《涡流、电磁阻尼和电磁驱动》

1新情境·激趣引航金属探测器乘坐飞机的乘客登机前都要接受安全检查．图中是一种手持式金属探测器和地下金属探测器，一靠近金属体，它就会发出报警声．这是为什么呢？原来，在报警器内有一线圈，线圈中通有高频电流，因此线圈周围有着高频的变化磁场．当报警器靠近金属体时，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新知识·预习探索学习目标1.了解涡流产生的原理，涡流的防止和应用．2.了解电磁阻尼和电磁驱动．3.提高学习兴趣，培养用理论知识解决实际问题的能力．新知预习一、涡流1．概念：由于电磁感应，在导体中产生的像水中旋涡样的感应电流．2．特点：整块金属的电阻很小，涡流往往很强，产生的热量很多．3．应用：(1)涡流热效应的应用：如真空冶炼炉．(2)涡流磁效应的应用，如探雷器、安检门．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．(1)途径一：增大铁芯材料的电阻率．(2)途径二：用相互绝缘的硅钢片叠成的铁芯代替整块硅钢铁芯．二、电磁阻尼1．概念：当导体在磁场中运动时，感应电流会使导体受到安培力，安培力总是阻碍导体运动的现象．2．应用：磁电式仪表中利用电磁阻尼使指针迅速停止摆动，便于读数．三、电磁驱动1．概念：磁场相对于导体转动时，导体中产生感应电流，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的现象．2．应用：交流感应电动机．问题探索◆想一想用导线把微安表的两个接线柱连在一起后，晃动微安表时，表针摆动的幅度为什么比没连接接线柱时的小？提示用导线把微安表的两个接线柱连接起来后，就形成了闭合回路，产生感应电流从而阻碍表针的相对运动，即发生电磁阻尼现象.3新课堂·互动探究知识点一对涡流的理解重点聚焦1．涡流的产生涡流实际上是一特殊的电磁感应现象，当导体在变化的磁场中，或者导体在非匀强磁场中运动时，导体内部可以等效成许许多多的闭合电路，当穿过这些闭合电路的磁通量变化时，在导体内部的这些闭合电路中将产生感应电流．即导体内部产生了涡流．2．涡流的特点当电流在金属块内自成闭合回路(产生涡流)时，由于整块金属的电阻很小，涡流往往很强，根据公式P＝I2R知，热功率的大小与电流的平方成正比，故金属块的发热功率很大．3．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．如果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；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．特别提醒(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)磁场变化越快ΔBΔt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．典例精析如右图所示，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【解析】通入恒定直流时，所产生的磁场不变，不会产生感应电流，通入变化的电流，所产生的磁场发生变化，在空间产生感生电场，铁锅是导体，感生电场在导体内产生涡流，电能转化为内能，使水温升高；涡流是由变化的磁场在导体内产生的，所以玻璃杯中的水不会升温．【答案】C【方法归纳】(1)导体内产生涡流是由于闭合回路中磁通量发生变化；(2)涡流的危害是发热，浪费了能量，减小涡流的方法是增大回路的电阻．跟踪练习1．机场的安检门可以利用涡流探测人身上携带的金属物品，安检门中接有线圈，线圈中通以交变电流，关于其工作原理，以下说法正确的是()A．人身上携带的金属物品会被地磁场磁化，在线圈中产生感应电流B．人体在线圈交变电流产生的磁场中运动，产生感应电动势并在金属物品中产生感应电流C．线圈产生的交变磁场会在金属物品中产生交变的感应电流D．金属物品中感应电流产生的交变磁场会在线圈中产生感应电流【解析】一般金属物品不一定能被磁化，且地磁场很弱，即使金属被磁化磁性也很弱，作为导体的人体电阻很大，且一般不会与金属物品构成回路，故A、B错误．安检门利用涡流探测金属物品的工作原理是线圈中交变电流产生交变磁场，使金属物品中产生涡流，故C正确．该涡流产生的磁场又会在线圈中产生感应电流，而线圈中交变电流的变化可以被检测到，故D项正确．【答案】CD知识点二电磁阻尼与电磁驱动的比较重点聚焦电磁阻尼电磁驱动成因由于导体在磁场中运动而产生感应电流，从而使导体受到安培力由于磁场运动引起磁通量的变化而产生感应电流，从而使导体受到安培力效果安培力的方向与导体运动方向相反，阻碍物体运动导体受安培力的方向与导体运动方向相同，推动导体运动不同点能量转化导体克服安培力做功，其他形式能转化为电能，最终转化为内能由于电磁感应，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，而对外做功相同点两者都是电磁感应现象，都遵循楞次定律，都是安培力阻碍引起感应电流的导体与磁场间的相对运动特别提醒电磁阻尼、电磁驱动现象中安培力的效果阻碍相对运动，应注意电磁驱动中阻碍的效果，导体的运动速度仍要小于磁场的运动速度．典例精析如图所示，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【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其受到的力矩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．【答案】C【方法归纳】无论是导体运动，还是磁场运动，电磁感应现象中感应电流所受安培力总是阻碍导体和磁场间的相对运动．跟踪练习2.如右图所示，在O点正下方有一个具有理想边界的磁场，铜球在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．铜球将做等幅摆动【解析】铜球进入磁场和出磁场的过程中，都有涡流产生，阻碍铜球的摆动，从而机械能转化为内能，A点高于B点，最终铜球在磁场中做等幅摆动．故选B.【答案】B4新思维·随堂自测1.下列应用与涡流有关的是()A．家用电磁炉B．家用微波炉C．真空冶炼炉D．探雷器【解析】家用电磁炉、真空冶炼炉、探雷器都是利用涡流工作，而家用微波炉是利用微波直接作用于食物．【答案】ACD2．下列做法中可能产生涡流的是()A．把金属块放在匀强磁场中B．让金属块在匀强磁场中做匀速运动C．让金属块在匀强磁场中做变速运动D．把金属块放在变化的磁场中【解析】涡流就是整个金属块中产生的感应电流，所以产生涡流的条件就是在金属块中产生感应电流的条件，即穿过金属块的磁通量发生变化．而A、B、C中磁通量不变化，所以A、B、C错误，把金属块放在变化的磁场中时，穿过金属块的磁通量发生了变化，有涡流产生，所以D正确．【答案】D3.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，如图所示，观察磁铁的振幅将会发现()A．开关S闭合时振幅逐渐减小，开关S断开时振幅不变B．开关S闭合时振幅逐渐增大，开关S断开时振幅不变C．开关S闭合或断开，振幅变化相同D．开关S闭合或断开，振幅都不发生变化【解析】S断开时，磁铁振动时穿过线圈的磁通量发生变化，但线圈中无感应电流，故振幅不变；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，故A正确．【答案】A4．磁电式仪表的线圈通常用铝框当骨架，把线圈绕在铝框上，这样做的目的是()A．防止涡流而设计的B．利用涡流而设计的C．起电磁阻尼的作用D．起电磁驱动的作用【解析】线圈通电后，在安培力作用下发生转动，铝框随之转动，并切割磁感线产生感应电流，就是涡流．涡流阻碍线圈的转动，使线圈偏转后较快停下来．所以，这样做的目的是利用涡流来起电磁阻尼的作用．【答案】BC5．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，以减少发热量【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．【答案】BD5新视点·名师讲座涡流在生活中的应用1．电磁灶如图所示为电磁灶工作原理示意图，电磁灶的台面下布满了金属导线缠绕的线圈，当通上交替变化极快的交流电时，在台板与铁锅底之间产生强大的交变的磁场，磁感线穿过锅体，使锅底产生强涡流，当涡流受材料电阻的阻碍时，就放出大量的热量，将饭煮熟．2．探雷器探测地雷的探雷器是利用涡流工作的．士兵手持一个长柄线圈在地面扫过，线圈中有变化着的电流．如果地下埋着金属物品，金属中会感应出涡流，涡流的磁场又会反过来影响线圈中的电流，使仪器报警．这种探雷器可以用来探测外壳为金属的地雷或有较大金属零件的地雷．机场的安检门可以探测人身携带的金属物品，道理是一样的．机场、车站和重要活动场所的安检门都安装有金属探测器，其探测金属物的原理可简化为：探测器中有一个通有交变电流的线圈，当线圈周围有金属物时，金属物中会产生涡流，涡流的磁场反过来影响线圈中的电流，使探测器报警．设线圈中交变电流的大小为I、频率为f，要提高探测器的灵敏度，可采取的措施有()A．增大IB．减小fC．增大fD．同时减小I和f【解析】增大线圈中交变电流的大小I和频率f，可使金属物中产生的涡流增大，提高探测器的灵敏度，选项A、C正确．【答案】AC