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第二章电磁感应
第3节涡流、电磁阻尼和电磁驱动
【素养目标】
了解涡流是怎样产生的,了解涡流现象在日常生活和生产中的应用和危害。
了解什么是电磁阻尼,什么是电磁驱动。了解电磁阻尼、电磁驱动在日常生活和生产中的应用。
【必备知识】
知识点一、电磁感应现象中的感生电场
感生电场：磁场变化时会在空间激发一种电场，我们把这种电场叫感生电场。磁场变化时闭合电路中产生了感应电动势，感生电场对自由电荷的作用“扮演”了非静电力的角色。
感生电场的方向判断
3、感生电动势：感生电场使导体中产生的电动势叫感生电动势。产生感生电动势的导体在电路中的作用是充当电源，其电路就是内电路，它与外电路连接就对会外电路供电。
知识点二、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。
知识点三、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止摆动,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。
【点睛】对涡流现象的进一步理解
(1)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。
(2)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,金属的机械能转化为电能,最终转化为内能。
例如:如图所示,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,铜球也回不到原来的高度,即A点一定高于B点,这是什么原因呢 铜球由A点运动至B点的过程中,在穿进穿出磁场两个阶段铜球中产生涡流,将铜球的一部分机械能转化为电能,最终产生了焦耳热,所以铜球的机械能减小,也就回不到原来的高度了。
(3)涡流的危害、防止及利用
①涡流的危害
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,从而危及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涡流的防止
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,进一步减少了涡流的发热。计算表明:涡流的损耗与硅钢片的厚度的二次方成正比。
③涡流的利用
用来冶炼合金的真空冶炼炉,炉外有线圈,线圈中通过反复变化的电流,炉内的金属中产生涡流。涡流产生的热量使金属熔化并达到很高的温度。利用涡流冶炼金属的优点是整个过程能在真空中进行,这样就能防止空气中的杂质进入金属,可以冶炼高质量的合金。为了增大涡流,达到快速熔化金属的目的,在线圈中通入高频交变电流,根据电磁感应定律,电流变化快,得到的感应电动势就大,涡流就强。
(4)涡流的本质
在理解涡流时,要注意涡流本质上是由于电磁感应而产生的,它的产生仍然符合感应电流产生的条件(有磁通量的改变,具体形式是有磁场的变化或导体切割磁感线),特殊之处在于感应电流不是在线状回路中产生的,而是在块状金属中产生的。
【课堂检测】
1.电磁炉热效率高达90%，炉面无明火，无烟无废气，电磁“火力”强劲，安全可靠．如图所示是描述电磁炉工作原理的示意图，下列说法正确的是（ ）
A. 当恒定电流通过线圈时，会产生恒定磁场，恒定磁场越强，电磁炉加热效果越好
B. 电磁炉通电线圈加交流电后，在锅底产生涡流，进而发热工作
C. 电磁炉的锅不能用陶瓷锅或耐热玻璃锅，主要原因这些材料的导热性能较差
D. 在锅和电磁炉中间放一纸板，则电磁炉不能起到加热作用
【答案】 B
【解析】电磁炉就是采用涡流感应加热原理；故A错误B正确；
电磁炉工作时需要在锅底产生感应电流，陶瓷锅或耐热玻璃锅不属于金属导体，不能产生感应电流，C错误；
由于线圈产生的磁场能穿透纸板到达锅底，在锅底产生感应电流，利用电流的热效应起到加热作用．D错误；
故选B
【分析】电磁炉就是采用涡流感应加热原理；其内部通过电子线路板组成部分产生交变磁场、当用含铁质锅具底部放置炉面时，锅具即切割交变磁力线而在锅具底部金属部分产生涡流，使锅具铁分子高速无规则运动，分子互相碰撞、摩擦而产生热能，用来加热和烹饪食物，从而达到煮食的目的。
2.如图所示是电表中的指针和电磁阻尼器，下列说法中正确的是( )
A. 2是磁铁，在1中产生涡流；该装置使指针能够转动
B. 1是磁铁，在2中产生涡流；该装置使指针能很快地稳定
C. 1是磁铁，在2中产生涡流；该装置使指针能够转动
D. 2是磁铁，在1中产生涡流；该装置使指针能很快地稳定
【答案】 D
【解析】当指针摆动时，1随之转动，2是磁铁，那么在1中产生涡流，2对1的安培力将阻碍1的转动．总之不管1向哪个方向转动，2对1的效果总起到阻尼作用．所以它能使指针很快地稳定下来 。
故选D
【分析】这是涡流的典型应用之一。
【素养作业】
1.电磁炉是利用涡流加热的，它利用交变电流通过线圈产生变化磁场，当磁场内的磁感线通过锅底时，即会产生无数小涡流，使锅体本身高速发热，从而达到烹饪食物的目的。因此，下列的锅类或容器中，适用于电磁炉的是 （ ）
A. 煮中药的瓦罐 B. 搪瓷碗 C. 平底铸铁炒锅 D. 塑料盆
【答案】 C
【解析】当变化磁场的磁感线通过导体时，才能产生涡流，所以只能选C。
2.下列说法中正确的是（ ）
A. 光波不是电磁波 B. 电磁炉是利用涡流加热的
C. 用陶瓷器皿盛放食品可直接在电磁炉上加热 D. DVD光盘是利用磁粉记录信息的
【答案】 B
【解析】属于电磁波的一种；电磁炉在使用中用到了电流的磁效应，利用涡流加热的；根据电磁炉工作原理，锅具必须含有磁性材料，陶瓷器皿不是磁性材料；光盘是用激光在反光铝膜上刻出凸凹的单槽来记录音像信息。故选B。
3.下列现象中为了防止涡流危害的是（ ）
A. 金属探测器
B. 变压器中用互相绝缘的硅钢片叠压成铁芯
C. 用来冶炼合金钢的真空冶炼炉
D. 磁电式仪表的线圈用铝框做骨架
【答案】 B
【解析】A．金属探测器中变化电流遇到金属物体，在金属物体上产生涡流，A不符合题意；
B．变压器中用互相绝缘的硅钢片叠压成铁芯，是为了防止涡流，而不是利用涡流，B符合题意；
C．真空冶炼炉是线圈中的电流做周期性变化，在冶炼炉中产生涡流，从而产生大量的热量。C不符合题意；
D．铝框做骨架，当线圈在磁场中转动时，导致铝框的磁通量变化，从而产生感应电流，出现安培阻力，使其很快停止摆动。而塑料做骨架达不到此作用，D不符合题意。
故答案为：B。
【分析】金属探测器中变化电流遇到金属物体，在金属物体上产生涡流。
4.关于涡流，下列说法中错误是（ ）
A. 真空冶炼炉是利用涡流来熔化金属的装置 B. 家用电磁炉锅体中的涡流是由恒定磁场产生的
C. 阻尼摆摆动时产生的涡流总是阻碍其运动 D. 变压器的铁芯用相互绝缘的硅钢片叠成能减小涡流
【答案】 B
【解析】A.真空冶炼炉是利用涡流产热来熔化金属的，A不符合题意。
B.要想产生涡流，必须是变化的磁场，因为变化的磁场才能产生电场，产生涡流，B错误，符合题意。
C.根据楞次定律可知，阻尼摆摆动时产生的涡流总是阻碍其运动，C不符合题意。
D.涡流会造成能量的损失，所以变压器的铁芯用相互绝缘的硅钢片叠成，为了减小涡流造成的能量损失，D不符合题意。
故答案为：B
【分析】导体有电流流过时，电流在导体内部会形成涡流而发热浪费电能，通过把铁块换成比较薄的硅钢片从而减小涡流，减少电能损失。
5.生活中很多器材都是依据电磁学理论制作而成,下列关于下列器材的原理和用途,叙述正确的是( )
A. 变压器可以改变交流电压与稳恒直流电压
B. 扼流圈对变化的电流没有阻碍作用
C. 磁电式仪表中用来做线圈骨架的铝框能起电磁阻尼的作用
D. 真空冶炼炉的工作原理是通过线圈发热使炉内金属熔化
【答案】 C
【解析】A.变压器可以改变交流电的电压但不能改变直流电的电压，A不符合题意。
B.因变化的电流在线圈中产生自感现象从而阻碍电流的变化，故扼流圈对变化的电流有阻碍作用，B不符合题意。
C.磁电式仪表中用来做线圈骨架的铝框中可以产生感应电流能起电磁阻尼的作用,C符合题意。
D.真空冶炼炉的工作原理是炉中金属产生涡流使炉内金属熔化，不是线圏产生热量，D不符合题意。
故答案为：C
【分析】导体有电流流过时，电流在导体内部会形成涡流而发热浪费电能，通过把铁块换成比较薄的硅钢片从而减小涡流，减少电能损失，同时也可以利用涡流来发热冶炼金属。
6.关于电磁感应现象，下列说法错误的是（ ）
A. 变压器铁芯做成片状是为了减小涡流
B. 灵敏电流表在运输时总要把两接线柱用导体连接起来，是利用了电磁驱动
C. 真空冶炼炉的炉外线圈应通入高频交流电
D. 车站和重要场所的安检门可以探测人身携带的金属物品
【答案】 B
【解析】变压器的铁芯用硅钢片代替整块铁芯，是为了减小涡流损失，A说法正确；将两个接线柱连接起来，从而形成闭合电路，当因晃动，导致线圈切割磁感线，从而产生感应电流，出现安培阻力，进而阻碍其运动，是利用电磁阻尼原理减弱表针的摆动，进而保护表针不被损坏，B说法错误；真空冶炼炉的炉外线圈通过的电流是高频交流电，C说法正确；安检门利用涡流探测人身上携带的金属物品原理是：线圈中交变电流产生交变的磁场，会在金属物品产生交变的感应电流，而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，引起线圈中交变电流发生变化，从而被探测到，D说法正确。
故答案为：B。
【分析】灵敏电流表在运输时总要把两接线柱用导体连接起来，这是利用的电流在磁场中受到力的作用。
7.熔化金属的一种方法是用“高频炉”，它的主要部件是一个铜制线圈，线圈中有一坩埚，埚内放待熔的金属块，当线圈中通以高频交流电时，埚中金属就可以熔化，这是因为( )
A. 线圈中的高频交流电通过线圈电阻，产生焦耳热
B. 线圈中的高频交流电产生高频微波辐射，深入到金属内部，产生焦耳热
C. 线圈中的高频交流电在坩埚中产生感应电流 ，通过坩埚电阻产生焦耳热
D. 线圈中的高频交流电在金属块中产生感应电流，通过金属块电阻产生焦耳热
【答案】 D
【解析】线圈中的高频交流电通过线圈，从而产生变化的电磁场，使得处于电磁场的金属块产生涡流，进而发热，ABC不符合题意，D符合题意；
故答案为：D。
【分析】高频电流通过线圈产生变化磁场，致使金属块产生涡流，涡流通过金属块发热致使金属块熔化。
8.在很多情况下，我们对物理规律的理解和认识是通过观察和比较物理现象来进行的．在下列的观察及根据观察所得出的相应结论中正确的是（　　）
A. 相同的弹簧受到不同的拉力，拉力越大，弹簧的形变量越大，说明弹簧的劲度系数和拉力的大小有关
B. 变压器的铁芯使用了相互绝缘的硅钢片代替整块硅钢铁芯，减少了能量浪费，说明相互绝缘的硅钢片不会产生任何涡流
C. 把弹簧秤A和B的挂钩钩在一起，用两手同时拉A和B，发现两弹簧秤的示数相等，说明作用力与反作用力大小相等方向相反
D. 把一根条形磁铁插入闭合线圈，磁铁插入的速度越大，感应电流越大，说明感应电动势的大小和磁通量变化的大小有关
【答案】 C
【解析】解：
A、相同的弹簧受到不同的拉力，拉力越大，弹簧的形变量越大，不能说明弹簧的劲度系数和拉力的大小有关，实质上弹簧的劲度系数由弹簧本身决定，与拉力无关，故A错误；
B、在整块导体内部发生电磁感应而产生感应电流的现象称为涡流现象，要损耗能量，变压器的铁芯使用了硅钢片，这样在铁芯中就会产生任何涡流，不用整块的硅钢铁芯，其目的是为了减小涡流，故B错误；
C、把弹簧秤A和B的挂钩钩在一起，用两手同时拉A和B，发现两弹簧秤的示数相等，说明作用力与反作用力大小相等方向相反，故C正确；
D、把一根条形磁铁插入闭合线圈，磁铁插入的速度越大，感应电流越大，说明感应电动势的大小和磁通量变化快慢的大小有关，而不能说明磁通量变化的大小有关，故D错误．
故选：C．
【分析】弹簧的劲度系数由弹簧本身决定，与拉力无关；依据涡流产生的条件，即可分析；作用力与反作用力大小相等方向相反；感应电动势的大小和磁通量变化快慢有关．

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