涡流电磁阻尼和电磁驱动ppt课件

,4.7涡流电磁阻尼和电磁驱动,电磁感应,第四章,选修32,1,回顾与思考,根据麦克斯韦电磁场理论：,变化的磁场能在周围空间激发电场，这种电场叫感生电场。,磁场变化产生感生电场，导体放在感生电场中，其中的自由电荷在感生电场力方向运动，产生感应电流，电流的分布与感生电场线分布类似。,这样的感应电流，看起来就像水中的旋涡，所以把它叫做涡电流，简称涡流。,2,一、涡流（eddycurrent）,定义：块状金属在变化的磁场中或在磁场中运动时，金属块内产生的自成闭合回路的感应电流，叫涡电流，简称涡流。,涡流是整块导体发生的电磁感应现象，同样遵守电磁感应定律,金属块中的涡流也要产生热量，如果金属的电阻率小，则涡流很强，产生的热量也很多。,3,涡流的利用,真空冶炼炉,高频感应炉：利用涡流的热效应来熔化金属。交流电的频率越高，金属熔炉中的感应电动势就越大，金属材料的电阻率越小，产生的涡流热效应就越强。,高频感应炉优点：速度快，温度易控制，整个过程在真空中进行，能避免有害杂质混入被冶炼的金属中，适于冶炼特种合金和特种钢。,4,涡流的利用,高频焊接,高频焊接机原理：线圈中通以高频电流，内部焊接工件由于电磁感应产生感应电流，频率越高，产生的感应电流越大。由于焊接缝处接触电阻很大，放出的热量很多，致使温度升高将金属熔化，焊接在一起。应用于焊接自行车车架。,5,电磁灶采用了磁场感应涡流的加热原理。它利用陶瓷玻璃板下方的线圈产生交变磁场，这样，铁锅的锅底部就处在交变磁场中而产生环状电流（即涡流）使锅本身高速发热，从而能将饭菜煮熟。,涡流的应用,6,探雷器,7,安检门,8,思考与讨论,电动机和变压器的工作原理都跟电磁感应现象有关，内部都有铁芯结构，为什么电动机和变压器等的铁芯都不是整块金属，而是用许多相互绝缘的薄硅钢片叠合而成？,电动机的铁芯,变压器的铁芯,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,9,思考与讨论,怎样减少涡流损耗？,交变电流,交变电流,整块铁心,彼此绝缘的薄片,10,变压器铁芯中的涡流损耗及改善措施,涡流的防止,硅钢片平面与磁感应线平行。,变压器、电动机的铁芯不采用整块金属，由许多相互绝缘的电阻率很大的薄硅钢片叠合而成，目的就是为了减弱铁芯中由于电磁感应而产生的涡流的热效应，从而减少电能的损耗。,11,思考与讨论,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？,I,FA,（P27）磁电式电流表使用铝框做线圈骨架有什么好处？,铝框在磁场中转动时产生感应电流，磁场对感应电流作用力阻碍铝框的转动，指针随着铝框很快就稳定地指在读数位置上，达到能够迅速读出数据的功能。,12,二、电磁阻尼,导体在磁场中运动时，感应电流使导体受到安培力的作用，安培力的方向总是阻碍导体的运动，这种现象称为电磁阻尼。,做一做：,取一灵敏电流计，用手晃动表壳，观察表针相对表盘摆动的情况。,用导线把灵敏电流计的两个接线柱连在一起，再次晃动表壳，观察表针相对表盘摆动的情况与上次有什么不同，怎样解释这种差别？,13,思考,如图所示，弹簧下端悬挂一根磁铁，将磁铁托起到某高度后释放，磁铁能振动较长时间才停下来。如果在磁铁下端放一固定线圈，磁铁会很快停下来。这种现象说明了什么？,14,如图，把铜片悬挂在电磁铁的两极间，形成一个摆。在电磁铁线圈未通电时，铜片可以自由摆动，要经过较长时间才会停下来。一旦当电磁铁通电之后，由于穿过运动导体的磁通量发生变化，铜片内将产生感应电流。根据楞次定律，铜片摆锤的摆动便受到阻力而迅速停止。,15,三、电磁驱动,磁场相对于导体运动时，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，这种现象称为电磁驱动。,线圈转动与磁铁同向，但转速小于磁铁，即同向异步。,应用：感应电动机、电能表、汽车上用的电磁式速度表等。,安培力对以地为参照物来说，是动力。但对相对磁体的运动来说，是阻力。,16,电磁阻尼与电磁驱动的比较,17,如图472所示，一金属球用绝缘细线悬挂于O点，将金属球拉离平衡位置并释放，金属球摆动过程中经过有界的水平匀强磁场区域，A、B为该磁场的竖直边界若不计空气阻力，则(),A金属球向右穿过磁场后，还能摆至原来的高度B在进入和离开磁场时，金属球中均有感应电流C金属球进入磁场后离平衡位置越近速度越大，感应电流也越大D金属球最终将静止在平衡位置,18,【解析】如图473所示，当金属球从1位置开始下落，进入磁场时(即2和3位置)，由于金属球内磁通量发生变化，所以有感应电流产生同时，金属球本身有内阻，必然有能量的转化，即有能量的损失,图473,19,1.如图474所示，A、B为大小、形状均相同且内壁光滑，但用不同材料制成的圆管，竖直固定在相同高度两个相同的磁性小球，同时从A、B管上端的管口无初速度释放，穿过A管的小球比穿过B管的小球先落到地面下面对于两管的描述可能正确的是(),图474,AA管是用塑料制成的，B管是用铜制成的BA管是用铝制成的，B管是用胶木制成的CA管是用胶木制成的，B管是用塑料制成的DA管是用胶木制成的，B管是用铝制成的,20,位于光滑水平面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475所示，在此过程中(),图475,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【思路点拨】本题为电磁驱动，可由楞次定律判断作用力的方向，再由牛顿第二定律判断运动情况,21,2.如图476所示，把一个闭合线框放在蹄形磁体的两磁极之间，蹄形磁体可以绕竖直轴转动，闭合线框也可以绕竖直轴转动，当蹄形磁体逆时针(从上往下看)转动时，有关线圈的运动下列说法正确的是(),图476,A线圈将顺时针方向转动B线圈仍保持静止C线圈将逆时针方向转动，转速与磁铁相同D线圈将逆时针方向转动，转速比磁铁小解析：选D.根据电磁驱动，磁铁转动，线圈会产生感应电流和受到安培力作用，这个安培力驱动线圈运动，其转动的效果是阻碍它们的相对运动，因此线圈转动方向与磁铁相同，但转速比磁铁小,22,光滑曲面与竖直平面的交线是抛物线，如图477所示，抛物线的方程是yx2，下半部处在一个水平方向的匀强磁场中，磁场的上边界是ya的直线(图中的虚线所示)，一个小金属块从抛物面上yb(ba)处以速度v沿抛物面下滑，假设抛物面足够长，小金属块沿抛物面下滑后产生的焦耳热总量是(),23,【答案】D【点评】小金属块在进出磁场的过程中，磁通量发生变化，会产生涡流，机械能转化为内能但在匀强磁场中运动时，磁通量不变，不产生涡流，机械能守恒,24,3.如图478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，杆上挂有一光滑螺旋管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旋管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)螺旋管A将向哪个方向运动？(2)全过程中整个电路所消耗的电能,25,答案：见解析,26,【习题1】：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在硅钢中不能产生涡流,【解析】：涡流本质上是感应电流，是自身构成回路，在穿过导体的磁通量变化时产生的，所以A对B错。涡流不仅有热效应，同其他电流一样也有磁效应，C错。硅钢电阻率大，产生的涡流较小，但仍能产生涡流，D错。,A,27,【习题2】：电磁炉是利用电磁感应现象产生的涡流，使锅体发热从而加热食物下列相关的说法中正确的是（）A锅体中涡流的强弱与磁场变化的频率有关B电磁炉中通入电压足够高的直流电也能正常工作C金属或环保绝缘材料制成的锅体都可以利用电磁炉来烹饪食物D电磁炉的上表面一般都用金属材料制成，以加快热传递、减少热损耗,【解析】：涡流是高频交流电产生的磁场引起的电磁感应现象，故选项A正确B错误；电磁炉表面一般用绝缘材料制成，避免产生涡流，锅体用金属制成利用涡流加热物体，故选项CD错误,A,题型一：关于涡流的利用和防止,28,【变式2】：变压器的铁芯是利用薄硅钢片叠压而成的，而不是采用一整块硅钢，这是因为（）A增大涡流，提高变压器的效率B减小涡流，提高变压器的效率C增大铁芯中的电阻，以产生更多的热量D增大铁芯中的电阻，以减少放出的热量,【解析】：不使用整块硅钢而采用很薄的硅钢片，这样做的目的是增大铁芯中的电阻，来减少电能转化成铁芯的内能，提高效率，是防止涡流而采取的措施.,BD,题型一：关于涡流的利用和防止,29,题型二：电磁阻尼的分析,【习题2】：如如图所示，A、B为大小、形状均相同且内壁光滑，但用不同材料制成的圆管，竖直固定在相同高度两个相同的磁性小球，同时从A、B管上端的管口无初速度释放，穿过A管的小球比穿过B管的小球先落到地面下面对于两管的描述可能正确的是（）AA管是用塑料制成的，B管是用铜制成的BA管是用铝制成的，B管是用胶木制成的CA管是用胶木制成的，B管是用塑料制成的DA管是用胶木制成的，B管是用铝制成的,AD,30,【解析】：选AD.磁性小球穿过金属圆管过程中，将圆管看做由许多金属圆环组成，小球的磁场使每个圆环中产生感应电流，据楞次定律，该电流阻碍磁性小球的下落，小球向下运动的加速度小于重力加速度；小球在塑料、胶木等非金属材料圆管中不会产生感应电流，小球仍然做自由落体运动，穿过塑料、胶木圆管的时间比穿过金属圆管的时间少,31,【变式训练1】：在水平放置的光滑导轨上，沿导轨固定一个条形磁铁，如图。现有铁、铝和有机玻璃制成的滑块甲、乙、丙，使它们从导轨上的A点以某一初速度向磁铁滑去。各物块在碰上磁铁前的运动情况是（）A都做匀速运动B甲做加速运动C乙做匀速运动D丙做匀速运动,铁块会被磁化，与磁铁相互吸引,铝块不会被磁化，形成涡流，与磁铁相互排斥,BD,32,【变式训练2】：（2012福州模拟）甲、乙两个完全相同的铜环可绕固定轴OO旋转，当它们以相同的角速度开始转动后，由于阻力，经相同的时间后便停止；若将两环置于磁感应强度为B的大小相同的匀强磁场中，乙环的转轴与磁场方向平行，甲环的转轴与磁场方向垂直，如图所示，当甲、乙两环同时以相同的角速度开始转动后，则下列判断中正确的是（）A甲环先停B乙环先停C两环同时停下D无法判断两环停止的先后,由图可知：甲环的磁通量会发生变化，甲环的动能要转化为电能，而乙环中无磁通量的变化，不会产生感应电流，故甲环先停下来.,33,题型三：电磁驱动的分析和应用,【习题3】：如图所示，把一个闭合