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(共55张PPT)
3　涡流、电磁阻尼和电磁驱动
素养 目标定位
目标素养
1.了解涡流是怎样产生的
2.了解涡流现象的好处和危害
3.通过对涡流实例的分析,了解涡流现象在生活和生产中的应用
4.了解电磁阻尼和电磁驱动
知识概览
课前 基础认知
一、电磁感应现象中的感生电场
1.感生电场:磁场变化时在空间激发的一种电场。
2.感生电动势:由感生电场产生的感应电动势。
3.感生电动势中的非静电力:感生电场对自由电荷的作用。
4.感生电场的方向:与所产生的感应电流的方向相同,可根据楞次定律和右手螺旋定则判断。
微判断1 (1)感生电场线是闭合的。(　　)
(2)只要磁场变化,即使没有电路,在空间也将产生感生电场。
(　　)
(3)感生电场是产生感生电动势的原因。(　　)
(4)感生电动势与动生电动势一样都是由于磁场变化产生的。
(　　)
√
√
√
×
二、涡流
1.定义:由于电磁感应,在导体中产生的像水中漩涡样的感应电流。
2.特点:若金属的电阻率小,涡流往往很强,产生的热量很多。
3.应用。
(1)涡流热效应:如真空冶炼炉。
(2)涡流磁效应: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个硅钢铁芯。
微判断2 (1)涡流是由整块导体发生的电磁感应现象,不遵循法拉第电磁感应定律。(　　)
(2)通过增大铁芯材料的电阻率可以减小涡流。(　　)
(3)变压器的铁芯用硅钢片叠成是为了减小涡流。(　　)
√
×
√
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到某位置,便于读数。
微思考1 把金属制成的摆,悬挂在电磁铁的两极之间,并使之摆动。
(1)当电磁铁不通电时,摆的运动能维持较长时间,电磁铁通电后,摆动很快就停下来,这是为什么
(2)如果把金属摆开上几条长缝,同样偏角的情况下,电磁铁通电后,发现比原摆摆动时间更长,为什么
提示:(1)电磁铁通电后,在摆中形成了涡流,
产生了阻尼作用。
(2)开缝的摆相对于未开缝的摆,涡流更小,
阻尼作用更小。
四、电磁驱动
1.概念:磁场相对导体转动时,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。
微思考2 老师做了一个物理小实验让学生观察:一个轻质横杆两侧各固定一金属环,横杆可绕中心点自由转动,老师拿一条形磁体(图中未画出)插向左环,后又取出插向右环,如图所示。同学们看到的现象是什么
答案:右环闭合,在磁体插向右环的过程中,小环内可产生感应电流,环受安培力作用,横杆转动;左环不闭合,不能产生感应电流,无以上现象。
课堂 重难突破
一 电磁感应现象中的感生电场
问题探究
著名物理学家费曼曾设计过这样一个
实验装置:一块绝缘圆板可绕其中心的
光滑轴自由转动,在圆板的中部有一个
线圈,圆板的四周固定着一圈带电的金
属小球,如图所示。当线圈接通电源后,
将有图示方向的电流流过。若金属小球
带负电,接通电源瞬间圆板向哪一方向转动
提示:接通电源瞬间,线圈内的电流产生竖直向上的磁场,该增大的磁场在周围空间产生顺时针方向的感生电场(俯视),带负电的金属小球受到沿逆时针(俯视)方向的静电力,因此圆板将沿逆时针转动。
归纳总结
1.感生电场的理解。
(1)感生电场是一种涡旋电场,电场线是闭合的。
(2)感生电场的方向可由楞次定律判断。如图
所示,当磁场增强时,产生的感生电场是与磁
场方向垂直且阻碍磁场增强的电场。
(3)感生电场是否存在与是否存在闭合电路
无关。
(4)电路中电源电动势是非静电力对自由电荷的作用。在电池中,这种力表现为化学作用。
(5)感生电场对电荷产生的力,相当于电源内部所谓的非静电力。感生电动势在电路中的作用就是电源。
2.感生电场与静电场的区别。
比较项 静电场 感生电场
产生条件 由电荷激发 由变化的磁场激发
电场线
特点 静电场的电场线不闭合,总是始于正电荷或无穷远处,终止于无穷远处或负电荷,不闭合、不相交、也不相切 感生电场的电场线是闭合曲线,没有终点和起点
比较项 静电场 感生电场
电场对电
荷做功 单位正电荷在静电场中沿闭合路径运动一周时,静电力所做的功为零 单位正电荷在感生电场中沿闭合路径运动一周时,静电力所做的功不为零
电场方向的
判断方法 正电荷所受静电力的方向与静电场的方向一致,沿电场线的切线方向 感生电场方向是根据磁场的变化情况由楞次定律判断的
典型例题
【例1】 某空间出现了如图所示的一组闭合电场线,方向从上向下看是顺时针的,这可能是(　　)
A.沿AB方向磁场在迅速减弱
B.沿AB方向磁场在迅速增强
C.沿BA方向磁场恒定不变
D.沿BA方向磁场在迅速减弱
答案:A
解析:感生电场的方向从上向下看是顺时针的,假设在平行感生电场的方向上有闭合回路,则回路中的感应电流方向从上向下看也是顺时针的;由右手螺旋定则可知,感应电流的磁场方向向下,根据楞次定律可知,原磁场方向沿AB方向减弱,或沿BA方向增强,选项A正确,B、C、D错误。
特别提醒
如果用正向判断的方法难度较大,不妨利用排除法,逐项判断。
【例2】 (多选)可控核聚变的磁约束像一
个无形的管道,将高温等离子体束缚在其
中,通过电磁感应产生的涡旋电场给等离
子体加速,此情境可以简化为如图所示的
装置,两个半径不同的同心环形光滑绝缘
管道a、b处于垂直于纸面向里、磁感应强度大小随时间均匀增大的匀强磁场中,甲、乙两个完全相同的带负电小球分别在a、b两管道中同时由静止释放,之后两小球在管道内做速率随时间均匀增大的加速运动,不计小球受到的重力及小球间相互作用力,
下列说法正确的是(　　)
A.小球甲沿逆时针方向运动
B.小球乙沿顺时针方向运动
C.小球甲受到的洛伦兹力保持不变
D.小球乙受到的洛伦兹力变大
答案:BD
解析:根据楞次定律可知,磁场在管道内产生的涡旋电场为逆时针方向,两小球均带负电,受力方向与电场方向相反,则小球被涡旋电场加速后在磁场中的旋转方向为顺时针方向,选项A错误,B正确。由于两个带电小球的速度方向始终垂直于磁场方向,会受到洛伦兹力的作用,根据洛伦兹力F=qvB,由于两个小球速度增大,磁感应强度B增大,则两小球受到的洛伦兹力都变大,选项C错误,D正确。
二 涡流
问题探究
机场的安检门可以利用涡流探测人身上携带的金属物品。安检门中接有线圈,线圈中通以交变电流,说明其工作原理。
提示:安检门利用涡流探测金属物品的工作原理是线圈中的交变电流产生交变磁场,使金属物品中产生涡流,该涡流产生的磁场又会在线圈中产生感应电流,而线圈中交变电流的变化可以被检测。
归纳总结
1.涡流的本质:电磁感应现象。
2.产生涡流的两种情况。
(1)块状金属放在变化的磁场中。
(2)块状金属进出磁场或在非匀强磁场中运动。
3.涡流的特点。
当电流在金属块内自成闭合回路(产生涡流)时,由于整块金属的电阻很小,涡流往往很强,根据公式P=I2R知,热功率的大小与电流的二次方成正比,故金属块的发热功率很大。
4.涡流中的能量转化。
涡流现象中,其他形式的能转化成电能,并最终在金属块中转化为内能。如果金属块放在变化的磁场中,则磁场能转化为电能,最终转化为内能;如果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。
5.注意:(1)涡流是整块导体发生的电磁感应现象,同样遵循法拉第电磁感应定律。
(2)磁场变化越快( 越大),导体的横截面积S越大,导体材料的电阻率越小,形成的涡流就越大。
典型例题
【例3】 (多选)下列措施中为了防止涡流危害的是(　　)
A.电磁炉要用平厚底金属锅
B.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
C.变压器的铁芯不做成整块,而是用许多电阻率很大的硅钢片叠合而成
D.变压器铁芯的每片硅钢片表面有不导电的氧化层
答案:CD
解析:电磁炉是采用电磁感应原理,在金属锅上产生涡流,使锅体发热从而加热食物的,属于涡流的应用,选项A错误。安检门是利用涡流工作的,选项B错误。变压器的铁芯不做成整块,而是用许多电阻率很大的硅钢片叠合而成,是为了减小变压器铁芯内产生的涡流,属于涡流的防止,选项C正确。变压器铁芯的每片硅钢片表面有不导电的氧化层,是为了减小变压器铁芯内产生的涡流,属于涡流的防止,选项D正确。
特别提醒
为了减小电动机、变压器铁芯上的涡流,常用电阻率较大的硅钢做材料,而且用相互绝缘的硅钢片叠成铁芯来代替整块硅钢铁芯。
三 电磁阻尼与电磁驱动
问题探究
(1)如图甲所示,将磁体在同一高
度释放,下端放有闭合线圈的那
块磁体很快停止振动,而另一个
磁体能振动较长时间,如何解释
这个现象
(2)如图乙所示,当顺时针或逆时针转动蹄形磁体时线圈怎样转动 使线圈转动起来的动力是什么力
提示:(1)题图甲中下端放有闭合线圈的磁体振动时除了受空气阻力外,还受到线圈的磁场阻力,所以很快停下来。
(2)当蹄形磁体顺时针转动时,线圈也顺时针转动;当蹄形磁体逆时针转动时,线圈也逆时针转动。线圈内产生感应电流,线圈受到安培力的作用,安培力作为动力使线圈转动起来。
归纳总结
电磁阻尼和电磁驱动问题,其本质仍然是电磁感应问题,具体分析求解时,还需明确电磁阻尼与电磁驱动的区别与联系(见下表)。
比较项 电磁阻尼 电磁驱动
不同点 成因 由于导体在磁场中运动而产生感应电流,从而使导体受到安培力 由于磁场运动引起磁通量的变化而产生感应电流,从而使导体受到安培力
效果 导体所受安培力的方向与导体运动方向相反,阻碍导体运动 导体所受安培力的方向与导体运动方向相同,推动导体运动
能量
转化 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 由于电磁感应,磁场能转化为电能,通过安培力做功,电能转化为导体的机械能
相同点 都属于电磁感应现象,电磁阻尼和电磁驱动中的安培力都阻碍导体与磁体间的相对运动
典型例题
【例4】 扫描隧道显微镜(STM)可用来探测样品表面原子尺度上的形貌。为了有效隔离外界振动对STM的扰动,在圆底盘周边沿其径向对称地安装若干对紫铜薄板,并施加磁场来快速衰减其微小振动,如图所示。无扰动时,按下列四种方案对紫铜薄板施加恒定磁场;出现扰动后,对于紫铜薄板上下及其左右振动的衰减最有效的方案是(　　)
A
解析:感应电流产生的条件是闭合回路中的磁通量发生变化。在A图中,系统振动时,紫铜薄板随之上下及左右振动,都会使穿过紫铜薄板的磁通量发生变化,产生感应电流,受到安培力,阻碍系统的振动,故选项A正确。在B、D图中,只有紫铜薄板左右振动才产生感应电流,而上下振动无感应电流产生,选项B、D错误。在C图中,无论紫铜薄板上下振动还是左右振动,都不会产生感应电流,选项C错误。
规律总结
电磁阻尼和电磁驱动的分析: (1)电磁阻尼和电磁驱动都是电磁感应现象,均可以根据楞次定律和左手定则分析导体的受力情况。 (2)电磁阻尼与电磁驱动现象中安培力的作用效果均为阻碍相对运动,应注意电磁驱动中,主动部分的速度(或角速度)大于被动部分的速度(或角速度)。
【例5】 (多选)如图所示,蹄形磁体和矩形线圈均可绕竖直轴OO'转动。从上向下看,当磁体逆时针转动时,则(　　)
A.线圈将逆时针转动,转速与磁体相同
B.线圈将逆时针转动,转速比磁体小
C.线圈转动时将产生感应电流
D.线圈转动时感应电流的方向始终是abcda
答案:BC
解析:当磁体逆时针转动时,相当于磁体不动而线圈顺时针旋转切割磁感线,线圈中产生感应电流,选项C正确。线圈相对磁体转过90° 时,其感应电流方向不再是abcda,选项D错误。由楞次定律的推广含义可知,线圈将与磁极同向转动,但转动的角速度一定小于磁体转动的角速度,如果两者的角速度相同,磁感线与线圈会处于相对静止状态,线圈不切割磁感线,无感应电流产生,选项A错误,B正确。
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1.(多选)关于电磁感应现象中的感生电场,下列说法正确的是
(　　)
A.感生电场不同于静电场,其电场线是闭合曲线
B.由感生电场产生的感生电动势的表达式为
C.感生电场产生感生电动势中的非静电力是洛伦兹力
D.感生电动势对应的非静电力对自由电荷不做功
答案:AB
解析:磁场变化时在空间激发的电场称为感生电场,不同于静止电荷产生的电场(静电场),其电场线是闭合曲线,选项A正确。变化的磁场引起磁通量的变化,进而产生感生电动势,所以感生电动势的表达式为 ,选项B正确。感生电场产生感生电动势中的非静电力是感生电场对自由电荷的作用力,即静电力,对自由电荷做功,选项C、D错误。
2.(2024·甘肃卷)工业上常利用感应电炉冶炼合金,装置如图所示。当线圈中通有交变电流时,
下列说法正确的是(　　)
A.金属中产生恒定感应电流
B.金属中产生交变感应电流
C.若线圈匝数增加,则金属中感应电流减小
D.若线圈匝数增加,则金属中感应电流不变
答案:B
解析:当线圈中通有交变电流时,感应电炉内金属的磁通量也不断随之变化,金属中产生交变感应电流,选项A错误,B正确。若线圈匝数增加,根据法拉第电磁感应定律可知,线圈交变磁场增强,金属中交变感应电动势增大,则金属中感应电流变大,选项C、D错误。
3.(多选)某空间出现了如图所示的磁场,当磁感应强度变化时,在垂直于磁场的方向上会产生感生电场,有关磁感应强度的变化与感生电场的方向关系,下列描述正确的是(　　)
A.当磁感应强度均匀增大时,感生电场的
电场线从上向下看应为顺时针方向
B.当磁感应强度均匀增大时,感生电场的
电场线从上向下看应为逆时针方向
C.当磁感应强度均匀减小时,感生电场的
电场线从上向下看应为顺时针方向
D.当磁感应强度均匀减小时,感生电场的
电场线从上向下看应为逆时针方向
AD
解析:感生电场中磁场的方向用楞次定律来判定,原磁场向上且磁感应强度在增大,在周围有闭合导线的情况下,感应电流的磁场方向应与原磁场方向相反,即感应电流的磁场方向向下,再由安培定则知感应电流的方向即感生电场的方向从上向下看应为顺时针方向;同理可知,原磁场方向向上且磁感应强度减小时,感生电场的方向从上向下看应为逆时针方向,选项A、D正确。
4.(多选)位于光滑水平面的小车上水平固定一螺线管(螺线管内部光滑),一个比螺线管长的条形磁体沿着螺线管的轴线以初速度v0穿入螺线管,并最终穿出, 如图所示,在此过程中
(　　)
A.磁体做匀速直线运动
B.磁体做减速直线运动
C.小车向右做加速运动
D.小车先加速后减速
答案:BC
解析:磁体水平穿入螺线管时,螺线管中产生感应电流,由楞次定律可知产生的感应电流将阻碍磁体的运动;同理,磁体穿出时,由楞次定律可知产生的感应电流将阻碍磁体的运动,故整个过程中,磁体做减速直线运动,选项A错误,B正确。对于小车上的螺线管来说,螺线管受到的安培力方向始终水平向右,这个安培力使螺线管和小车向右运动,且一直做加速运动,选项C正确,D错误。
5.电磁阻尼现象在日常生活中得到广泛应用,如汽车的减震悬架等。某车型的减震系统就由两部分组成:一部分是机械弹簧主减震系统;另一部分是电磁辅助减震系统。装置示意图如图所示,强磁体固定在汽车底盘上,阻尼线圈固定在轮轴上,轮轴与底盘通过弹簧主减震系统相连,在震动过程中磁体可在线圈内上下移动。
下列说法正确的是(　　)
A.对调磁体的磁极,电磁减震系统就起不到减震效果
B.增多线圈匝数,不影响安培力的大小
C.只要产生震动,电磁减震系统就能起到减震效果
D.震动过程中,线圈中有感应电流,且感应电流方向不变
答案:C
6.如图所示,铝管竖直置于水平桌面上,一较小磁体从铝管正上方由静止开始下落,在磁体穿过铝管的过程中,磁体不与管壁接触且无翻转,不计空气阻力,
下列说法正确的是(　　)
A.磁体做自由落体运动
B.磁体做加速度增大的加速运动
C.磁体可能一直做加速度减小的加速运动
D.磁体先做加速运动,最后做减速运动
答案:C
解析:磁体在铝管中运动的过程中,安培力做负功,磁体的加速度小于重力加速度,选项A错误。根据法拉第电磁感应定律可知,磁体速度越快,产生的感应电动势越大,受到的安培力也越大,所以磁体的加速度是逐渐减小的,选项B错误。若铝管较短,磁体一直做加速度减小的加速运动;若铝管较长,磁体先做加速度减小的加速运动,后做匀速运动,选项C正确,D错误。

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