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第二章 电磁感应
2.3 涡流 电磁阻尼和电磁驱动
【学习目标】1.知道感生电场和感生电动势的概念及产生原因。2.通过实验了解涡流的产生过程，通过实例的分析，了解涡流现象在生活和生产中的应用。3.了解电磁阻尼、电磁驱动，知道其在生活和生产中的应用。
在电磁炉的炉盘下有一个线圈。电磁炉工作时，它的盘面并不发热，在炉盘上面放置铁锅，铁锅会发热。你知道这是为什么吗
一、电磁感应现象中的感生电场
沿图示方向的磁场增加时：
（1）在线圈内产生感应电流的方向如何？
（2)电流是自由电荷定向移动产生的，自由电荷定向移动的原因是什么？
1.感生电场：磁场变化时，在空间激发一种电场，
我们把它叫做感生电场。
2.感生电动势：这种由变化磁场产生的电动势叫感生电动势。
其方向可由楞次定律判断。
B
I
E
【例1】（目标指向1）(多选)某空间出现了如图的一组闭合的电场线，这可能是( 　)A．沿AB方向的磁场在迅速减弱
B．沿AB方向的磁场在迅速增强C．沿BA方向的磁场在迅速增强
D．沿BA方向的磁场在迅速减弱
解析：感生电场的方向为顺时针，感应电流的磁场方向向下，根据楞次定律，原磁场要么向下减弱，要么向上增强。所以选AC.
AC
3、感生电场应用实例---电子感应加速器
（1）电子感应加速器:应用感生电场来加速电子的一种设备。
（2）结构：柱形电磁铁—产生变化的磁场；
环形真空管道—电子运行的轨道；
（3）工作过程：磁场发生变化时，就会沿管道方向产生感生电场。射入其中的电子就受到感生电场力而不断加速。
一、电磁感应现象中的感生电场
从图2.3-1甲中可以看到，磁场方向由下向上，如果从上向下看(2.3-1乙)，电子沿逆时针方向运动。电子带负电，它在电场中受力的方向与电场方向相反，为使电子加速。请思考以下问题：
（1）感生电场方向是顺时针还是逆时针？
（2）原磁场应该由强变弱还是由弱变强？
（3）电磁铁线圈中的电流应该由小变大还是由大变小？
顺时针
由弱变强
由小变大
二、涡流
1. 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，叫涡电流。如图中的虚线所示。
2. 特点：
若金属电阻率很小，则涡流往往很强，产生的热量很多。
∽
3. 应用
（1）涡流热效应：真空冶炼炉，电磁炉、高频焊接。
①真空冶炼炉原理：用来冶炼合金钢的真空冶炼炉（如图），炉外有线圈，线圈中通入迅速变化的电流，炉内的金属中产生涡流。涡流产生的热量使金属熔化。利用涡流冶炼金属的优点是，整个过程可以在真空中进行，能防止空气中的杂质进入金属，可以冶炼高质量的合金。
真空冶炼炉
②电磁炉原理：迅速变化的电流通过电磁炉面板下方的线圈时，线圈周围产生迅速变化的磁场，变化的磁场使面板上方的铁锅底部产生涡流，铁锅迅速发热，从而达到加热食物的目的（如图所示）。
二、涡流
3. 应用
二、涡流
（2）涡流磁效应：金属探测器，探雷器，安检门。
金属探测器：金属探测器的探测线圈中通有交流电，当靠近隐藏的金属物品时，会在隐蔽金属中产生涡流，涡流的磁场又影响探测线圈，从而改变原交流电的大小和相位，从而起到探测作用。
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：用互相绝缘的硅钢片叠成的铁芯代替整块硅钢铁芯。如图所示。
用硅钢片做变压器的铁芯
二、涡流
交变电流
交变电流
整块铁心
彼此绝缘的薄片
例2.（目标指向2）如图,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：变化的电流才能产生变化的磁场，变化的磁场才能产生感生电场，在金属内才能产生涡流，使水温升高。所以选C.
C
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相对运动的现象。
2. 应用
1.如图 2.3-7 所示，一个单匝线圈落入磁场中，分析它在图示位置时感应电流的方向和所受安培力的方向。安培力对线圈的运动有什么影响？
应用:阻尼摆、磁电式仪表、电气机车的电磁制动等
磁电式仪表中利用电磁阻尼使指针迅速停止到某位置，便于读数。
磁电式仪表的线圈常常用铝框做骨架，把线圈绕在铝框上，指针也固定在铝框上。 假定仪表工作时指针向右转动，铝框中的感应电流沿什么方向？由于铝框转动时其中有感应电流，铝框要受到安培力。安培力是沿什么方向的？安培力对铝框的转动产生什么影响？
三、电磁阻尼
为什么灵敏电流表在运输时总要用导体把两个接线柱连在一起
灵敏电流计的指针太过灵活，很容易在运输时由于摆动而折断。用导线把正负两个接线柱连在一起，构成一个闭合回路。这样如果它的指针摆动，就会在线圈中产生感应电流，接着出现电磁阻尼的现象，使指针很快的停止运动就不容易折断。
四、电磁驱动
观察铝框的运动
如图所示，一个铝框放在蹄形磁体的两个磁极间，可以绕支点自由转动。转动磁体，观察铝框的运动。怎样解释铝框的运动？
铝框的运动
B
N
S
N
S
B
I
F
F
产生旋转磁场的装置
2. 应用
交流感应电动机就是利用电磁驱动的原理工作的。配置的三个线圈连接到三相电源上，就能产生类似上面演示实验中的旋转磁场，磁场中的导线框也就随着转动。就这样，电动机把电能转化成机械能。
电动机
四、电磁驱动
如果磁场相对于导体转动，在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，这种作用常常称为电磁驱动。
1. 电磁驱动：
电磁阻尼与电磁驱动
电磁阻尼 电磁驱动
不 同 点 成因
安培力的效果
能量 转化
相同点 导体相对磁场运动
磁场相对于导体运动
安培力的方向与导体运动方向相反，为阻力。
安培力的方向与导体运动方向相同，为动力。
导体克服安培力做功，其他形式的能转化为电能，最终转化为内能
通过安培力做功，其他形式的能转化为导体的机械能
两者都是电磁感应现象，导体受到的安培力都是阻碍导体与磁场的相对运动
例题3（目标指向3）(多选)位于光滑水平面上的小车上放置一螺线管，一个比螺线管长的条形磁铁沿着螺线管的轴线水平穿过，如图所示，在此过程中(　　)A．磁铁做匀速直线运动 B．磁铁做减速运动C．小车向右做加速运动 D．小车先加速后减速
解析：根据电磁阻尼，它们之间的力使小车加速，磁铁减速。所以选BC.
BC
1.1824年，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．圆盘上没有产生感应电动势
B．圆盘内的涡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
B
当堂检测
解析：圆盘转动时,可看成沿半径方向的金属条切割磁感线,从而在圆心和边缘之间产生了感应电动势,故A错误;圆盘在径向的金属条切割磁感线过程中,内部距离圆心远近不同的点电势不等,从而形成涡流,涡流产生的磁场又导致磁针转动,故B正确;由于圆盘面积不变,距离磁针的距离不变,故在磁针的磁场中,穿过整个圆盘的磁通量没有变化,故C错误;圆盘整体电荷均匀分布,呈电中性,仅圆盘转动不会形成电流,故D错误.
2.如图所示，一个水平放置的玻璃圆环形小槽，槽内光滑，槽宽度和深度处处相同。现将一直径略小于槽宽的带正电小球放在槽中，让它获得一初速度v0，与此同时，有一变化的磁场垂直穿过玻璃圆环形小槽外径所对应的圆面积，磁感应强度的大小跟时间成正比例增大，方向竖直向下。设小球在运动过程中电荷量保持不变，则（　　）
A.小球的向心力大小不变
B.小球的向心力大小不断增大
C.磁场力对小球做了功
D.小球受到的磁场力大小与时间成正比
B
【解析】A错，B对：当磁感应强度随时间均匀增大时，将产生一恒定的感生电场，由楞次定律知，电场方向和小球的初速度方向相同。因小球带正电，静电力对小球做正功，小球的速度逐渐增大，向心力也随之增大。
C错：洛伦兹力对带电小球不做功。
D错：带电小球所受的洛伦兹力F=qvB随着v、B的增大而增大，同时B∝t，则F和t不成正比。
当堂检测
3.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.在硅钢片中不能产生涡流
A
【解析】　涡流是一种特殊的电磁感应现象，它是感应电流，既有热效应，又有磁效应。硅钢片中能产生涡流，但电流较小。
当堂检测
4. 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，主要原因是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
解析：A错，B对：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产生交变磁场、当用含铁质锅具底部放置炉面时，在锅具底部金属部分产生涡流，用电流热效应来加热和烹饪食物，从而达到煮食的目的。
C错：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导体，不能产生感应电流。
D错：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。
B
当堂检测
本课小结
铝管实验

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