47涡流、电磁阻尼和电磁驱动

七、涡流电磁阻尼和电磁驱动学案【学习目标】清楚涡流产生的原理，通过对涡流实例的分析，了解涡流的应用和防止。（重点）通过对电磁阻尼和电磁驱动的实例分析，了解电磁阻尼和电磁驱动及其应用。（难点）培养用理论知识解决实际问题的能力。TOC\o"1-5"\h\z［要点导学］ x\X1、涡流 ）f涡流的产生机理：处在磁场中的导体，只要磁场变化就会引起导体中的 I磁通量的变化，导体中就有感应电动势，这一电动势在导体内部构成回路，导 / '体内就有感应电流，因为这种电流像水中的旋涡，所以称为涡流。在大块的金 1 '属内部，由于金属块的电阻很小，所以涡电流很大，能够产生很大的热量。严格地说，在变化的磁场中的一切导体内都有涡流产生，只是涡电流的大小有区别，以至一些微弱的涡电流就被我们忽视了。涡流的利用：利用高频真空冶炼炉冶炼高纯度的金属；用探测器探测地雷、探测地下电缆也是利用涡流的工作原理；利用涡电流可以治疗疾病；利用涡流探伤技术可以检测导电物体上的表面和近表面缺陷、涂镀层厚度和热处理质量（如淬火透入深度、硬化层厚度、硬度等）还有上海的磁悬浮列车是利用涡电流减速的……涡流的防止：防止涡流的主要途径是增大在变化的磁场中使用的金属导体的电阻：一是选用电阻率大的材料，二是把导体制作成薄片，薄片与薄片之间用绝缘材料相隔，这样增大电阻减小因涡电流损失的能量。例题一.下列做法中可能产生涡流的是（）把金属块放在匀强磁场中 B.让金属块在匀强磁场中匀速运动C.让金属块在匀强磁场中做变速运动 D.把金属块放在变化的磁场中答案D解析涡流就是整个金属块中产生的感应电流，所以产生涡流的条件就是在金属块中产生感应电流的条件，即穿过金属块的磁通量发生变化.而A、B、C中磁通量不变化，所以A、B、C错误；把金属块放在变化的磁场中时，穿过金属块的磁通量发生了变化，有涡流产生，所以D项正确.例题二已知某一区域的地下埋有一根与地表面平行的直线电缆，电缆中通有变化的电流，在其周围有变化的磁场，因此可以通过在地面上测量闭合试探小线圈中的感应电动势来探测电缆的确切位置、走向和深度。当线圈平面平行地面测量时，在地面上a、c两处测得试探线圈中的电动势为零，b、d两处线圈中的电动势不为零；当线圈平面与地面成45°夹角时，在b、d两处测得试探线圈中的电动势为零。经过 ,——二测量发现，a、b、c、d恰好位于边长为1米的正方形的四个顶角上，如图所示。据此可以判定地下电缆在 两点连线的正下方，离地匕一丁"檎L表面的深度为 米。解析这里的探测线圈就是应用涡电流的原理制造的。直线电缆产生的磁场的磁感应线是一系列以直线电缆为圆心的同心圆。线圈中无感应电动势时，线圈中磁通量不变，线圈一定是与某一同心圆相切。因当线圈平面平行地面测量时，在地面上a、c两处测得试探线圈中的电动势

为零，b、d两处线圈中的电动势不为零，就可以知道a、c两点在电缆线的正上方（见图4-7-2甲）。当线圈平面与地面成45。夹角时，在b、d两处测得试探线圈中的电动势为零，则可知b、d两点与电缆线的相对位置如图4-7-2乙所示。所以电缆线在a、c两点的正下方。又因为a、b、c、d恰由图4-7-2乙可知电缆线的深度为好位于边长为1由图4-7-2乙可知电缆线的深度为J]/2m=0.71m。拓展地下电缆线中的电流变化的情况比较复杂，当小线圈所在平面与电缆线产生的磁感线相切时，穿入线圈的磁感线数目与穿出线圈的磁感线数目一定相等，小线圈中的磁通量恒为零，所以小线圈中的感应电动势为零。 一一跟随训练 1.如图所示，在一个绕有线圈的可拆变压器铁芯上分别放 J二二；—一小铁锅水和一玻璃杯水.给线圈通入电流，一段时间后，一个容器中水温上二，升高，则通入的电流与水温升高的是（）恒定直流、小铁锅 B.恒定直流、玻璃杯 』C.变化的电流、小铁锅D.变化的电流、玻璃杯知识点：涡流是在导体内产生的，而且穿过回路的磁通量必须是变化的，此题能说明电磁炉的原理.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，关于其工作原理，以下说法正确的是（）人身上携带的金属物品会被地磁场磁化，在线圈中产生感应电流人体在线圈交变电流产生的磁场中运动，产生感应电动势并在金属物品中产生感应电流线圈产生的交变磁场会在金属物品中产生交变的感应电流金属物品中感应电流产生的交变磁场会在线圈中产生感应电流知识点：金属探测利用了涡流的磁效应.2、电磁阻尼导体与磁场相对运动时，感应电流受到的安培力总是阻碍它们的相对运动，利用安培力阻碍导体与磁场间的相对运动就是电磁阻尼，磁电式仪表的指针能够很快停下，就是利用了电磁阻尼。上面提到的“磁悬浮列车利用涡电流减速”其实也是一种电磁阻尼。例题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,"接时把蹄形磁铁的两极放在铜盘边缘，但并不与铜盘接触，如图3所示，铜盘就能'、'"[-、、、在较短时间内停止转动，分析这个现象产生的原因.解析铜盘转动时如果加上磁场，则在铜盘中产生涡流，磁场对这个涡流 “料的作用力阻碍它的转动，故在较短的时间内铜盘停止转动.点评当导体在磁场中运动时，导体中的感应电流受到安培力的作用阻碍导体运动，即安

培力为电磁阻尼的阻力. …2.如图所示，是称为阻尼摆的示意图，在轻质杆上固定一金属薄片， /厂轻质杆可绕上端O点为轴在竖直面内转动，一有界磁场垂直于金属薄片所V）［在的平面.使摆从图中实线位置释放，摆很快就会停止摆动；若将摆改成IXXXXXXX|梳齿状，还是从同一位置释放，摆会摆动较长的时间.试定性分析其原因.ix_xx_x_x_xxj解析第一种情况下，阻尼摆进入有界磁场后，在金属薄片中会形成涡流，涡流使金属薄片受安培力的作用，阻碍其相对运动，所以会很快停下来；第二种情况下，将金属摆改成梳齿状，阻断了涡流形成的回路，从而减弱了涡流，受到安培力的阻碍会比先前小得多，所以会摆动较长的时间.点评防止电磁阻尼的途径为阻止或减弱涡流的产生.3、电磁驱动导体与磁场相对运动时，感应电流受到的安培力总是阻碍它们的相对运动，应该知道安培力阻碍磁场与导体的相对运动的方式是多种多样的。当磁场以某种方式运动时（例如磁场转动），导体中的安培力为阻碍导体与磁场间的相对运动使导体跟着磁场动起来（跟着转动），这就是电磁驱动。其实不管是“电磁阻尼”还是“电磁驱动”，都是利用了楞次定律中的“阻碍”两个字。例题1.如图所示，让一金属圆盘接近磁铁的两极，但不接触，使磁铁转动，圆盘也会跟着转动，这种现象称为“电磁驱动”，请你说明电磁驱动的原理.解析当蹄形磁铁转动时，圆盘上不同位置的磁通量发生变化，因而 、/;圣］V圆盘中会有涡流形成，该涡流的磁场阻碍磁通量的变化，使圆盘随着磁铁 百圣］一起转动，但圆盘转动速度比磁铁慢.点评电磁驱动的驱动力是涡流受到的安培力.跟随训练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以初速度v水平穿过，如图6所示，在此过程中（）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［能力训练］用来冶炼合金钢的真空，炉外有 ，线圈中通入电流，炉内的金属中产生 .涡流产生的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 中进行，这样就能防进入金属，可以冶炼高质量的..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从地面扫过，线圈中有的电流.如果地下埋着，金属中会感应出，涡流的—又会反过来影响线圈中的，使仪器报警・考试用的金属探测器也是用此原理制成的。4、下列应用哪些与涡流有关（ ）A、高频感应冶炼炉 B、汽车的速度表C、家用电度表D、家用电磁炉5、 关于涡流现象及其应用的说法，正确的是A.电磁炉应用涡流发热 B.由恒定直流电可以产生涡流C.生产和生活中的涡流总是有益的 D.产生涡流时，热能转化为电能6.同样大小的整块金属和叠合的硅钢片铁芯放在同一变化的磁场中相比较（ ）A・金属块中的涡流较大，热功率也较大 B・硅钢片中涡流较大，热功率也较大C金属块中涡流较大，硅钢片中热功率较大D.硅钢片中涡流较大，金属块中热功率较大7.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，以减小发热量8、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，感应电流通过焊缝处产生大量热量，将金属熔化，把工件焊接在一起，而工件其它部分发热很少，以下说法正确的是（） 焊缝处TOC\o"1-5"\h\z交流电的频率越高，焊缝处的温度升高得越快 接 金,交流电的频率越低，焊缝处的温度升高得越快 1 厂计待焊接工件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 10 线圈导线工件上只有焊缝处温度升得很高是因为焊缝处的电阻大9.如图所示，一块长方形光滑铝板水平放在桌面上，铝板右端拼接一根与铝板等厚的条形磁铁，一质量分布均匀的闭合铝环以初速度v从板的左端沿中线向右端滚动，则（ ）A.铝环的滚动速度将越来越小铝环将保持匀速滚动 qC铝环的运动将逐渐偏向条形磁铁的N极或S极 ”以以方"D・铝环的运动速率会改变，但运动方向将不会发生改变如图所示，闭合金属环从曲面上h高处滚下，又沿曲面的另一侧上升，设环的初速为零，摩擦不计，曲面处在图示磁场中，则（） *x，X%xA.若是匀强磁场，环滚上的高度小于h xt一[[~一$xB・若是匀强磁场，环滚上的高度等于h *气W*TOC\o"1-5"\h\zC若是非匀强磁场，环滚上的高度等于h ** **D.若是非匀强磁场，环滚上的高度小于h11、 如图所示，在光滑水平面上固定一条形磁铁，有一小球以一定的初速度向磁铁方向运动，如果发现小球做减速运动，则小球的材料可能是（）A.铁 B.木 C-塑料 D.铝下列现象属电磁阻尼的是，属电磁驱动的是・磁电式仪表线圈的骨架用铝框来做 &微安表的表头在运输时要把两接线框短接 a/L/b。・自制金属地雷探测器 /卜交流感应电动机 C/―°当图中B变大时，a、b在固定光滑导轨上滑动13.磁电式仪表的线圈通常用铝框当骨架，把线圈绕在铝框上，这样做的目的是（）A・防止涡流而设计的 B・利用涡流而设计的起电磁阻尼的作用 D.起电磁驱动的作用14.弹簧上端固定，下端悬挂一根磁铁.将磁铁托起到某一高度后放开，磁铁能上下振动较长时间才停下来.如图7所示，如果在磁铁下端放个固定的闭合线圈，使磁铁上下—振动时穿过它，磁铁就会很快地停下来，解释这个现象，并说明此现象中能量6转化的情况. £

2、边长为h的正方形金属导线框，从图4-7-8所示的初始位置由静止开始下落，通过一匀强磁场区域，磁场方向是水平的，且垂直于线框平面，磁场区域宽度等于比上下边界如图4-7-8中水平虚线所示，H>h，从线框开始下落到完全穿过场区的整个过程中：（）A、线框中总是有感应电流存在 B、线框受到磁场力的合力方向先向下，后向上C、线框运动的方向始终是向下的 D、线框速度的大小可能不变。2、 在闭合线圈上方有一条形磁铁自由下落，直到穿过线圈的过程中，下列说法正确的是（）A、磁铁下落过程中机械能守恒 B、磁铁的机械能增加C、磁铁的机械能减少 D、线圈增加的热量是由磁铁减少的机械能转化而来的3、 有一矩形线圈在竖直平面内由静止开始下落，磁场水平且垂直于线圈平面，当线框的下边A、匀速下落A、匀速下落B、加速下落 C、减速下落 D、匀减速下落4、如图4-7-9所示，CD、EF为足够长的光滑平行竖直金属导轨，磁感应强度B=0.5T的水平匀强磁场与导轨平面垂直，置于导轨上的导体棒MN的长等于导轨间距，其电阻等于电池内阻。电池电动势E=1.5V。回路中其余电阻不计。若仅闭合斗MN恰可静止，若仅闭合S2,则MN棒沿竖直导轨下滑过程中每秒内扫过的最大面积为多少平方米？25、如图4-7-12所示，竖直向上的匀强磁场磁感应强度B0=0.5T，以△B/△粉0.1T/s在增加。水平导轨不计电阻和摩擦阻力，宽为0.5m。在导轨上L=0.8m处搁一导体，它的电阻R。、0.1。，并且水平细绳通过定滑轮吊着质量为