互感和自感 涡流 电磁阻尼和电磁驱动【人教版】【学案】

课时33互感和自感涡流电磁阻尼和电磁驱动

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上课时，老师拿来了一个如图33－1甲所示的老式日光灯的镇流器，并用两节干电池作电源，按图33－1乙所示连接好电路．接着，老师问谁敢上来用手抓a、b两个接线头．胆大的李明心想：这有什么可怕的！两节干电池串起来，也不过是3V的电压．于是他大胆地走上讲台，按照老师的指点，用两手分别抓住a、b两个接线头．老师问他有什么感觉，李明笑着说：“什么感觉也没有．”于是，老师断开开关S，只听见李明“哎哟”地尖叫了一声，并立即松开手．

图33－1

请你思考：

1．李明发出尖叫声的原因是什么？

2．镇流器在日光灯电路中的作用是什么？

基础梳理基本要求1．知道互感现象是一种常见的电磁感应现象2．知道自感现象是由于通过导体自身的电流发生变化而产生的电磁感应现象，知道自感系数的单位3．了解涡流产生的原因，知道涡流的本质是感应电流4．了解电磁阻尼和电磁驱动现象发展要求1．理解自感电动势的作用，会解释自感现象2．知道决定自感系数的因素3．了解自感现象的利弊以及对应的利用和防止4．了解涡流的应用和减小涡流危害的方法

知识精析

一、互感现象

1．现象：一个线圈中的电流变化时，所产生的变化的磁场使另一线圈中的磁通量变化而产生的电磁感应现象．

2．应用：变压器、无线电接收等．

3．防止：相互靠近的两个电路之间的互感会影响各自的正常工作，需设法减小或消除．

二、自感

1．现象：由于导体本身的电流发生变化而产生的电磁感应现象，叫自感现象．

2．原理当通过导体线圈(或回路)自身的电流发生变化时，该电流的磁场也发生变化，因而线圈内磁通量发生变化，产生电磁感应现象．因此，自感现象只是电磁感应现象的一种特殊情形，仍遵循电磁感应规律．

3．自感电动势：正比于自感电动势、正比于电流的变化式ε=

4．自感系数(L)：由线圈的匝数、大小、形状和铁芯决定．单位：亨利，1H＝1V·s/A

1H＝103

mH＝106

μH

5．特点：自感电动势总是阻碍线圈中电流的变化．

6．通电自感如图33－2所示，电路中两灯泡L1、L2完全相同，闭合开关S后，调节R可使L1、L2的亮度相同．断开开关S，重新闭合后发现灯泡L2立即发光，而灯泡L1则是逐渐亮起来的．图33－2开关S闭合的瞬间，灯泡L2的两端立即有电压，L2立即发光；而灯泡L1与线圈L串联，在接通电路的瞬间，电路中电流增大，穿过线圈L的磁通量随之增大，根据电磁感应的知识可知，线圈中将产生感应电动势，这个感应电动势阻碍线圈中电流的增大．由于这种阻碍作用使通过L1的电流逐渐增大，故灯泡L1是逐渐亮起来的．

7．断电自感如图33－3所示，灯泡L1、L2正常发光．断开开关S的瞬间，灯泡L2立即熄灭，灯泡L1没有立即熄灭，反而会比原来更亮地闪一下(L的电阻小于L1的电阻时才会闪一下，为什么？)再慢慢变暗．

图33－3断开开关S的瞬间，通过线圈的电流减弱，穿过线圈的磁通量减少，线圈中产生的感应电动势阻碍原电流的减小，使原电流逐渐减小，这一电流经过L1所在的回路，使L1不会立即熄灭，而是比原来更亮地闪一下后再逐渐熄灭．

三、涡流

1．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．

2．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……

3．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．

四、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．“磁悬浮列车利用涡电流减速”其实也是一种电磁阻尼．

五、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．

方法探究

一、自感问题

例1

如图33－4所示，电阻R的阻值和电感线圈的自感系数都较大，电感线圈的电阻不计，Q1、Q2是两只完全相同的灯泡，当开关S闭合时，下列情况可能发生的是(

)

图33－4

A．Q2比Q1先亮，然后Q2熄灭

B．Q1比Q2先亮，然后Q1熄灭

C．Q1、Q2一起亮，然后Q1熄灭

D．Q1、Q2一起亮，然后Q2熄灭

解析

当S闭合的瞬间，L支路中的电流从无到有发生变化，因此在L中产生自感电动势阻碍电流增加．由于自感系数很大，对电流的阻碍作用很强，所以在接通S后极短的时间里L中的电流几乎为零，可以将L支路看成断路，故Q1、Q2同时发光．由于L中的电流从无到有很快稳定，感应电动势消失，L相当于一根无电阻的导线将Q2短路，所以最终Q2灯熄灭．故选项D正确．

答案

D

点评

通过自感线圈的电流增大，自感电动势的方向与电流的方向相反，阻碍电流增大．

例2

在如图33－5甲、乙所示的电路中，电阻R和自感线圈L的电阻都小于灯泡的电阻，闭合S使电路达到稳定，灯泡Q发光．下列说法正确的是(

)

图33－5

A．在电路甲中，断开S后，Q将渐渐变暗

B．在电路甲中，断开S后，Q将先变得更亮，然后渐渐变暗

C．在电路乙中，断开S后，Q将渐渐变暗

D．在电路乙中，断开S后，Q将先变得更亮，然后渐渐变暗

解析

在电路甲中，设通过线圈L的电流为IL甲，通过Q及R的电流为IQ甲和IR甲，同理，设电路乙中通过L、Q、R的电流分别为IL乙、IQ乙、IR乙．很明显，IL甲＝IQ甲，IL乙＞IQ乙．当断开S时，线圈L相当于电源，产生了自感电动势，在L、R、Q组成的回路中产生自感电流．在电路甲中，自感电流从IL甲逐渐减小，灯泡Q逐渐变暗；在电路乙中，自感电流从IL乙逐渐减小，因为IL乙＞IQ乙，所以灯泡Q先变得更亮，再渐渐变暗．选项A、D正确．

答案

AD

点评

要考虑到甲、乙两电路的区别．甲电路中灯泡Q和自感线圈L串联在一起，通过两者的电流大小一样；而乙电路中稳定时，通过L的电流要大于通过灯泡Q的电流．当断开S时，L中产生自感电动势，L、Q、R组成新的回路．在这个回路中，对甲、乙两电路而言，因线圈的始态电流不同，自感电动势不同，所以灯泡上电流的变化情况也不同．

变式训练

在如图33－6所示的电路中，三个相同的灯泡Q1、Q2、Q3和电感L1、L2与直流电源连接，电感的电阻忽略不计．开关S从闭合状态突然断开时，下列判断正确的有[2008年高考·江苏物理卷](

)

图33－6

A．Q1先变亮，然后逐渐变暗

B．Q2先变亮，然后逐渐变暗

C．Q3先变亮，然后逐渐变暗

D．Q2、Q3都逐渐变暗

解析

本题重点考查自感现象．开关S闭合时，设通过每个灯泡的电流都为I，则通过电感L1的电流为2I，通过电感L2的电流为I；断开开关S的瞬间，电感中的电流i突然减小，三个灯泡均处于回路中，故通过Q2、Q3的电流由i逐渐减小，选项B、C均错误，D正确．每个电感线圈中产生的感应电动势均加载于灯泡Q1，所以选项A正确．

答案

AD

二、涡流、电磁阻尼与电磁驱动

例3

如图33－7所示，a是一正方形小金属片，用一根绝缘细杆将其挂在固定点O，使其绕O点来回摆动，穿过水平方向的匀强磁场区域．已知磁感线方向跟线框平面垂直，若悬点摩擦和空气阻力均不计，则(

)图33－7

A．金属片进入或离开磁场区域时，都产生感应电流，而且电流方向相反

B．金属片进入磁场区域后越靠近OO′时速度越大，因而产生的感应电流也越大

C．金属片开始摆动后，摆角会越来越小，摆角小到某一值后将不再减小

D．金属片在摆动过程中，机械能会完全转化为金属片的电能

解析

金属片进出磁场区域时，由楞次定律知，产生的涡流为逆时针方向，金属片从磁场中出来时产生顺时针方向的涡流．金属片完全进入磁场中后磁通量不再变化，故无涡流产生．故选项A正确、B错误．金属片进出磁场的过程，机械能转化成电能再转化为热能，故摆动幅度逐渐减小．当金属片全部在磁场区域内部摆动时，没有感应电流产生，故机械能守恒，振幅不变．

答案

AC

互动平台

粗心同学和细心同学关于自感系数的对话

粗心：自感现象中自感系数的大小决定了自感电动势的大小．

细心：自感现象中，对同一线圈，自感电动势的大小完全由电流变化的快慢(即)决定；对不同的线圈，在电流变化快慢相同的情况下，产生的自感电动势不同，电学中用自感系数L反映线圈的这种特性．

粗心：那L与哪些因素有关呢？与有关系吗？

细心：自感系数是线圈本身的特性量(类似电阻器的电阻、电容器的电容)，它与外界因素是无关的，只与线圈本身的形状、长短、匝数及有无铁芯等因素有关．线圈的横截面积越大，线圈越长，匝数越多，它的自感系数就越大．另外，对同一线圈，有铁芯的比无铁芯的自感系数大很多．

粗心：还是你理解得全面，真佩服你！育才老师和细心同学关于电磁炉的对话

细心：上次去火锅城吃饭，发现汤锅放在一非金属平台上，接电后不但见不着火，连锅下的平台都不处于高温状态，为何锅内的汤一会儿就沸腾？

育才：电磁炉作为厨具市场的一种新型灶具打破了传统的明火烹调方式，而采用磁感应电流(又称为涡流)的加热原理．电磁炉是通过电子线路板产生交变磁场．当用含铁质的锅具底部放置炉面时，锅底的磁通量周期性变化使得锅具底部金属部分产生涡流，涡流使锅具铁分子高速无规则运动，分子互相碰撞、摩擦而产生热能(故：电磁炉煮食的热源来自锅具底部而不是电磁炉本身发热传导给锅具，所以热效率要比所有炊具的效率均高出近1倍)使器具本身自行高速发热，用来加热和烹饪食物，从而达到煮食的目的．

电磁炉具有升温快、热效率高、无明火、无烟尘、无有害气体、对周围环境不产生热辐射、体积小巧、安全性好和外观美观等优点，能完成家庭的绝大多数烹饪任务．因此，在电磁炉较普及的一些国家里，人们誉之为“烹饪之神”和“绿色炉具”．

细心：哦，明白了！高中物理与我们的生活联系真紧密．

互动训练

1．如图所示，在光滑绝缘的水平面上有一铝质圆形金属球以一定的初速度通过有界匀强磁场，则从球开始进入磁场到完全穿出磁场过程中（磁场宽度大于金属球的直径)，小球(

)

A．整个过程都做匀速运动

B．进入磁场过程中做减速运动,穿出过程中做加速运动

C．整个过程都做匀减速运动

D．穿出时的速度一定小于初速度

解析铝球中产生涡流，球的能量要损失．由于沿磁铁中线运动，因此感应电流所受安培力不会使球的运动方向发生偏离，只是进入的过程和出来的两小段过程做减速运动．

答案

D

2．在如图甲、乙所示的电路中，R和自感线圈L的电阻都很小，接通开关S，使电路达到稳定，灯泡L1发光．下列说法正确的是(

)

A．在电路甲中，断开S，L1将渐渐变暗

B．在电路甲中,断开S，L1