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2.3 涡流、电磁阻尼和电磁驱动
知识图谱
涡流、电磁阻尼和电磁驱动
知识精讲
一．涡流
1．定义：用整块金属材料作铁芯绕制的线圈，当线圈中通有变化的电流时，变化的电流会产生变化的磁场，变化的磁场穿过铁芯，整个铁芯会自成回路，产生感应电流，这种电流看起来像水中的旋涡，把这种电流叫做涡电流，简称涡流。
2．对涡流的理解
（1）本质：电磁感应现象。
（2）条件：穿过金属块的磁通量发生变化，并且金属块本身构成闭合回路。
（3）特点：整个导体回路的电阻一般很小，感应电流很大。故金属块的发热功率很大。
（4）产生涡流的两种情况：块状金属放在变化的磁场中；块状金属进出磁场或在非匀强磁场中运动。
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。
4．防止：电动机、变压器等设备中应防止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：用互相绝缘的硅钢片叠成的铁芯代表整块硅钢铁芯。
5．产生涡流时的能量转化：
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。例如，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。
二．电磁阻尼和电磁驱动
1．电磁阻尼
（1）定义：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。
（2）产生原理的理解：
闭合回路的部分导体在做切割磁感线运动产生感应电流时，导体在磁场中就要受到安培力的作用，根据楞次定律，安培力总是阻碍导体的运动，于是产生电磁阻尼。任何在磁场中运动的导体，只要给感应电流提供回路，就会存在电磁阻尼作用。
（3）应用
使用磁电式电表进行测量时，总希望指针摆到所示值的位置时便迅速地稳定下来，以便读数。由于指针转轴的摩擦力矩很小，若不采取其他措施，线圈及指针将会在所示值附近来回摆动，不易稳定下来。为此，许多电表把线圈绕在闭合的铝框上，当线圈摆动时，在闭合的铝框中将产生感应电流，从而获得电磁阻尼，以使线圈迅速稳定在所示值的位置。电气列车中的电磁制动器也是根据电磁阻尼这一原理制成的。
2．电磁驱动
（1）定义：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，使导体运动起来。
（2）应用：交流感应电动机。
涡流
例题1、[多选题] 某手持式考试金属探测器如图所示，它能检查出考生违规携带的电子通讯储存设备。工作时，探测环中的发射线圈通以正弦式电流，附近的被测金属物中感应出电流，感应电流的磁场反过来影响探测器线圈中的电流，使探测器发出警报。则（ ）
A.被测金属物中产生的是恒定电流
B.被测金属物中产生的是交变电流
C.探测器与被测金属物相对静止时也能发出警报
D.违规携带的手机只有发出通讯信号时才会被探测到
例题2、 如图所示，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、玻璃杯 D.变化的电流、小铁锅
例题3、[多选题] 法国科学家阿拉果完成了著名的“圆盘实验”．实验中将一铜圆盘水平放置，在其中心正上方用柔软细线悬挂一枚可以自由旋转的磁针，如图所示．实验中发现，当圆盘在磁针的磁场中绕过圆盘中心的竖直轴旋转时，磁针也随着一起转动起来，但略有滞后．下列说法正确的是（ ）
A.圆盘上产生了感应电动势
B.圆盘内的涡电流产生的磁场导致磁针转动
C.在圆盘转动的过程中，磁针的磁场穿过整个圆盘的磁通量发生了变化
D.圆盘中的自由电子随圆盘一起运动形成电流，此电流产生的磁场导致磁针转动
随练1、 如图所示，在线圈上端放置一盛有冷水的金属杯，现接通交流电源，过了几分钟，杯内的水沸腾起来。若要缩短上述加热时间，下列措施可行的有（ ）
A.使线圈离金属杯远一点 B.将金属杯换为玻璃杯
C.使交流电源的频率变大 D.将线圈中的铁芯拿走
随练2、 铺设海底金属油气管道时，焊接管道需要先用感应加热的方法对焊口两侧进行预热。将被加热管道置于感应线圈中，当感应线圈中通以电流时管道发热。下列说法中正确的是（ ）
A.管道发热是由于线圈中的电流直接流经管道引起的
B.感应加热是利用线圈电阻产生的焦耳热加热管道的
C.感应线圈中通以恒定电流时也能在管道中产生电流
D.感应线圈中通以正弦交流电在管道中产生的涡流也是交流电
随练3、 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
电磁阻尼和电磁驱动
例题1、 如图所示，两个相同的闭合铝环M、N套在一根光滑的绝缘水平杆上，螺线管的轴线与铝环的圆心在同一直线上，闭合电键S后，向左快速移动滑动变阻器的滑片p，不考虑两环间的相互作用力，则在移动滑片p的过程中（ ）
A.M、N环向左运动，它们之间的距离增大 B.M、N环向左运动，它们之间的距离减小
C.M、N环向右运动，它们之间的距离增大 D.M、N环向右运动，它们之间的距离减小
例题2、 物理课上，教师做了一个奇妙的“电磁阻尼”实验．如图所示，是由铜片和绝缘细杆组成的摆，其摆动平面通过电磁铁的两极之间，当绕在电磁铁上的励磁线圈未通电时，铜片可自由摆动，要经过较长时间才会停下来．当线圈通电时，铜片摆动迅速停止．某同学另找来器材再探究此实验．他连接好电路，经重复试验，均没出现摆动迅速停止的现象．对比老师的演示实验，下列四个选项中，导致实验失败的原因可能是（ ）
A.线圈接在了交流电源上 B.电源的电压过高
C.所选线圈的匝数过多 D.构成摆的材料与老师的不同
例题3、[多选题] 如图所示，内壁光滑、水平放置的玻璃圆环内，有一直径略小于环口径的带正电的小球，正以速率沿逆时针方向匀速转动．若在此空间突然加上竖直向上、磁感应强度随时间成正比例增加的变化磁场，设小球运动过程中的电量不变，那么（ ）
A.小球对玻璃杯的压力一定不断增大
B.小球受到的磁场力不断增大
C.小球先沿逆时针方向做减速运动，过一段时间后，沿顺时针方向做加速运动
D.磁场力对小球先做负功，后做正功
例题4、[多选题] 如图所示，铝质矩形线框abcd可绕轴转动，当蹄形磁铁逆时针（俯视）匀速转动时，下列关于矩形线框的说法中正确的是（ ）
A.线框将逆时针转动 B.线框的转速小于磁铁的转速
C.线框中电流的方向始终不变 D.线框中电流的方向周期性变化
随练1、 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，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 小于磁铁的转速
随练2、[多选题] 如图所示是在实验室制作的发电机及电动机两用演示实验装置，它有一个可绕固定转轴转动的铜盘，铜盘的一部分处在蹄形磁铁两极当中．实验时用导线A连接铜盘的中心，用导线B连接铜盘的边缘．若用外力摇手柄使得铜盘转动起来时，在AB两端会产生感应电动势；若将AB导线连接外电源，则铜盘会转动起来．下列说法正确的（ ）
A.外力摇手柄使得铜盘转动产生感应电动势的原因是铜盘盘面上无数个同心圆环中的磁通量发生了变化
B.若外力逆时针转动铜盘（俯视）时，A端是感应电动势的正极
C.A、B接电源时铜盘会转动起来，是由于铜盘沿径向排列的无数根铜条受到安培力使得铜盘转动
D.若要通电使铜盘顺时针转动（俯视）起来，A导线应连接外电源的正极
拓展
1、 下列器具的工作原理与涡流有关的是（ ）
A.家用洗衣机
B.家用微波炉
C.变压器的铁芯用多块相互绝缘硅钢片叠加在一起
D.风扇转动时扇叶与空气摩擦发热
2、 美国著名物理学家罗兰在实验室中完成了著名的“罗兰实验”。罗兰把大量的负电荷加在一个橡胶圆盘上，然后在圆盘附近悬挂一个小磁针，使圆盘绕中心轴高速旋转，发现小磁针发生了偏转。下列说法正确的是（ ）
A.使小磁针发生转动的原因是圆盘上的电荷运动时产生了磁场
B.使小磁针发生转动的原因是圆盘上产生了涡流
C.仅改变圆盘的转动方向，小磁针的偏转方向不变
D.如果使圆盘带上正电，圆盘的转动方向不变，小磁针的偏转方向不变
3、 如图，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
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
答案解析
涡流、电磁阻尼和电磁驱动
涡流
例题1、[多选题]
【答案】 B C
【解析】 AB、探测器靠近金属物体时，在金属导体中就会产生涡电流，这种涡流是交变电流。故A错误，B正确；
C、根据法拉第电磁感应定律，探测器产生的是变化的磁场，使靠近的金属物体产生涡流，探测器与被测金属物相对静止时也能发出警报。故C正确；
D、探测器靠近金属物体时，在金属导体中就会产生涡电流，可以确定该设备的制成原理是电磁感应现象，和违规携带的手机是否发出通讯信号无关，故D错误。
例题2、
【答案】 D
【解析】 因为容器中水温升高，则是电能转化成为内能所致，因此只有变化的电流才能导致磁通量变化，且只有小铁锅处于变化的磁通量时，才能产生感应电动势，从而产生感应电流，导致电流发热玻璃杯是绝缘体，不能产生感应电流，故只有D正确，ABC错误；
例题3、[多选题]
【答案】 A B
【解析】 A、圆盘在转动中由于切割磁感线从而在圆盘内部产生电动势及涡流，该涡流产生的磁场带动磁针转动；故AB正确；
C、由于圆盘面积不变，距离磁铁的距离不变，故整个圆盘中的磁通量没有变化；故C错误；
D、电流是由于圆盘切割磁感线而产生的；不是因为自由电子移动产生的；故D错误；
故选：A，B．
随练1、
【答案】 C
【解析】 A、由题意可知，本题中是涡流现象的应用；线圈离金属杯远一点时，穿过杯子的磁通量减小，则产生的涡流减小，则加热时间变长；故A错误；
B、将杯子换作瓷杯不会产生涡流；则无法加热水，故B错误；
C、本题中是涡流现象的应用，即采用线圈产生的磁场使金属杯产生感应电流，从而进行加热的，则由法拉第电磁感应定律可知，增加线圈的匝数、提高交流电的频率均可以提高发热功率；则可以缩短加热时间；故C正确；
D、取走铁芯磁场减弱，则加热时间变长；故D错误。
随练2、
【答案】 D
【解析】 高频焊接利用高频交变电流产生高频交变磁场，在焊接的金属工件中就产生感应电流，根据法拉第电磁感应定律分析可知，电流变化的频率越高，磁通量变化频率越高，产生的感应电动势越大，感应电流越大，焊缝处的温度升高的越快。
A、管道发热是由于线圈的作用，导致管道有涡流，故A错误。
B、感应加热是利用线圈变化的磁场，从而产生感应电场，形成涡流，故B错误；
C、感应线圈中通以正弦交流电在管道中产生的涡流也是交流电。故C错误，D正确。
随练3、
【答案】 B
【解析】 A、锅体中的涡流是由变化的磁场产生的，所加的电流是交流，不是直流．故A错误，B正确．
C、金属锅自身产生无数小涡流而直接加热于锅的，陶瓷锅或耐热玻璃锅属于绝缘材料，里面不会产生涡流．故C错误；
D、在锅和电磁炉中间放一纸板，不会影响电磁炉的加热作用．故D错误．
故选：B．
电磁阻尼和电磁驱动
例题1、
【答案】 C
【解析】 当滑动变阻器的滑动触头向左移动时，滑动变阻器接入电路的阻值变大，电路电流变小，螺线管内部、外部的磁场均减小，穿过M、N两金属环的水平向右的磁通量减小，根据楞次定律，可知向右运动可以阻碍穿过线圈的磁通量减小，所以环将向右运动；结合条形磁铁的特点可知，靠近条形磁铁的N处的磁感应强度比较大，所以N环受到的安培力也比较大，加速度比较大，所以两环之间的距离将增大．
例题2、
【答案】 D
【解析】 电磁阻尼是利用电磁感应得出的，要使铜片能快速停下应使线圈中通以电流，则通过线圈产生的磁场时，产生感应电流，由楞次定律可知，感应电流应阻碍线圈的运动，从而使线圈快速停下来；这与是否为交流电源、电压及匝数无关；学生失败只能是因为摆不是金属材料制成，D正确．
例题3、[多选题]
【答案】 C
【解析】 由题可知感应产生的环形电场对小球的作用力与小球速度方向相反，小球先沿逆时针方向做减速运动，减速到零后，沿顺时针方向做加速运动．
例题4、[多选题]
【答案】 A B D
【解析】 A、B、根据楞次定律可知，为阻碍磁通量增加，则导致线圈与磁铁转动方向相同，即逆时针转动，但快慢不一，线圈的转速一定比磁铁转速小，故AB正确；
C、D、从图示位置磁铁开始转动时，线圈abcd中穿向纸面向里的磁通量增大，产生感应电流方向adcba；在磁铁不断转动的过程中，导致线圈abcd中磁通量一会儿正向穿过增大或减小，一会儿反向穿过增大或减小，所以感应电流的方向一定会发生改变，故C错误，D正确．
故选：ABD
随练1、
【答案】 C
【解析】 根据楞次定律可知，为阻碍磁通量变化，则导致线圈与磁铁转动方向相同，但快慢不一，线圈的转速一定比磁铁转速小，故ABD错误，C正确；
故选：C．
随练2、[多选题]
【答案】 B C
【解析】 A、外力摇手柄使得铜盘转动产生感应电动势的原因是铜盘盘面上无数个沿半径方向的铜棒在切割磁感线而产生的，故A错误；
B、若外力逆时针转动铜盘（俯视）时，根据右手定则可得感应电流方向为B到A（电源内部），A端是感应电动势的正极．故B正确．
C、A、B接电源时铜盘会转动起来，是由于铜盘沿径向排列的无数根铜条受到安培力使得铜盘转动，故C正确；
D、若要通电使铜盘顺时针转动（俯视）起来，在通电导线受到安培力作用下运动的，根据左手定则，B导线应连接外电源的正极，D错误．
故选BC
拓展
1、
【答案】 C
【解析】 A、家用洗衣机是离用了电动机原理，与涡流无关，故A错误；
B、家用微波炉是利用微波加热食物，和涡流无关，故B错误；
C、变压器的铁芯用多块相互绝缘硅钢片叠加在一起是为了防止涡流产生，故C正确；
D、风扇转动时扇叶与空气摩擦发热，是通过摩擦将机械能转化为内能，与涡流无关，故D错误；
2、
【答案】 A
【解析】 AB、由题意可知，磁针受到磁场力的作用，原因是由于电荷的定向移动，从而形成电流，而电流周围会产生磁场，不是电磁感应，故A正确，B错误；
C、只改变圆盘的转动方向，那么电流产生磁场方向与之前的相反，则小磁针的偏转方向也与之前的相反，故C错误；
D、如果使圆盘带上正电，圆盘的转动方向不变，那么电流产生磁场方向与之前的相反，则小磁针的偏转方向也与之前的相反，小磁针的偏转方向发生变化；故D错误；
3、
【答案】 A
【解析】
假设蹄形磁铁的上端为N极，下端为S极，铜盘顺时针转动．
根据右手定则可以确定此时铜盘中的感应电流方向是从盘心指向边缘．
通电导体在磁场中要受到力的作用，根据感应电流的方向和磁场的方向，利用左手定则可以确定磁场对铜盘的作用力的方向是沿逆时针方向，与其受力方向与铜盘的转动方向相反，所以铜盘的转动速度将减小．
无论怎样假设，铜盘的受力方向始终与转动方向相反．同时，转动过程中，机械能转化为电能，所以转得慢了．
故选：A．

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