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第二章 电磁感应
人教物理选择性必修第二册
第二章 电磁感应
2.3
涡流、电磁阻尼和电磁驱动
这两种灶给锅加热的原理是什么？
一 电磁感应现象中的感生电场
麦克斯韦认为，磁场变化时会在空间激发一种电场。这种电场与静电场不同，它不是由电荷产生的，我们把它叫作感生电场。如果此刻空间存在闭合导体，导体中的自由电荷就会在感生电场的作用下做定向运动，产生感应电流，也就是说导体中产生了感应电动势。
麦克斯韦理论
现代科学研究中常要用到高速电子，电子感应加速器就是利用感生电场使电子加速的设备。
电子感应加速器
它的基本原理如图2.3-1甲所示，上、下为电磁铁的两个磁极，磁极之间有个环形真空室，电子在真空室中做圆周运动。电磁铁线圈中电流的大小、方向可以变化，产生的感生电场使电子加速。
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。所以为使申子加速，产生的电场应沿顺时针方向。根据楞次定律，为使真空室中产生顺时针方向的感生电场，磁场应该由弱变强。也就是说，为使电子加速，电磁铁线圈中的电流应该由小变大。
二 涡流
S
N
当某线圈中的电流随时间变化时，由于电磁感应，附近的另一个线圈中可能会产生感应电流。实际上，这个线圈附近的任何导体，如果穿过它的磁通量发生变化，导体内都会产生感应电流，如图2.3-2中的虚线所示。如果用图表示这样的感应电流，看起来就像水中的漩涡，所以把它叫作涡电流，简称涡流。
涡流的特点
若金属电阻率很小，则涡流往往很强，产生的热量很多。
涡流的应用
本节问题中，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(图2.3-4)。
电动机、变压器的线圈都绕在铁芯上。线圈中流过变化的电流，在铁芯中产生的涡流使铁芯发热，浪费了能量还可能损坏电器。因此，我们要想办法减小涡流。途径之一是增大铁芯材料的电阻率，常用的铁芯材料是硅钢，它的电阻率比较大。另一个途径就是用互相绝缘的硅钢片看成的铁芯来代替整块硅钢铁芯 (图2.3-5)。
一种探测地雷的探雷器是利用涡流工作的。士兵手持一个长柄线圈在地面扫过 (图2.3-6)，线圈中有变化着的电流。如果地下埋着金属物品，金属中会感应出涡流，涡流的磁场反过来影响线圈中的电流，使仪器报警。这种探雷器可以用来探测金属壳的地雷或有较大金属零件的地雷。
机场、车站和重要活动场所的安检门可以探测人身携带的金属物品，道理是一样的。
安检门
三 电磁阻尼
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
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(图2.3-8)。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
解：线圈中感应电流沿逆时针方向；线圈所受安培力的合力竖直向上，阻碍线圈的下落.
由楞次定律可以判断，当指针向右转动时，铝框中的感应电流从上向下看为逆时针方向，再根据左手定则可以判断左右两边所受的安培力方向如图所示 (F1，F2) 安培力对线框的转动起阻碍作用，铝质框架惯性小，利用涡流可使线圈偏转后尽快停下来.
当导体在磁场中运动时，感应电流会使导体受到安培力，安培力总是阻碍导体的运动，这种现象称为电磁阻尼。
取一只微安表，用手晃动表壳，观察表针相对表盘摆动的情况。用导线把微安表的两个接线柱连在一起 (图2.3-9)，再次晃动表壳，表针相对表盘的摆动情况与刚才有什么不同 怎样解释这种差别 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
四 电磁驱动
观察铝框的运动
如图2.3-10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
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。
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 (图2.3-11) 就这样，电动机 (图2.3-12) 把电能转化成机械能。
电磁阻尼与电磁驱动的区别和联系
比较项目 电磁阻尼 电磁驱动
不同点 成因 由于导体相对于磁场运动而产生感应电流，从而使导体受到安培力 由于磁场相对于导体运动而产生感应电流，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
不同点 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 磁场能转化为电能，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
1.有一个铜盘，轻轻拨动它，能长时间地绕轴自由转动。如果在转动时把蹄形磁体的两极放在铜盘的边缘，但并不与铜盘接触 (图2.3-13)，铜盘就能在较短的时间内停止。分析这个现象产生的原因。
解：当铜盘在磁极间转动时，由于发生电磁感应现象，在铜盘中产生感应电流，使铜盘受到安培力作用，此安培力阻碍铜盘的转动，故铜盘会很快停下来.
2. 如图2.3-14所示，弹簧上端固定，下端悬挂一个磁体。将磁体托起到某一高度后放开，磁体能上下振动较长时间才停下来。如果在磁体下端放一个固定的闭合线圈，使磁极上下振动时穿过它，磁体就会很快地停下来。分析这个现象的产生原因，并说明此现象中能量转化的情况。
解：磁体上下振动的过程中，通过线圈的磁通量发生变化，线圈中产生感应电流并受到安培力，磁体受到反作用力阻碍磁体的振动，所以磁体会很快停下来.此过程中，磁体及弹簧系统的机械能转化为线圈的电能，继而转化为线圈的内能.
3. 在科技馆中常看到这样的表演：一根长1m左右的空心铝管竖直放置(图2.3-15甲) 把一枚磁性比较强的小圆柱形永磁体从铝管上端放入管口，圆柱直径略小于铝管的内径。根据一般经验，小圆柱自由下落1m左右的时间不会超过0.5s，但把小圆柱从上端放入管中后过了许久
它才从铝管下端落出。小圆柱在管内运动时，没有感觉到
它跟铝管内壁发生摩擦，把小圆柱靠着铝管，也不见它们
相互吸引。是什么原因使小圆柱在铝管中缓慢下落呢 如果
换用一条有裂缝的铝管(图2.3-15乙)，圆柱在铝管中的下落
就变快了。这又是为什么
解：小圆柱从铝管中下落过程中，穿过铝管任一截面的磁通量发生变化，故铝管中有感应电流产生，此感应电流所受的安培力的反作用力会阻碍小圆柱下落. 换用有裂缝的铝管时，感应电流在水平方向上的流动受到影响，故阻碍作用明显减小，因此下落得快多了.
4. 人造卫星绕地球运行时，轨道各处的地磁场的强弱并不相同，因此，金属外壳的人造地球卫星运行时，外壳中总有感应电流。分析这一现象中的能量转化情形。它对卫星的运动可能产生怎样的影响
解：穿过人造卫星外壳的磁通量发生变化时，外壳中会有涡流产生，这一电能是由机械能转化来的，它会导致卫星的机械能减少，使卫星的轨道半径减小，造成卫星离地高度下降.
5. 如图2.3-16所示，水乎放置的绝缘桌面上有一个金属圆环，圆心的正上方有一个竖直的条形磁体。请通过分析形成以下结论：条形磁体沿水平方向移动时，金属圆环将受到水平方向运动的驱动力，驱动力的方向跟条形磁体运动的方向相同。
解：条形磁体沿水平方向移动时，穿过环的磁通量减少，环中有感应电流产生，感应电流产生的磁场与原磁场同向，如图所示. 由左手定则，金属圆环会受到与条形磁体运动方向相同的安培力作用.
结束
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