2020版高中物理人教选修3-2课件：4.7涡流、电磁阻尼和电磁驱动

1、7 涡流、电磁阻尼和电磁驱动 一、涡流一、涡流 1.1.定义定义: :在变化的磁场中的导体内产生的在变化的磁场中的导体内产生的_,_, 就像水中的漩涡就像水中的漩涡, ,所以把它叫作涡电流所以把它叫作涡电流, ,简称涡流。简称涡流。 2.2.特点特点: :若金属的电阻率小若金属的电阻率小, ,涡流往往很强涡流往往很强, ,产生的产生的 _很多。很多。 感应电流感应电流 热量热量 3.3.应用应用: : (1)(1)涡流涡流_的应用的应用: :如真空冶炼炉。如真空冶炼炉。 (2)(2)涡流涡流_的应用的应用: :如探雷器、安检门。如探雷器、安检门。 热效应热效应 磁效应磁效应 4.4.防止防止:

2、 : 电动机、变压器等设备中为防止铁芯中电动机、变压器等设备中为防止铁芯中_而而 导致浪费能量导致浪费能量, ,损坏电器。损坏电器。 (1)(1)途径一途径一: :增大铁芯材料的增大铁芯材料的_。 (2)(2)途径二途径二: :用相互绝缘的用相互绝缘的_的铁芯代替整的铁芯代替整 块硅钢铁芯。块硅钢铁芯。 涡流过大涡流过大 电阻率电阻率 硅钢片叠成硅钢片叠成 二、电磁阻尼和电磁驱动二、电磁阻尼和电磁驱动 1.1.电磁阻尼电磁阻尼: : (1)(1)定义定义: :当导体在磁场中运动时当导体在磁场中运动时, ,感应电流会使导体受感应电流会使导体受 到安培力到安培力, ,安培力的方向总是安培力的方向总

3、是_导体的运动的现象。导体的运动的现象。 (2)(2)应用应用: :电学仪表中利用电学仪表中利用_使指针很快地停下使指针很快地停下 来来, ,便于读数。便于读数。 阻碍阻碍 电磁阻尼电磁阻尼 2.2.电磁驱动电磁驱动: : (1)(1)定义定义: :如果磁场相对于导体转动如果磁场相对于导体转动, ,在导体中会产生感在导体中会产生感 应电流应电流, ,感应电流使导体受到安培力的作用感应电流使导体受到安培力的作用,_,_使使 导体运动起来的现象。导体运动起来的现象。 (2)(2)应用应用: :交流感应电动机。交流感应电动机。 安培力安培力 【思考辨析【思考辨析】 (1)(1)涡流跟平时常见的感应电

4、流一样涡流跟平时常见的感应电流一样, ,都是因为穿过都是因为穿过 导体的磁通量变化而产生的。导体的磁通量变化而产生的。( () ) (2)(2)涡流有热效应涡流有热效应, ,但没有磁效应。但没有磁效应。 ( () ) (3)(3)电磁灶是在金属锅体中产生热效应电磁灶是在金属锅体中产生热效应, ,从而达到加热从而达到加热 和烹饪食物的目的。和烹饪食物的目的。( () ) (4)(4)制造变压器用的铁芯是利用了涡流。制造变压器用的铁芯是利用了涡流。 ( () ) (5)(5)发生电磁驱动时发生电磁驱动时, ,导体与磁场的运动速度应相同。导体与磁场的运动速度应相同。( ( ) ) 提示提示: :(1

5、)(1)。涡流本质上是感应电流。涡流本质上是感应电流, ,是自身构成的回是自身构成的回 路路, ,在穿过导体的磁通量变化时产生的。在穿过导体的磁通量变化时产生的。 (2)(2)。涡流既有热效应。涡流既有热效应, ,又有磁效应。又有磁效应。 (3)(3)。电磁灶是在金属锅体中产生热效应。电磁灶是在金属锅体中产生热效应, ,是典型的是典型的 涡流现象的应用涡流现象的应用, ,通过这种方式通过这种方式, ,可以达到加热和烹饪可以达到加热和烹饪 食物的目的。食物的目的。 (4)(4)。变压器的铁芯是由硅钢片轧制而成的。变压器的铁芯是由硅钢片轧制而成的, ,硅钢片硅钢片 之间彼此绝缘且电阻率大之间彼此绝

6、缘且电阻率大, ,回路电阻大回路电阻大, ,涡流大为减弱涡流大为减弱, , 故变压器的铁心有效地防止了涡流。故变压器的铁心有效地防止了涡流。 (5)(5)。两者速度相同了。两者速度相同了, ,就不会产生感应电流就不会产生感应电流, ,就无法就无法 进行电磁驱动了。进行电磁驱动了。 一涡流一涡流 【典例【典例】如图所示如图所示, ,在一个绕有线圈的可拆变压器铁芯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, , 一段时间后一段时间后, ,一个容器中水温升高一个容器中水温升高, ,则通入的电流与水则通入的电流与水 温升

7、高的是温升高的是世纪金榜导学号世纪金榜导学号( () ) A.A.恒定直流、小铁锅恒定直流、小铁锅 B.B.恒定直流、玻璃杯恒定直流、玻璃杯 C.C.变化的电流、小铁锅变化的电流、小铁锅 D.D.变化的电流、玻璃杯变化的电流、玻璃杯 【正确解答【正确解答】选选C C。容器中水温升高。容器中水温升高, ,是电能转化成内是电能转化成内 能所致。只有变化的电流才能产生变化的磁场能所致。只有变化的电流才能产生变化的磁场, ,且只有且只有 小铁锅处于变化的磁场中时小铁锅处于变化的磁场中时, ,才能产生感应电动势才能产生感应电动势, ,从从 而产生感应电流而产生感应电流, ,导致小铁锅发热。玻璃杯是绝缘体

8、导致小铁锅发热。玻璃杯是绝缘体, , 不能产生感应电流。故不能产生感应电流。故C C正确正确,A,A、B B、D D错误。错误。 【核心归纳【核心归纳】 1.1.涡流的本质涡流的本质: :电磁感应现象。电磁感应现象。 2.2.产生涡流的两种情况产生涡流的两种情况: : (1)(1)块状金属放在变化的磁场中。块状金属放在变化的磁场中。 (2)(2)块状金属进出磁场或在非匀强磁场中运动。块状金属进出磁场或在非匀强磁场中运动。 3.3.产生涡流时的能量转化产生涡流时的能量转化: :伴随着涡流现象伴随着涡流现象, ,其他形式其他形式 的能转化成电能最终在金属块中转化为内能。的能转化成电能最终在金属块中

9、转化为内能。 (1)(1)金属块放在变化的磁场中金属块放在变化的磁场中, ,磁场能转化为电能磁场能转化为电能, ,最终最终 转化为内能。转化为内能。 (2)(2)如果是金属块进出磁场或在非匀强磁场中运动如果是金属块进出磁场或在非匀强磁场中运动, ,由由 于克服安培力做功于克服安培力做功, ,金属块的机械能转化为电能金属块的机械能转化为电能, ,最终最终 转化为内能。转化为内能。 【特别提醒【特别提醒】涡流问题的三点注意涡流问题的三点注意 (1)(1)涡流是整块导体发生的电磁感应现象涡流是整块导体发生的电磁感应现象, ,同样遵循法同样遵循法 拉第电磁感应定律。拉第电磁感应定律。 (2)(2)金属

10、能够自身形成闭合回路金属能够自身形成闭合回路, ,形成涡流。形成涡流。 (3)(3)磁场变化越快磁场变化越快( ( 越大越大),),导体的横截面积导体的横截面积S S越大越大, ,导导 体材料的电阻率越小体材料的电阻率越小, ,形成的涡流就越强。形成的涡流就越强。 B t 【过关训练【过关训练】 1.(1.(多选多选) )变压器的铁芯是利用薄硅钢片叠压而成变压器的铁芯是利用薄硅钢片叠压而成, ,而不而不 是采用一整块硅钢是采用一整块硅钢, ,这是为了这是为了 ( () ) A.A.增大涡流增大涡流, ,提高变压器的效率提高变压器的效率 B.B.减小涡流减小涡流, ,提高变压器的效率提高变压器的

11、效率 C.C.增大涡流增大涡流, ,减小铁芯的发热量减小铁芯的发热量 D.D.减小涡流减小涡流, ,减小铁芯的发热量减小铁芯的发热量 【解析【解析】选选B B、D D。涡流的主要效应之一就是发热。涡流的主要效应之一就是发热, ,而变而变 压器的铁芯发热压器的铁芯发热, ,是我们不希望出现的是我们不希望出现的, ,所以不采用整所以不采用整 块硅钢块硅钢, ,而采用薄硅钢片叠压在一起而采用薄硅钢片叠压在一起, ,目的是减小涡流目的是减小涡流, , 减小铁芯的发热量减小铁芯的发热量, ,进而提高变压器的效率。故选项进而提高变压器的效率。故选项B B、 D D正确。正确。 2.(2.(多选多选) )下

12、列哪些措施是为了防止涡流的危害下列哪些措施是为了防止涡流的危害 ( () ) A.A.电磁炉所用的锅要用平厚底金属锅电磁炉所用的锅要用平厚底金属锅 B.B.磁电式电表的线圈常常用铝框做骨架磁电式电表的线圈常常用铝框做骨架, ,把线圈绕在铝把线圈绕在铝 框上框上 C.C.变压器的铁芯不做成整块变压器的铁芯不做成整块, ,而是用许多电阻率很大的而是用许多电阻率很大的 硅钢片叠合而成硅钢片叠合而成 D.D.变压器的铁芯每片硅钢片表面有不导电的氧化层变压器的铁芯每片硅钢片表面有不导电的氧化层 【解析【解析】选选C C、D D。电磁炉是采用电磁感应原理。电磁炉是采用电磁感应原理, ,在金属在金属 锅上产

13、生涡流锅上产生涡流, ,使锅体发热从而加热食物的使锅体发热从而加热食物的, ,属于涡流属于涡流 的应用的应用, ,故故A A不符合题意不符合题意; ;磁电式电表的线圈常常用铝框磁电式电表的线圈常常用铝框 做骨架做骨架, ,起到电磁阻尼作用起到电磁阻尼作用, ,是为了利用电磁感应是为了利用电磁感应, ,故故B B 不符合题意不符合题意; ;变压器的铁芯不做成整块变压器的铁芯不做成整块, ,而是用许多电而是用许多电 阻率很大的硅钢片叠合而成阻率很大的硅钢片叠合而成, ,是为了减小变压器铁芯内是为了减小变压器铁芯内 产生的涡流产生的涡流, ,属于涡流的防止属于涡流的防止, ,故故C C正确正确; ;

14、变压器的铁芯变压器的铁芯 每片硅钢片表面有不导电的氧化层每片硅钢片表面有不导电的氧化层, ,是为了减小变压器是为了减小变压器 铁芯内产生的涡流铁芯内产生的涡流, ,属于涡流的防止属于涡流的防止, ,故故D D正确正确; ;故选故选C C、 D D。 3.3.金属探测器是用来探测金属的仪金属探测器是用来探测金属的仪 器器, ,关于其工作原理关于其工作原理, ,下列说法中正确的是下列说法中正确的是( () ) A.A.探测器内的探测线圈会产生稳定的磁场探测器内的探测线圈会产生稳定的磁场 B.B.只有有磁性的金属物才会被探测器探测到只有有磁性的金属物才会被探测器探测到 C.C.探测到金属物是因为金属

15、物中产生了涡流探测到金属物是因为金属物中产生了涡流 D.D.探测到金属物是因为探测器中产生了涡流探测到金属物是因为探测器中产生了涡流 【解析【解析】选选C C。金属探测器探测金属时。金属探测器探测金属时, ,探测器内的探探测器内的探 测线圈会产生变化的磁场测线圈会产生变化的磁场, ,被测金属中感应出涡流被测金属中感应出涡流, ,故故 选项选项A A、D D错误错误,C,C正确正确; ;所有的金属都能在变化的磁场中所有的金属都能在变化的磁场中 产生涡流产生涡流, ,所以不一定是只有有磁性的金属物才会被探所以不一定是只有有磁性的金属物才会被探 测器探测到测器探测到, ,选项选项B B错误错误; ;

16、故选故选C C。 二电磁阻尼和电磁驱动二电磁阻尼和电磁驱动 考查角度考查角度1 1 电磁阻尼电磁阻尼 【典例【典例1 1】(2017(2017全国卷全国卷)扫描隧扫描隧 道显微镜道显微镜(STM(STM) )可用来探测样品表面可用来探测样品表面 原子尺度上的形貌原子尺度上的形貌, ,为了有效隔离外为了有效隔离外 界振动对界振动对STMSTM的扰动的扰动, ,在圆底盘周边沿其径向对称地安在圆底盘周边沿其径向对称地安 装若干对紫铜薄板装若干对紫铜薄板, ,并施加磁场来快速衰减其微小振动并施加磁场来快速衰减其微小振动, , 如图所示。无扰动时如图所示。无扰动时, ,按下列四种方案对紫铜薄板施加按下列

17、四种方案对紫铜薄板施加 恒磁场恒磁场; ;出现扰动后出现扰动后, ,对于紫铜薄板上下及左右振动的对于紫铜薄板上下及左右振动的 衰减最有效的方案是衰减最有效的方案是( () )世纪金榜导学号世纪金榜导学号 【正确解答【正确解答】选选A A。衰减的原理是当紫铜薄板上下及左。衰减的原理是当紫铜薄板上下及左 右振动时右振动时, ,均在紫铜薄板内产生感应电流均在紫铜薄板内产生感应电流, ,薄板受到安薄板受到安 培力作用阻碍其运动。只有培力作用阻碍其运动。只有A A选项中当紫铜薄板上下及选项中当紫铜薄板上下及 左右振动时左右振动时, ,板中均会产生感应电流。板中均会产生感应电流。 考查角度考查角度2 2

18、电磁驱动电磁驱动 【典例【典例2 2】( (多选多选)(2015)(2015全国卷全国卷) 18241824年年, ,法国科学家阿拉果完成了法国科学家阿拉果完成了 著名的著名的“圆盘实验圆盘实验”。实验中将一。实验中将一 铜圆盘水平放置铜圆盘水平放置, ,在其中心正上方在其中心正上方 用柔软细线悬挂一枚可以自由旋转的磁针用柔软细线悬挂一枚可以自由旋转的磁针, ,如图所示。如图所示。 实验中发现实验中发现, ,当圆盘在磁针的磁场中绕过圆盘中心的竖当圆盘在磁针的磁场中绕过圆盘中心的竖 直轴旋转时直轴旋转时, ,磁针也随着一起转动起来磁针也随着一起转动起来, ,但略有滞后。但略有滞后。 下列说法正确

19、的是下列说法正确的是世纪金榜导学号世纪金榜导学号( () ) A.A.圆盘上产生了感应电动势圆盘上产生了感应电动势 B.B.圆盘内的涡电流产生的磁场导致磁针转动圆盘内的涡电流产生的磁场导致磁针转动 C.C.在圆盘转动的过程中在圆盘转动的过程中, ,磁针的磁场穿过整个圆盘的磁磁针的磁场穿过整个圆盘的磁 通量发生了变化通量发生了变化 D.D.圆盘中的自由电子随圆盘一起运动形成电流圆盘中的自由电子随圆盘一起运动形成电流, ,此电流此电流 产生的磁场导致磁针转动产生的磁场导致磁针转动 【正确解答【正确解答】选选A A、B B。由于磁针位于圆盘的正上方。由于磁针位于圆盘的正上方, ,所所 以穿过圆盘的磁

20、通量始终为零以穿过圆盘的磁通量始终为零, ,故故C C错误错误; ;如果将圆盘看如果将圆盘看 成由沿半径方向的成由沿半径方向的“辐条辐条”组成组成, ,则圆盘在转动过程则圆盘在转动过程 中中,“,“辐条辐条”会切割磁感线产生感应电动势会切割磁感线产生感应电动势, ,在圆盘中在圆盘中 产生涡电流产生涡电流, ,该涡电流产生的磁场导致磁针运动该涡电流产生的磁场导致磁针运动, ,故故A A、 B B正确正确; ;同时圆盘中的自由电子随圆盘一起转动形成电同时圆盘中的自由电子随圆盘一起转动形成电 流流, ,该电流对磁针没有作用力该电流对磁针没有作用力,D,D错误。错误。 【核心归纳【核心归纳】 电磁阻尼

21、电磁阻尼电磁驱动电磁驱动 不不 同同 点点 成成 因因 由导体在磁场中运动由导体在磁场中运动 形成的形成的 由磁场运动而形成的由磁场运动而形成的 效效 果果 安培力方向与导体运安培力方向与导体运 动方向相反动方向相反, ,为阻力为阻力 安培力方向与导体运动方向安培力方向与导体运动方向 相同相同, ,为动力为动力 能能 量量 转转 化化 克服安培力做功克服安培力做功, ,其他其他 形式的能转化为电能形式的能转化为电能, , 最终转化为内能最终转化为内能 磁场能转化为电能磁场能转化为电能, ,通过安通过安 培力做功培力做功, ,电能转化为导体电能转化为导体 的机械能的机械能 电磁阻尼电磁阻尼电磁驱

22、动电磁驱动 共同点共同点 两者都是电磁感应现象两者都是电磁感应现象, ,导体受到的安培力都是阻导体受到的安培力都是阻 碍导体与磁场间的相对运动碍导体与磁场间的相对运动 【特别提醒【特别提醒】 (1)(1)电磁阻尼、电磁驱动都是电磁感应现象电磁阻尼、电磁驱动都是电磁感应现象, ,都遵循楞都遵循楞 次定律。次定律。 (2)(2)电磁阻尼、电磁驱动现象中安培力的作用效果都是电磁阻尼、电磁驱动现象中安培力的作用效果都是 阻碍相对运动阻碍相对运动, ,应注意电磁驱动中阻碍的结果应注意电磁驱动中阻碍的结果, ,导体的导体的 运动速度仍要小于磁场的运动速度。运动速度仍要小于磁场的运动速度。 【过关训练【过关

23、训练】 1.1.如图所示如图所示, ,在在O O点正下方有一个具有理想边界的磁场点正下方有一个具有理想边界的磁场, , 铜环在铜环在A A点由静止释放向右摆至最高点点由静止释放向右摆至最高点B B。不考虑空气。不考虑空气 阻力阻力, ,则下列说法正确的是则下列说法正确的是( () ) A.AA.A、B B两点在同一水平线上两点在同一水平线上 B.AB.A点高于点高于B B点点 C.AC.A点低于点低于B B点点 D.D.铜环将做等幅摆动铜环将做等幅摆动 【解析】【解析】选选B B。铜环进出磁场时。铜环进出磁场时, ,产生感应电流产生感应电流, ,机械能机械能 要损耗要损耗, ,所以所以B B点

24、应该低于点应该低于A A点。点。 2.2.如图所示如图所示, ,蹄形磁铁和矩形线圈均可绕竖直轴蹄形磁铁和矩形线圈均可绕竖直轴OOOO转转 动动, ,当从上往下看磁铁做逆时针转动后当从上往下看磁铁做逆时针转动后, ,则则( () ) A.A.线圈将逆时方向转动线圈将逆时方向转动, ,转速与磁铁相同转速与磁铁相同 B.B.线圈将逆时方向转动线圈将逆时方向转动, ,转速比磁铁小转速比磁铁小 C.C.线圈将逆时方向转动线圈将逆时方向转动, ,转速比磁铁大转速比磁铁大 D.D.线圈仍将静止线圈仍将静止 【解析【解析】选选B B。当转动磁铁时。当转动磁铁时, ,导致线圈的磁通量发生导致线圈的磁通量发生 变

25、化变化, ,从而产生感应电流从而产生感应电流, ,产生安培力产生安培力, ,导致线圈与磁铁导致线圈与磁铁 转动方向相同转动方向相同, ,线圈的转速一定比磁铁转速小线圈的转速一定比磁铁转速小,B,B正确、正确、 A A、C C、D D错误。错误。 3.3.如图所示如图所示, ,用丝线悬挂闭合金属环用丝线悬挂闭合金属环, ,悬于悬于O O点点, ,第一种第一种 情况是虚线左边有匀强磁场情况是虚线左边有匀强磁场, ,右边没有磁场。第二种情右边没有磁场。第二种情 况是整个空间都有向外的匀强磁场况是整个空间都有向外的匀强磁场, ,金属环的摆动情况金属环的摆动情况 是是( () ) A.A.两种情况都经过

26、相同的时间停下来两种情况都经过相同的时间停下来 B.B.第一种情况先停下来第一种情况先停下来 C.C.第二种情况先停下来第二种情况先停下来 D.D.无法确定无法确定 【解析【解析】选选B B。只有左边有匀强磁场。只有左边有匀强磁场, ,金属环在穿越磁金属环在穿越磁 场边界时场边界时, ,由于磁通量发生变化由于磁通量发生变化, ,环内一定会有感应电环内一定会有感应电 流产生流产生, ,根据楞次定律将会阻碍相对运动根据楞次定律将会阻碍相对运动, ,所以摆动会所以摆动会 很快停下来很快停下来, ,这就是电磁阻尼现象。也可以用能量守恒这就是电磁阻尼现象。也可以用能量守恒 来解释来解释: :既然有电流产

27、生既然有电流产生, ,就一定有一部分机械能向电就一定有一部分机械能向电 能转化能转化, ,最后电能通过导体转化为内能。若空间都有匀最后电能通过导体转化为内能。若空间都有匀 强磁场强磁场, ,穿过金属环的磁通量不变化穿过金属环的磁通量不变化, ,因此不产生感应因此不产生感应 电流电流, ,也就不会阻碍相对运动也就不会阻碍相对运动, ,摆动就不会很快停下来。摆动就不会很快停下来。 故选故选B B。 【拓展例题【拓展例题】考查内容考查内容: :涡流现象在日常生活中的应用涡流现象在日常生活中的应用 【典例【典例】如图为电磁灶如图为电磁灶, ,是采用磁场感应涡流原理是采用磁场感应涡流原理, ,它它 利用

28、高频的交流电通过环形线圈利用高频的交流电通过环形线圈, ,从而产生无数封闭磁从而产生无数封闭磁 感线感线, ,当磁感线通过导磁当磁感线通过导磁( (如如: :铁质锅铁质锅) )的底部的底部, ,而底部可而底部可 看做由无数个导体圆环构成看做由无数个导体圆环构成, ,当穿过圆环的磁通量发生当穿过圆环的磁通量发生 变化时变化时, ,圆环上就产生感应电流圆环上就产生感应电流, ,即小涡流即小涡流( (一种交变电一种交变电 流流, ,家用电磁炉使用的是家用电磁炉使用的是151530 kHz30 kHz的高频电流的高频电流) )。它。它 和普通电流一样要放出焦耳热和普通电流一样要放出焦耳热, ,会使锅体

29、本身自行高速会使锅体本身自行高速 发热发热, ,然后再加热锅内食物。然后再加热锅内食物。 (1)(1)为什么锅体必须是导磁性材料为什么锅体必须是导磁性材料? ? (2)(2)如图所示为电磁灶的结构示意图。电磁灶是根据涡如图所示为电磁灶的结构示意图。电磁灶是根据涡 流原理给锅加热的流原理给锅加热的, ,调查研究电磁灶与一般烹饪灶具比调查研究电磁灶与一般烹饪灶具比 较具有哪些优点较具有哪些优点?(?(写出两条即可写出两条即可) ) 【解析【解析】(1)(1)由于非导磁性材料不能有效汇聚磁感线由于非导磁性材料不能有效汇聚磁感线, , 几乎不能形成涡流几乎不能形成涡流, ,所以基本上不加热所以基本上不加热; ;另外另外, ,导电能力导电能力 特别差的磁性材料由于其电阻率太高特别差的磁性材料由于其电阻率太高, ,产生的涡流电流产生的涡流电流 也很小也很小, ,也不能很好地产生热量。所以也不能很好地产生热量。所以, ,电磁灶使用的电磁灶使用的 锅体材料导电性能相对较好锅体材料导电性能相对较好, ,一般采用铁磁性材料的金一般采用铁磁性材料的金 属或