资源简介

10—4 电磁感应的应用
一、教学目标
了解涡电流、电压互感器、电流互感器、感应圈、电能表和磁纪录的原理
二、教学重点难点
难点：涡电流、电压互感器以及电流互感器的原理
三、教学器材
幻灯片
四、教学建议
教法建议：讨论、演示实验、讲解
教学设计方案：
（一）引入新课
电磁感应的应用非常广泛，我们举几个例子介绍它的应用情况。
（二）新课内容
1.涡电流 将整块导体放入变化的磁场中，或者让它与磁场做相对运动，由于穿过导体的磁通量发生了变化，导体内将产生感应电流。这种电流在导体内自成闭合回路，其形状像水中旋涡，称为涡电流，简称涡流（如图1所示）。
图1 整块导体中的涡流 图2 感应炉
对于大块金属，由于其电阻很小，产生的涡流会很大，因此会产生大量的焦耳热。高频感应炉（如图2所示）就是利用涡流的热效应冶炼金属的，它使炉中的金属产生涡流，自己熔化自己。电磁灶则是利用涡流的热效应加热食物，它主要由加热线圈，灶面板，调节开关和安全保护电路等组成，（如图3所示）是电磁灶的原理图。它的工作原理是：先把频率为50 Hz的交流电通过整流和滤波变为直流电，然后通过电子开关迅速的导通和截止，使加热线圈中的电流以极高的频率变化，结果线圈周围产生剧烈变化的磁场，处在磁场中的铁锅上就会有感应电动势产生，锅体中形成涡流，产生焦耳热。与传统的灶具不同，电磁灶的特点是锅热灶不热，其热效率可达80%以上。
图3 电磁灶
涡流还有电磁阻尼效应，通过电磁感应产生的涡流，在磁场中会受到磁力，阻碍导体相对磁场的运动，形成制动力。在这个力的作用下，磁场中运动的导体会很快停止运动。一些仪表在测量时，要求指针迅速停上在读数的位置，常常是应用了电磁阻尼效应。表头内线圈中的铝框在随线圈摆动过程中产生涡流，涡流在磁场中受到制动力，铝框在制动力作用下会迅速停止运动。
在利用涡流有利一面的同时，还要减小它有害的一面。例如，电机和变压器线圈中的铁心，由于处在线圈交变电流产生的交变磁场中，会产生涡流而发热，铁心的温度不断升高，使材料绝缘性能下降。温度过高时甚至会烧毁线圈，破坏电器设备。涡流发热会消耗能量，使电机、变压器的效率降低。所以铁心常采用彼此绝缘的硅钢片叠压而成，以便减小涡流，减少热损耗。
2.电压互感器 电压互感器是测量交流高电压的装置。它实际上是一个降压变压器，由绕在铁心上的两个线圈和低压电压表组成，如图4所示。匝数多的线圈和被测电路并联，匝数少的线圈和测量仪表组成回路。用仪表测出低压端的感应电压U2，再乘以匝数比就得到待测的高压值。
3.电流互感器 电流互感器是测量交流大电流的装置。它也有两个绕在铁心上的铁圈，实际上是一个升压变压器。变压器的低压端和被测电流的导线串联，高压端线圈和电流表组成回路，如图5所示。电流表测出的不是输电线中的大电流I1，而是高压端的感应电流I2。测出I2，再乘以匝数反比，即可求得I1 。
图4 电压互感器 图5 电流互感器
常用的钳形电流表（如图6所示），实际上也是一种电流互感器。它的铁心是钳式的，可以打开和闭合，使用十分方便。
图6 钳形电流表
4.感应圈 感应圈（如图7所示）是在实验室产生高电压的装置。原线圈和副线圈缠在同一个铁心M上，与电源相连的原线圈导线粗、匝数N1少；副线圈导线细，匝数N2很多，在线圈的两个端点间有空气间隙G。当原线圈电路接通后，铁心被磁化，吸引衔铁P，电路在A点被切断，这时铁心磁性消失，由于弹力又便弹簧片S与螺旋W接触，电路重新接通，这样，原线圈中的电流持续通、断，快速变化。原线圈中电流的变化，引起副线圈中磁通量的变化，在副线圈中产生感应电动势。由于电流变化剧烈，且N2 ＞＞ N1，所以副线圈中的电动势可高达几万伏，甚至十几万伏。汽车发动时，就是利用感应圈的高电压产生火花放电，实现点火的。
图7 感应圈
5.电能表 在交流电路中，一般使用感应电能表，感应电能表分为单相和三相两类，基本构造如图8所示，它由电磁线圈、可以转动的铝盘和制动磁铁组成。和负载并联的电压线圈匝数多而导线细，承受全部电源电压。和负载串联的电流线圈匝数少而导线粗，通过全部负载电流。在两块电磁铁之间的铝盘，由于电压线圈和电流线圈分别产生的变化磁场，使通过铝盘的磁通量发生变化，在铝盘中引起涡流。涡流受到磁场力的作用，使铝盘加速转动。由于制动磁铁的电磁阻尼作用，使铝盘做匀速转动。铝盘在一定时间内的转数和该时间内的电能消耗成正比。因此计数器上的读数可反映所消耗的电能。
选用电能表时，应大致估计用电总功率，一般按照用电总功率的二至三倍确定电能表的规格。
图8 电能表 图9 磁录音原理
6.磁记录 根据电磁感应的规律和铁磁材料的特性，把转变成电信号的信息记录下来的过程，称为磁记录。下面把录音和放音为例，介绍磁记录的原理。
首先经话筒把声音转化成按照声音变化的电信号（称为音频电流）。经过放大的电信号，通过磁头（一个具有微小缝隙的电磁铁）上的线圈，铁心被磁化，在缝隙处产生随音频电流变化的磁场（如图10-32所示）。磁带紧贴缝隙移动过程中，磁带上的磁粉被磁化，它的剩磁就记录了随声音变化的磁信号，完成了录音过程。录好的磁感线如图9所示。放音与录音过程相反，让已录了音的磁带在磁头缝隙下通过。带上的剩磁将引起铁心内磁通量的变化，使铁心上的线圈产生变化的感应电流。经过放大，送到扬声器还原为声音。
图9 录好的磁带的磁感线显示

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