坏绝缘层，对电器起到了保护的作用。思考与讨论为什么磁电式电表的线圈要用铝框做骨架呢？绕有线圈的铝框电学测量仪器要求指针的摆动很快停下来，也是利用了铝框中产生的涡流，从而通过磁场对这个涡流的作用力阻碍它们的摆动，使指针能很快地指到示数的位置上。2、应用：磁电式电表中安装的使指针很快地停下的铝框；电气机车内部可使机车快速停下的电磁制动器等四、电磁阻尼(eletromagneticdamping)1、电磁阻尼现象：当导体在磁场中运动时，感应电流会使导体受到安培力，安培力的方向总是阻碍导体的运动，这种现象称为电磁阻尼。思考与讨论用手晃动微安表的表壳，发现指针来回振动后，会因超出刻度所标的偏转范围而卡住，而在车辆长途运输微安表时，都要用导线把微安表两个接线柱连在一起，这又是为什么？微安表是一种高灵敏度，高精度电流表，表内的指针因振动会产生摇摆，剧裂摇摆会使微安表造成指针打偏、降低灵敏度、或失灵等。故在运输中，用导线短路两接线柱，使内部表头线圈闭合产生磁阻，大大降低因外界的摇摆、振动对表头的影响。实验演示五、电磁驱动2、应用：交流感应电动机，家用电度表，车内的速度计等。1、电磁驱动：磁场相对于导体转动，在导体中产生感应电流，感应电流使导体受到安培力，安培力使导体跟着磁场转动，这种现象称为电磁驱动。1、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CD课堂练习2、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BD课堂练习注意：铁磁化相吸，铝电磁感应产生涡流，故铁加速，铝减速电磁阻尼，使金属盘，磁铁和金属球快速停下，机械能转化为电能以热的形式散发到周围的空气中。电磁感应的其他一些应用vv动圈式话筒话筒就是利用电磁感应，把声音信号转变为电信号的装置。磁带录音机录音：声音使话筒中产生随声音变化原感应电流——音频电流，经放大后，进入录音磁头的线圈中，在磁头的缝隙产生随音频电流变化的磁场，磁带在紧贴磁头缝隙运动，磁带上的磁粉层被磁化，从而录下声音的磁信号。延时继电器原理：合上S时，电流恒定，A中线圈磁极上端为N极，吸住衔铁D，使D与触头C接通；当S断开时，电流减小，B线圈电磁感应，阻碍电流减小，产生顺时针电流，再吸住D一段时间后才使D与C断开。电磁流量计圆管的正视图左视图1、流量Q：单位时间内流过的液体的体积。2、原理：流动液体切割磁感线，在ab两端形成电势差为Uab=Bdv可得流量Q为Q=πd2v/4即Q=πdUab/4B超导材料由于它的抗磁性，已被应用于磁悬浮高速列车。如图是磁悬浮的原理，图中P是圆柱形磁铁，Q是用高温超导材料制成的超导圆环，将Q水平放在磁铁P上，它就能在磁力作用下悬浮在磁铁P的上方空中。（1）在Q放入磁场过程中，Q中有无感应电流？（2）根据题中提供的信息，Q的N极指向如何？（3）根据（2）的结论，Q中的电流方向如何？（4）稳定后，感应电流消失吗？磁悬浮的原理NPQ如果把永磁体圆片置于超导体上方，靠近超导体时，下方的超导体如同一块和上方的永磁体同极相对的磁铁一样，使永磁体受到向上的斥力。当斥力和重力平衡时，永磁体便悬浮在超导体上方某一高度不动了。磁悬浮列车与此相似，若在车辆底部安装超导磁体，在轨道两旁埋设一系列闭合铝环，整个列车由埋在底下的线性同步电动机来驱动。运行时，列车凌空浮起，使车与轨道间的摩擦减为零。2、到1979年，磁悬浮列车已经创造517km/h的速度记录，每小时的能耗仅为飞机的1/3。1、中国：在上海，拥有一条时速超过400km的高速列车线“横空出世”——从浦东机场到陆家嘴长达40km的磁悬浮示范线。3、德国：拥有一条31.5km的载人磁悬浮专线。4、日本：18.4km的电动超导磁悬浮试验线也已建好，时速达550km。磁悬浮列车日光灯的构造日光灯管1、灯丝的作用：2、灯管内充的汞蒸汽的作用：给气体加热，并给气体加上高电压在高压下导电发出紫外线3、灯管内壁涂的荧光粉的作用：受到紫外线照射可发出可见光镇流器是自感系数很大的带铁芯的线圈，作用：启动时，产生瞬时高电压（达上千伏），帮助点燃；正常工作时的感抗降压限流（40W的灯管为100伏），保护灯管。启动器作用：自动开关，可用普通开关或短绝缘导线代替。正常工作时不起作用，可以去掉。受热易膨胀防止动、静片分离时产生火花，烧毁触点若自感电压过高，电容将击穿，不能实现断电自感日光灯的工作原理1、日光灯的点燃过程：⑴闭合开关，电压加在启动器两极间，氖气放电发出辉光，产生的热量使U型动触片膨胀伸长，跟静触片接触使电路接通。灯丝和镇流器中有电流通过。⑵电路接通后，启动器中的氖气停止放电，U型片冷却收缩，两个触片分离，电路自动断开。⑶在电路突然断开的瞬间，由于镇流器电流急剧减小，会产生很高的自感电动势，方向与电源电动势方向相同，这个自感电动势与电源电压加在一起，形成一个瞬时高压，加在灯管中的气体开始放电，于是日光灯成为电流的通路开始发光。2、日光灯正常发光：日光灯开始发光后，由于交变电流通过镇流器线圈，线圈中会产生自感电动势，它总是阻碍电流变化的，这时的镇流器起着降压限流的作用，保证日光灯正常发光。日光灯的工作原理