初中毕业留言

第7节　涡流、电磁阻尼和电磁驱动1．定义当线圈中的电流随时间变化时，线圈附近的任何导体中都会产生感应电流．电流在导体内自成闭合回路，很像水中的旋涡，所以把它叫做涡电流，简称涡流．2．涡流产生的条件涡流的本质是电磁感应现象，涡流产生的条件是穿过导体的磁通量发生变化，并且导体本身可自行构成闭合回路．同时，因为整个导体回路的电阻一般很小，所以感应电流很大，就像水中的旋涡．3．可以产生涡流的两种情况(1)把块状金属放在变化的磁场中．(2)让块状金属进出磁场或在非匀强磁场中运动．4．涡流的特点当电流在金属块内自成闭合回路时(产生涡流时)，由于整块金属的电阻很小，故涡流往往很强，根据公式P＝I2R知，热功率的大小与电流的平方成正比，故金属块的发热功率很大．5．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．如果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．6．涡流的危害、防止及利用(1)涡流的危害在各种电机、变压器中，涡流是非常有害的．首先它会使铁芯的温度升高，从而危及线圈绝缘材料的寿命，严重时会使材料报废；其次涡流发热要消耗额外的能量，使电机、变压器的效率降低．(2)涡流的防止为了减少涡流，变压器、电机里的铁芯不是由整块的钢铁制成的，而是用薄薄的硅钢片叠合而成的．一方面硅钢片的电阻率比一般钢铁的要大，从而减少损耗；另一方面，每层硅钢片之间都是绝缘的，阻断了涡流的通路，进一步减小了涡流的发热．计算明：涡流的损耗与硅片的厚度的平方成正比．(3)涡流的利用用来冶炼合金的真空冶炼炉，炉外有线圈，线圈中通入反复变化的电流，炉内的金属中产生涡流，涡流产生的热量使金属熔化并达到很高的温度．利用涡流冶炼金属的优点是整个过程能在真空中进行，这样就能防止空气中的杂质进入金属，可以冶炼高质量的合金．为了增大涡流，达到快速熔化金属的目的，在线圈中通入高频交变电流，根据电磁感应定律，电流变化快，得到的感应电动势就大，涡流就强．家用电磁炉也是利用涡流工作的．1．定义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磁场力的作用，根据楞次定律，磁场力总是阻碍导体的运动，这就是电磁阻尼．2．应用电磁阻尼有不少应用．例如：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，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，从而获得电磁阻尼力矩，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道理制成的．1．定义磁场相对于导体转动时，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，这种作用称为电磁驱动．2．应用交流感应电动机．3．电磁驱动的形成原因如图，当蹄形磁铁转动时，穿过线圈的磁通量就发生变化，例如线圈处于如图所示的初始状态时，穿过线圈的磁通量为零，当蹄形磁铁转动时，穿过线圈的磁通量就增加了，根据楞次定律，此时线圈中就有感应电流产生，以阻碍磁通量的增加，因而线圈在安培力作用下会跟着一起转动起来．楞次定律的一种理解是阻碍相对运动，从而阻碍磁通量的增加，磁铁转动时，相对于线圈转动，所以线圈也同方向转动，从而“阻碍”这种相对运动，电磁驱动也可以用楞次定律来解释．4．电磁阻尼与电磁驱动的比较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安培力的方向与导体运动方向相反，阻碍物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，从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，都是安培力阻碍引起感应电流的导体与磁场间的相对运动(1)电磁阻尼、电磁驱动都是电磁感应现象，都遵循楞次定律；(2)电磁阻尼、电磁驱动现象中安培力的作用效果都是阻碍相对运动，应注意电磁驱动中阻碍的结果，导体的运动速度仍要小于磁场的运动速度.　如图所示是高频焊接原理示意图．线圈中通以高频变化的电流时，待焊接的金属工件中就产生感应电流，感应电流通过焊缝产生大量热量，将金属熔化，把工件焊接在一起，而工件其他部分发热很少．以下说法正确的是(　　)A．电流变化的频率越高，焊缝处的温度升高得越快B．电流变化的频率越低，焊缝处的温度升高得越快C．工件上只有焊缝处温度升得很高是因为焊缝处的电阻小D．工件上只有焊缝处温度升得很高是因为焊缝处的电阻大【解析】　电流的频率越高，待焊工件中磁通量的变化率越大，产生的感应电动势越大，感应电流I越大，所以电流热功率P＝I2R也越大，温度升高越快，待焊工件中各处电流大小相等，但焊缝处电阻大，电流热功率大，而其他部分电阻小，电流热功率小．【】　AD【方法】(1)涡流现象一般运用法拉第电磁感应定律和楞次定律．(2)导体内部可以等效为许多闭合电路．(3)金属内部发热的原理为电流的热效应．答案：D如图所示，在O点正下方有一个具有理想边界的磁场，铜球在A点由静止释放，向右摆至最高点B，不考虑空气阻力，则下列说法正确的是(　　)A．A、B两点在同一水平线上B．A点高于B点C．A点低于B点D．铜球将做等幅摆动【分析】　电磁阻尼现象中要抓住两点，一是金属能够自身形成闭合回路，二是磁通量要发生变化，形成涡流，阻碍相对运动．【解析】　铜球进磁场和出磁场的过程中，都有涡流产生，阻碍铜球的摆动，从而有机械能转化为内能，A点高于B点，最终铜球将在磁场中做等幅摆动．故选B.【答案】　B【方法总结】电磁阻尼现象作为电磁感应现象的一个特例，可以用电磁感应现象的规律分析，“阻尼”也就是感应电流的效果阻碍相对运动，从而出现机械能向电能的转化．电磁阻尼现象的分析方法：(1)运用楞次定律分析导体的受力情况；(2)运用力学知识和能量守恒定律分析导体的运动情况和能量转化情况．如图所示，一个闭合的矩形金属框与一根绝缘轻杆B相连，轻杆上端O点是一个固定转轴，转轴与线框平面垂直，线框静止时恰位于蹄形磁铁的正中央，线框平面与磁感线垂直．现让线框沿垂直磁场方向摆动，在左右摆动过程中，线框受到磁场力的方向是(　　)A．向左摆动的过程中，受力方向向左；向右摆动的过程中，受力方向向右B．向左摆动的过程中，受力方向向右；向右摆动的过程中，受力方向向左C．向左摆动的过程中，受力方向先向左后向右；向右摆动的过程中，受力方向先向右后向左D．摆动过程中始终不受力解析：从阻碍相对运动的角度来看，由于磁通量的变化是由线框和磁场间做相对运动引起的，因此感应电流的磁场总是阻碍线框相对磁场的运动．要阻碍相对运动，磁场对线框因产生感应电流而产生的作用力——安培力一定和相对运动的方向相反，即线框向左摆动时受力方向向右，线框向右摆动时受力方向向左．所以B正确．答案：B如图所示，光滑弧形轨道和一足够长的光滑水平轨道相连，水平轨道上方有一足够长的金属杆，杆上挂有一光滑螺线管A.在弧形轨道上高为h的地方，无初速释放一磁铁B(可视为质点)，B下滑至水平轨道时恰好沿螺线管A的中心轴运动，设A、B的质量分别为M、m，若最终A、B速度分别为vA、vB.(1)螺线管A将向哪个方向运动？(2)全过程中整个电路所消耗的电能．【分析】　磁铁B相对线圈运动．产生电磁驱动作用，并且整个运动过程中能量守恒．【解析】　(1)磁铁B向右运动时，螺线管中产生感应电流，感应电流产生电磁驱动作用，使得螺线管A向右运动．【方法总结】电磁驱动现象是电磁感应现象中阻碍相对运动的又一个特例，正是这种作用实现了通过磁体的运动导致线圈向同一方向运动的现象．分析的依据仍旧是电磁感应的规律和力学知识的结合．电磁驱动的分析方法是：(1)运用电磁感应定律分析产生电磁驱动的原因；(2)运用楞次定律分析产生电磁驱动的力的方向；(3)从受力角度和能量角度分析导体的运动情况．如图所示，矩形线圈放置在水平薄木板上，有两块相同的蹄形磁铁，四个磁极中两相邻磁极之间的距离相等，当两块磁铁匀速向右通过线圈时，线圈仍静止不动，那么线圈受到木板的摩擦力方向是(　　)A．先向左，后向右B．先向左、后向右、再向左C．一直向右D．一直向左解析：根据楞次定律的推广“来拒去留”，当两磁铁靠近线圈时，线圈中感应电流的磁场要阻碍其靠近，线圈有向右移动的趋势，受木板的摩擦力向左；当磁铁远离时，线圈中感应电流的磁场要阻碍其远离，线圈仍有向右移动的趋势，受木板的摩擦力方向仍是向左的，故D正确．答案：D1.以下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．在硅钢中不能产生涡流解析：根据涡流的产生原因知：涡流就是平时常见的感应电流，是因为穿过导体的磁通量发生变化而产生的，所以A正确，B错误；涡流和其他电流一样，也有热效应和磁效应，C错误；硅钢的电阻率大，产生的涡流较小，不是不能产生涡流，D错误．答案：A2.如图所示，金属小球(铜球)下端有通电的线圈，今把小球拉离平衡位置后释放，此后关于小球的运动情况是(不计空气阻力)(　　)A．做等幅振动B．做阻尼振动C．振幅不断增大D．无法判定解析：小球在通电线圈的磁场中运动，小球中产生涡流，故小球要受到安培力作用阻碍它的相对运动而做阻尼振动．答案：B3．如图所示光滑水平绝缘面上有两个金属环静止在平面上，环1竖直，环2水平放置，均处于中间分割线上，在平面中间分割线正上方有一条形磁铁，当磁铁沿中间分割线向右运动时，下列说法正确的是(　　)A．两环都向右运动B．两环都向左运动C．环1静止，环2向右运动D．两环都静止解析：条形磁铁向右运动时，环1中磁通量保持为零不变，无感应电流，仍静止．环2中磁通量变化．根据楞次定律，为阻碍磁通量的变化，感应电流的效果使环2向右运动．答案：C4.(2013·信阳高二检测)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．线圈静止不动解析：当磁铁转动时，由楞次定律知，线圈中有感应电流产生，以阻碍磁通量的增加，即感应电流的方向必定是使其受到的力矩的方向与磁铁转动方向相同，以减小磁通量的增加，因而线圈跟着转起来，但转速小于磁铁的转速．如果转速相等，线圈中的磁通量不再变化，起“驱动”作用的安培力将消失．答案：C