《涡流电磁阻尼和电磁驱动》.docx

《涡流电磁阻尼和电磁驱动》.docx

《《涡流电磁阻尼和电磁驱动》.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《涡流电磁阻尼和电磁驱动》.docx（17页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

《涡流电磁阻尼和电磁驱动》

涡流、电磁阻尼和电磁驱动

　　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及其应用。

3．提高学习兴趣，培养用理论知识解决实际

问题的能力。

[读教材·填要点]

1．涡流

定义

由于电磁感应，在导体中产生的像水中旋涡样的感应电流

特点

若金属的电阻率小，涡流往往很强，产生的热量很多

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

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个硅钢铁芯

[关键一点]　变压器的铁芯用硅钢片叠成，是为了增大涡流回路的电阻，减少电能损失。

2．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，安培力的方向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下来，便于读数。

3．电磁驱动

（1）概念：

磁场相对于导体转动时，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，安培力使导体运动起来，这种作用称为电磁驱动。

（2）应用：

交流感应电动机。

[试身手·夯基础]

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：

家用电磁炉和真空冶炼炉利用涡流的热效应工作，探雷器利用涡流的磁效应工作，而微波炉利用高频电磁波工作。

答案：

ACD

2．甲、乙两个完全相同的铜环可绕固定轴OO′旋转，当给以相同的初始角速度开始转动后，由于阻力，经相同的时间后便停止；若将环置于磁感应强度为B且大小相同的匀强磁场中，甲环的转轴与磁场方向平行，乙环的转轴与磁场方向垂直，如图4－7－1所示，当甲、乙两环同时以相同的角速度开始转动后，则下列判断正确的是（　　）

图4－7－1

A．甲环先停B．乙环先停

C．两环同时停下D．无法判断两环停止的先后

解析：

甲不产生感应电流，乙产生感应电流，机械能不断转化为内能，故乙环先停下来。

答案：

B

3.

图4－7－2是称为阻尼摆的示意图，在轻质杆上固定一金属薄片，轻质杆可绕上端O点在竖直面内转动，一水平有界磁场垂直于金属薄片所在的平面。

使摆从图中实线位置释放，摆很快就会停止摆动；若将摆改成梳齿状，还是从同一位置释放，摆会摆动较长的时间。

试定性分析其原因。

解析：

第一种情况下，阻尼摆进入有界磁场后，在摆中会形成涡流，图4－7－2

而金属薄片在磁场中所受的安培力总是阻碍金属片的摆动，因此会很快停下来；第二种情况下，将金属摆改成梳齿状，阻断了涡流形成的回路，从而减弱了涡流，受到的阻碍会比先前小得多，所以会摆动较长的时间。

答案：

前者摆中形成较强涡流，后者改成梳齿状，减弱了涡流，受到阻碍变小。

4.如图4－7－3所示，闭合铝框和条形磁铁位于同一平面内，现让条形磁铁绕OO′转动，发现铝框也随之转动，这种现象叫做______________，若固定铝框，而让条形磁铁绕OO′轴转动起来，不考虑轴摩擦及空气阻力，结果条形磁铁____________，这种现象叫做____________。

解析：

当条形磁铁转动时，铝框中因磁通量变化，产生感应电流，图4－7－3

铝框将在安培力作用下发生转动，这种现象叫做电磁驱动；当铝框固定不动时，条形磁铁转动也会使铝框中产生感生电流，而感应电流将阻碍这种相对运动，使条形磁铁很快停下来，这种现象叫做电磁阻尼。

答案：

电磁驱动　很快停下来　电磁阻尼

对涡流的进一步理解

1．涡流的实质

（1）涡流仍然是由电磁感应而产生的，它仍然遵循感应电流的产生条件，特殊之处在于涡流产生于块状金属中。

（2）严格地说，在变化的磁场中的一切导体内都有涡流产生，只是涡流的大小有区别，以致一些微弱的涡流被我们忽视了。

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．涡流中的能量转化

涡流现象中，其他形式的能转化成电能，并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。

4．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，如地雷探测器、机场的安检门。

5．涡流的危害及防止

（1）在各种电机、变压器中，涡流是非常有害的。

首先它会使铁芯的温度升高，从而危害到线圈绝缘材料的寿命，严重时会使材料报废；其次涡流发热要消耗额外的能量，使电机、变压器的效率降低。

（2）为了减少涡流，变压器、电机里的铁芯不是由整块的钢铁制成，而是用薄薄的硅钢片叠合而成。

一方面硅钢片的电阻率比一般钢铁的要大，从而减少损耗；另一方面，每层硅钢片之间都是绝缘的，阻断了涡流的通路，进一步地减小了涡流的发热。

计算表明：

涡流的损耗与硅钢片的厚度的平方成正比。

1.如图4－7－4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、小铁锅图4－7－4

D．变化的电流、玻璃杯

[思路点拨]　解答本题时应注意以下两点：

（1）穿过回路的磁通量变化是产生涡流的必要条件。

（2）涡流是在导体内产生的。

[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，故C正确。

[答案]　C

（1）涡流是整块导体中发生的电磁感应现象，分析涡流一般运用楞次定律和法拉第电磁感应定律。

（2）导体内部可以等效为许多闭合电路。

（3）导体内部发热的原理是电流的热效应。

电磁阻尼与电磁驱动的比较

电磁阻尼

电磁驱动

不同点

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，阻碍导体运动

导体受安培力的方向与导体运动方向相同，推动导体运动

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

[名师点睛]　

电磁阻尼、电磁驱动都是电磁感应现象，在这两种现象中可以运用楞次定律分析导体的受力情况，运用力学知识和能量守恒定律分析导体的运动情况和能量转化情况。

2.如图4－7－5所示，蹄形磁铁和矩形线圈均可绕竖直轴OO′转动。

从上向下看，当磁铁逆时针转动时，则（　　）

A．线圈将逆时针转动，转速与磁铁相同

B．线圈将逆时针转动，转速比磁铁小

C．线圈转动时将产生交流电

D．线圈转动时感应电流的方向始终是abcda图4－7－5

[思路点拨]　解答本题时应把握以下两点：

（1）线圈转动方向及感应电流方向的判定需用楞次定律；

（2）线圈的转速与磁铁的转速的关系。

[解析]　当磁铁逆时针转动时，相当于磁铁不动而线圈顺时针旋转切割磁感线，线圈中产生交流电，故C对，D错；由楞次定律的推广含义可知，线圈将与磁极同向转动，但转动的角速度一定小于磁铁转动的角速度。

如果两者的角速度相同，磁感线与线圈会处于相对静止，线圈不切割磁感线，无感应电流产生。

[答案]　BC

（1）电磁阻尼是感应电流受到的安培力对导体做负功，阻碍导体运动，而电磁驱动是感应电流受到的安培力对导体做正功，推动导体运动。

（2）在电磁驱动中，主动部分与被动部分的运动（或转动）方向一致，被动部分的速度（或角速度）较小。

1．（对应要点一）下列关于涡流的说法中正确的是（　　）

A．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

B．涡流不是感应电流，而是一种有别于感应电流的特殊电流

C．涡流有热效应，但没有磁效应

D．在硅钢中不能产生涡流

解析：

涡流本质上是感应电流，是自身构成回路，在穿过导体的磁通量变化时产生的，所以A对B错。

涡流不仅有热效应，同其他电流一样也有磁效应，C错。

硅钢电阻率大，产生的涡流较小，但仍能产生涡流，D错。

答案：

A

2.（对应要点一）如图4－7－6所示，光滑金属球从高h的曲面滚下，又沿曲面的另一侧上升，设金属球初速度为零，曲面光滑，则（　　）

A．若是匀强磁场，金属球滚上的高度小于h

B．若是匀强磁场，金属球滚上的高度等于h

C．若是非匀强磁场，金属球滚上的高度等于h图4－7－6

D．若是非匀强磁场，金属球滚上的高度小于h

解析：

若磁场为匀强磁场，穿过金属球的磁通量不变，不产生感应电流，即无机械能向电能转化，机械能守恒，故A错，B正确；若磁场为非匀强磁场，金属球内要产生电能，机械能减少，故D正确。

答案：

BD

3.（对应要点二）如图4－7－7所示，是电表中的指针和电磁阻器，下列说法中正确的是（　　）

A．2是磁铁，在1中产生涡流

B．1是磁铁，在2中产生涡流

C．该装置的作用是使指针能够转动图4－7－7

D．该装置的作用是使指针能很快地稳定

解析：

当1在磁场2中摆动时，1中产生涡流，阻碍它来回摆动，使其很快地稳定下来。

答案：

AD

4.（对应要点二）如图4－7－8所示，矩形线圈放置在水平薄木板上，有两块相同的蹄形磁铁，四个磁极之间的距离相等，当两块磁铁匀速向右通过线圈时，线圈仍静止不动，那么线圈受到木板的摩擦力

方向是（　　）图4－7－8

A．先向左、后向右　　　B．先向左、后向右、再向左

C．一直向右D．一直向左

解析：

根据楞次定律的“阻碍变化”和“来拒去留”，当两磁铁靠近线圈时，线圈要阻碍其靠近，线圈有向右移动的趋势，受木板的摩擦力向左，当磁铁远离时，线圈要阻碍其远离，仍有向右移动的趋势，受木板的摩擦力方向仍是向左的，故选项D正确。

答案：

D

1．涡流是导体内部由于电磁感应而产生的感应电流，它仍然遵循法拉第电磁感应定律和楞次定律。

2．当导体在磁场中运动时，产生的感应电流使导体受到安培力作用，而且安培力的方向与导体运动方向相反，从而阻碍导体的运动，此过程导体因克服安培力做功产生电能。

3．由于磁场运动引起磁通量变化而产生感应电流，从而使导体受到安培力的作用，导体在安培力作用下沿磁场运动的方向运动，这就是电磁驱动，此过程中通过安培力做功使电能转化为导体的机械能。

1.某磁场磁感线如图1所示，有铜盘自图示A位置落至B位置，在下落过程中，自上向下看，铜盘中的涡流方向是（　　）

A．始终顺时针

B．始终逆时针图1

C．先顺时针再逆时针

D．先逆时针再顺时针

解析：

把铜盘从A至B的全过程分成两个阶段处理：

第一阶段是铜盘从A位置下落到具有最大磁通量的位置O，此过程中穿过铜盘磁通量的磁场方向向上且不断增大，由楞次定律判断感应电流方向（自上向下看）是顺时针的；第二阶段是铜盘从具有最大磁通量位置O落到B位置，此过程中穿过铜盘磁通量的磁场方向向上且不断减小，由楞次定律判断感应电流方向（自上向下看）是逆时针的，故C选项正确。

答案：

C

2．如图2所示为高频电磁炉的工作示意图，它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（　　）

图2

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：

电磁炉的工作原理是利用变化的电流通过线圈产生变化的磁场，变化的磁场通过含铁质锅的底部产生无数小涡流，使锅体温度升高后加热食物，故选项A、D错误、B正确；而选项C是微波炉的加热原理，C错误。

答案：

B

3.如图3所示，使一个铜盘绕其竖直的轴OO′转动，且假设摩擦等阻力不计，转动是匀速的。

现把一个蹄形磁铁移近铜盘，则（　　）

A．铜盘转动将变慢

B．铜盘转动将变快图3

C．铜盘仍以原来的转速转动

D．铜盘转动速度是否变化，要根据磁铁的上、下两端的极性来决定

解析：

当一个蹄形磁铁移近铜盘时，铜盘转动切割磁感线，产生感应电流，由楞次定律可知感应电流所受的安培力阻碍其相对运动，所以铜盘转动将变慢。

本题也可以从能量守恒的角度去分析，因为铜盘转动切割磁感线，产生感应电流，铜盘的机械能不断转化成电能，铜盘转动会逐渐变慢，故正确选项为A。

答案：

A

4.如图4所示，有一铝质圆形金属球以一定的初速度通过有界匀强磁场，则从球开始进入磁场到完全穿出磁场过程中（磁场宽度大于金属球的直径），小球（　　）

A．整个过程匀速

B．进入磁场过程中球做减速运动，穿出过程做加速运动图4

C．整个过程都做匀减速运动

D．穿出时的速度一定小于初速度

解析：

小球在进入和穿出磁场时，有涡流产生，受阻力作用，做减速运动；完全处于磁场中时做匀速运动。

答案：

D

5.在水平放置的光滑导轨上，沿导轨固定一个条形磁铁，如图5所示。

现有铜、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。

各物块在没碰上磁铁前的运动情况将是（　　）图5

A．都做匀速运动B．甲、乙做加速运动

C．甲、乙做减速运动D．乙、丙做匀速运动

解析：

同属金属的铜块、铝块向磁铁靠近时，穿过它们的磁通量发生改变，因此在其内部会产生感应电流I，这个电流在金属块内部自成回路。

而感应电流的效果对产生它的原因总起阻碍作用，所以铜块、铝块向磁铁的运动会受阻而减速。

有机玻璃为非金属，不产生涡流现象，会做匀速运动。

故C正确。

答案：

C

6．高频感应炉是用来熔化金属对其进行冶炼的，如图6所示为冶炼金属的高频感应炉的示意图，炉内放入被冶炼的金属，线圈内通入高频交变电流，这时被冶炼的金属就能被熔化，这种冶炼方法速度快，温度易控制，并能避免有害杂质混入被炼金属中，因此适于冶炼特种金属。

该炉的加热原理是（　　）图6

A．利用线圈中电流产生的焦耳热

B．利用线圈中电流产生的磁场

C．利用交变电流的交变磁场在炉内金属中产生的涡流

D．给线圈通电的同时，给炉内金属也通了电

解析：

高频感应炉的原理是：

给线圈通以高频交变电流后，线圈产生高频变化的磁场，磁场穿过金属，在金属内产生强涡流，由于电流的热效应，使金属熔化。

故只有C正确。

答案：

C

7.光滑曲面与竖直平面的交线是抛物线，如图7所示，抛物线的方程为y＝x2，其下半部处在一个水平方向的匀强磁场中，磁场的上边界是y＝a的直线（如图中的虚线所示。

）一个小金属块从抛物线上y＝b（b>a）处以速度v沿抛物线下滑，假设曲面足够长，则金属块在曲面上滑动的过程中产生的焦耳热总量是（　　）图7

A．mgbB.

mv2

C．mg（b－a）D．mg（b－a）＋

mv2

解析：

金属块进出磁场时，会产生涡流，部分机械能转化成焦耳热，所能达到的最高位置越来越低，当最高位置y＝a时，由于金属块中的磁通量不再发生变化，金属块中不再产生涡流，机械能也不再损失，金属块会在磁场中往复运动，此时的机械能为mga，整个过程中减少的机械能为mg（b－a）＋

mv2，全部转化为内能，所以D项正确。

答案：

D

8.如图8所示，条形磁铁从高h处自由下落，中途穿过一个固定的空心线圈，开关S断开时，至落地用时t1，落地时速度为v1；S闭合时，至落地用时t2，落地时速度为v2，则它们的大小关系正确的是

（　　）

A．t1＞t2，v1＞v2

B．t1＝t2，v1＝v2

C．t1＜t2，v1＜v2

D．t1＜t2，v1＞v2图8

解析：

开关S断开时，线圈中无感应电流，对磁铁无阻碍作用，故磁铁自由下落，a＝g；当S闭合时，线圈中有感应电流，对磁铁有阻碍作用，故a＜g。

所以t1＜t2，v1＞v2。

答案：

D

9.电阻为R的矩形线圈abcd，边长ab＝L，ad＝h，质量为m，自某一高度自由下落，通过一匀强磁场。

磁场的方向垂直纸面向里，磁场区域的宽度为h，如图9所示。

如果线圈恰好以恒定速度通过磁场，问导线中产生的焦耳热等于多少？

解析：

方法一：

直接用定义。

设恒定速度为v，则产生焦耳热的时间t＝

，I＝

，mg＝BIL，图9

所以Q＝I2Rt＝BIL·2h＝2mgh。

方法二：

用“功”衡量“能”。

导线中产生的焦耳热等于线圈克服安培力所做的功，即Q＝|W安|＝BIL·2h＝2mgh。

方法三：

用“能”衡量“能”。

导线中产生的焦耳热等于线圈减少的重力势能，即Q＝ΔEp减＝2mgh。

答案：

2mgh

10.如图10所示，光滑弧形轨道和一足够长的光滑水平轨道相连，水平轨道上方有一足够长的金属杆，杆上挂有一光滑螺旋管A。

在弧形轨道上高为h的地方，无初速度释放一磁铁B（可视为质点），B下滑至水平轨道时恰好沿螺旋管A的中心轴运动，设A、B的质量分别为M、m，图10

若最终A、B速度分别为vA、vB。

（1）螺旋管A将向哪个方向运动？

（2）全过程中整个电路所消耗的电能。

解析：

（1）磁铁B向右运动时，根据楞次定律知螺旋管中产生感应电流，感应电流产生电磁驱动作用，使得螺旋管A向右运动。

（2）全过程中，磁铁减少的重力势能转化为A、B的动能和螺旋管中的电能，所以

mgh＝

Mv

＋

mv

＋E电。

即E电＝mgh－

Mv

－

mv

。

答案：

（1）向右　

（2）mgh－

Mv

－

mv