第3节 自感现象与涡流

第3节自感现象与涡流核心素养点击

物理观念(1)形成自感现象和自感系数的概念。(2)了解涡流现象，知道涡流的产生、利用和危害。科学思维(1)会从法拉第电磁感应定律的视角认识自感现象。(2)通过独立思考和合作讨论的方式，形成归纳总结和质疑创新的思维。科学探究能完成“探究自感现象”的物理实验，并能分析现象得到实验结论，能根据实验中的问题提出改进措施。科学态度与责任能体会自感现象和涡流现象在生产生活中的应用与防护。一、自感现象1．填一填(1)定义：由线圈自身的

所产生的电磁感应现象。(2)通电自感和断电自感比较项目电路现象自感电动势的作用通电自感接通电源的瞬间，灯泡A1逐渐地亮起来阻碍电流的______断电自感断开开关的瞬间，灯泡A逐渐变暗，直至熄灭阻碍电流的______电流变化增加减小2．判一判(1)自感电动势的作用是阻碍导体自身电流发生变化。

()(2)当线圈中有电流时，线圈中就有自感电动势。

()(3)当线圈中电流减小时，线圈中自感电动势的方向与线圈中电流的方向相同。

(

)3．想一想断电自感现象中，为什么有的灯泡逐渐熄灭，有的灯泡闪亮后再逐渐熄灭？提示：断电前，流过灯泡的电流I1取决于灯泡两端的电压和灯泡自身的电阻，断电后，流过灯泡的电流取决于线圈中的电流，设线圈中电流断电前为I2，断电后逐渐减小，则灯泡中电流也由I2逐渐减小。所以，若I2≤I1，灯泡中电流由I2逐渐减小，灯泡逐渐变暗；若I2>I1，灯泡中电流先增大后减小，灯泡闪亮后逐渐熄灭。√√×二、自感电动势1．填一填(1)定义：由线圈自身

所产生的感应电动势。(2)意义：自感电动势总是

导体自身的电流发生变化。(3)自感系数物理意义表征产生___________本领的大小大小决定因素线圈形状、_________、

、匝数、铁芯等单位亨(H)、

、_________电流变化阻碍自感电动势横截面积长短毫亨(mH)微亨(μH)(4)拓展一步

自感电动势公式：E＝L。其中L为线圈的

，为___________。2．判一判(1)自感电动势的方向总是与原电流方向相反。

()(2)线圈中电流变化得越快，线圈的自感电动势越大。

()(3)不管电流如何变化，线圈的自感系数不变。

()自感电流变化率×√√3．选一选关于线圈的自感系数，下面说法正确的是

(

)A．线圈的自感系数越大，自感电动势一定越大B．线圈中电流等于零时，自感系数也等于零C．线圈中电流变化越快，自感系数越大D．线圈的自感系数由线圈本身的因素及有无铁芯决定解析：自感系数是线圈本身的固有属性，只决定于线圈长短、粗细、匝数、有无铁芯等因素，而与电流变化快慢等外部因素无关。自感电动势的大小与线圈自感系数及电流变化率有关，A、B、C错，D对。答案：D

三、涡流及其应用1．填一填(1)定义

由于电磁感应，在导体中产生的像旋涡一样的

电流。(2)特点

若金属的电阻率小，涡流往往

，产生的热量

。感应很强很多(3)应用

①涡流热效应：如真空冶炼炉、

。

②涡流磁效应：如探雷器、

。(4)防止

电动机、变压器和发电机等设备中应防止铁芯中涡流过大而导致浪费能量，损坏电器。

①途径一：增大铁芯材料的电阻率。

②途径二：用相互绝缘的硅钢片叠成的铁芯代替整个硅钢铁芯。电磁炉安检门2．判一判(1)涡流也是一种感应电流。

()(2)导体中有涡流时，导体本身会产热。

()(3)利用涡流制成的探雷器可以探出“石雷”。

()3．想一想

如图为安检门原理图，左边门框中有一通电线圈，右边门框中有一接收

线圈。当有人身带金属片通过安检门时，会发生什么现象？

提示：当交变电流通过线圈时，会产生迅速变化的磁场，使金属片中产生涡电流，涡电流又会产生磁场，反过来影响原来的磁场，引发探测器发出警报声。√√×探究(一)对自感现象的理解[问题驱动]如图所示，用导线制作精密仪器时，为防止自感现象的产生，往往采用双线绕法。请分析这样做的原因是什么？

提示：如图所示，由于平行导线中的电流方向相反，产生的磁场相互抵消，从而使自感现象的影响减弱到可以忽略的程度。(2)通电稳定状态：电路中电流稳定后，自感线圈相当于一段理想导线或纯电阻。(3)断电瞬间状态：电路刚断开瞬间，自感线圈相当于一个电源，对能够与它组成闭合回路的用电器供电，并且刚断开电路的瞬间通过自感线圈的电流大小和方向与电路稳定时通过自感线圈的电流大小和方向相同。4．自感现象的分析

与线圈串联的灯泡与线圈并联的灯泡电路图通电时电流逐渐增大，灯泡逐渐变亮电流突然变大，然后逐渐减小达到稳定，灯泡先变亮后逐渐变暗到某一程度达到稳定断电时电流逐渐减小灯泡逐渐变暗电流方向不变电路中稳态电流为I1、I2①若I2≤I1，灯泡逐渐变暗②若I2>I1，灯炮闪亮后逐渐变暗两种情况灯泡电流方向均改变在如图所示的电路中，L为电阻很小的线圈，G1和G2为零刻度线在表盘中央的两个相同的电流表。当开关S闭合时，电流表G1、G2的指针都偏向右方，那么当断开开关S时，将出现的现象是

(

)A．G1和G2的指针都立即回到零点B．G1的指针立即回到零点，而G2的指针缓慢地回到零点C．G1的指针缓慢地回到零点，而G2的指针先立即偏向左方，然后缓慢地回到零点D．G2的指针缓慢地回到零点，而G1的指针先立即偏向左方，然后缓慢地回到零点[解析]

当开关断开时，通过线圈的电流变小，导致线圈中产生瞬间感应电动势，从而阻碍电流的变小，所以使得G2的指针缓慢地回到零点，而G1的指针先立即偏向左方，然后缓慢地回到零点。故A、B、C错误，D正确。[答案]

D判断电流表偏转方向的方法(1)根据题目判断电流表指针与电流流向之间的关系。(2)根据自感电动势的阻碍作用判断瞬时电源的正负极，进而判断电流表的偏转方向。

[素养训练]1．(多选)下列说法正确的是

(

)A．当线圈中电流不变时，线圈中没有自感电动势B．当线圈中电流反向时，线圈中自感电动势的方向与线圈中原电流的方向相反C．当线圈中电流增大时，线圈中自感电动势的方向与线圈中原电流的方向相反D．当线圈中电流减小时，线圈中自感电动势的方向与线圈中原电流的方向相反解析：由法拉第电磁感应定律可知，当线圈中电流不变时，不产生自感电动势，选顶A正确；当线圈中电流反向时，相当于电流减小，由楞次定律可知，线圈中自感电动势的方向与线圈中原电流的方向相同，选项B错误；当线圈中电流增大时，自感电动势阻碍电流的增大，线圈中自感电动势的方向与线圈中原电流方向相反，选项C正确；当线圈中电流减小时，自感电动势阻碍电流的减小，线圈中自感电动势的方向与线圈中原电流的方向相同，选项D错误。答案：AC

解析：当开关K闭合时，电阻R被短路，导致电流增大，线圈中出现自感电动势，从而阻碍电流的增大，因电阻减小一半，根据闭合电路欧姆定律可知，电流要增大到2I，故A、B、C错误，D正确。答案：D

3．如图所示，灯泡A、B与定值电阻的阻值均为R，L是自感系数较

大的线圈，当开关S1闭合、开关S2断开且电路稳定时，A、B两灯

亮度相同，再闭合开关S2，待电路稳定后将开关S1断开，下列说

法正确的是

(

)A．B灯立即熄灭B．A灯将比原来更亮一下后熄灭C．有电流通过B灯，方向为b→aD．有电流通过A灯，方向为c→d解析：开关S1闭合、开关S2断开且电路稳定时两灯亮度相同，说明L的直流电阻为R。闭合开关S2后，L与B灯并联，R与A灯并联，它们的电流均相等。当断开开关S1后，L将阻碍自身电流的减小，即该电流还会维持一段时间，在这段时间里，因开关S2闭合，电流不可能经过A灯和R，A灯立即熄灭，只能通过B灯形成c→b→B→a→L→c的电流回路，由于自感形成的电流是在L原来电流的基础上逐渐减小的，并没有超过B灯原来电流，故B灯虽推迟一会熄灭，但不会比原来更亮，故C正确，A、B、D错误。答案：C探究(二)

通电自感和断电自感的对比[问题驱动]电焊时，焊条和金属工件分别用导线通过电焊机与电源连接。先把焊条与被焊的工件短暂接触，然后迅速提起，与工件保持4～5mm的距离，如图所示。焊接处就可以熔为一体了。(1)焊条与被焊的工件短暂接触，然后迅速提起的原因是什么？(2)焊条与工件的间距不能太大的原因是什么？提示：(1)断电自感，产生瞬时高压。(2)焊条和工件之间的间距太大，电场太弱不能产生电弧火花。

[重难释解]通电自感和断电自感的比较

通电自感断电自感自感电路器材规格A1、A2灯同规格，R＝RL1，L1的自感系数较大L2的自感系数很大(有铁芯)自感现象在S闭合瞬间，A2灯立即亮起来，A1灯逐渐变亮，最终一样亮在开关S断开时，A灯渐渐熄灭

通电自感断电自感产生原因开关S闭合时，流过线圈L1的电流迅速增大，使线圈L1产生自感电动势，阻碍电流的增大，流过A1灯的电流比流过A2灯的电流增大得慢，又R＝RL1，最终流过两灯的电流一样大断开开关S时，流过线圈L2的电流减小，线圈产生自感电动势阻碍电流的减小，使电流继续存在一段时间。在S断开后，通过L2的电流会通过A灯(与原来A灯的电流方向相反)，A灯不会立即熄灭，若RL2<RA，原来的电流IL2>IA，则A灯熄灭前要闪亮一下，若RL2≥RA，原来的电流IL2≤IA，则A灯逐渐熄灭等效理解电感线圈的作用相当于一个阻值无穷大的电阻(短时间内减小为电感线圈的直流电阻)电感线圈的作用相当于一个瞬时电源(其电动势在短时间内减小为零)图1和图2是教材中演示自感现象的两个电路图，L1和L2为电感线圈。实验时，断开开关S1瞬间，灯A1突然闪亮，随后逐渐变暗；闭合开关S2，灯A2逐渐变亮，而另一个相同的灯A3立即变亮，最终A2与A3的亮度相同。下列说法正确的是

(

)A．图1中，A1与L1的电阻值相同B．图1中，闭合S1，电路稳定后，A1中电流大于L1中电流C．图2中，变阻器R与L2的电阻值相同D．图2中，闭合S2瞬间，L2中电流与变阻器R中电流相等[解题指导](1)断开S1时A1闪亮，说明断开S1前，L1中的电流大于A1中的电流。(2)闭合S2稳定后A2与A3亮度相同，说明稳定时两支路总电阻大小相等。[解析]

题图1中，稳定时通过A1的电流记为I1，通过L1的电流记为IL。S1断开瞬间，A1突然变亮，可知IL>I1，因此A1和L1电阻不相等，所以A、B错误；题图2中，闭合S2时，由于自感作用，通过L2与A2的电流I2会逐渐增大，而通过R与A3的电流I3立即变大，因此电流不相等，所以D错误；由于最终A2与A3亮度相同，所以两支路电流I相同，根据部分电路欧姆定律，两支路电压U与电流I均相同，所以两支路电阻相同。由于A2、A3完全相同，故变阻器R与L2的电阻值相同，所以C正确。[答案]

C通、断电自感现象的判断技巧(1)通电时线圈产生的自感电动势阻碍电流的增加且与电流方向相反，使电流相对缓慢地增加。(2)断电时线圈产生的自感电动势与原电流方向相同，在与线圈串联的回路中，线圈相当于电源，它提供的电流逐渐变小。(3)电流稳定时，若线圈有电阻时就相当于一个定值电阻，若不计线圈的电阻时就相当于一根导线。[素养训练]1．在如图所示的电路中，两个相同的电流表G1和G2的零点均在

刻度盘中央，当电流从“＋”接线柱流入时，指针向左摆；

当电流从“－”接线柱流入时，指针向右摆。在电路接通后再断开开关S的瞬间，下列说法中正确的是

(

)A．G1指针向右摆，G2指针向左摆B．G1指针向左摆，G2指针向右摆C．两表指针都向右摆D．两表指针都向左摆解析：当开关S闭合时，流经电感线圈L的电流方向自左向右。当断开开关S的瞬间，通过线圈L的电流将变小，根据楞次定律可知，感应电流方向与原电流方向相同，也将是自左向右流，以阻碍原电流减小的变化。这样在由L、G2、R及G1组成的闭合电路中，感应电流将从G2的负接线柱流入，因而G2的指针向右摆；感应电流将从G1的正接线柱流入，因而G1的指针向左摆，故B正确。答案：B

2．如图所示，L是电感足够大的线圈，其直流电阻可忽略不计，L1和L2是两个参数相同的灯泡，若将开关S闭合，等灯泡亮度稳定后，再断开开关S，则

(

)A．开关S闭合时，灯泡L1比L2先亮B．开关S闭合时，灯泡L1、L2同时亮，最后一样亮C．开关S闭合后，灯泡L1逐渐熄灭，灯泡L2逐渐变亮，最后保持不变D．开关S断开瞬间，灯泡L1、L2闪亮一下逐渐熄灭解析：当开关S闭合时，由于线圈对电流有阻碍作用，所以电流从两灯中流过，故两灯同时亮，随后，线圈对电流的阻碍作用逐渐减小，灯泡L1逐渐熄灭，灯泡L2逐渐变亮，最后保持不变，故C正确，A、B错误；开关S断开时，灯泡L2中电流消失，故立即熄灭，而由于线圈中产生感应电动势，灯泡L1闪亮一下后逐渐熄灭，故D错误。答案：C

探究(三)

对涡流的理解[问题驱动]某手持式考试金属探测器如图所示，它能检查出考生违规携带的电子通信储存设备。工作时，探测环中的发射线圈通以正弦式交流电流，附近的被测金属物中感应出电流，感应电流的磁场反过来影响探测器线圈中的电流，使探测器发出警报。(1)被测金属物中产生的是恒定电流吗？(2)探测器与被测金属物相对静止时为什么也能发出警报？(科学思维)提示：(1)不是，是变化的电流。(2)探测环中的发射线圈通以正弦式交流电流，被测金属物中的磁通量也是变化的，所以探测器与被测金属物相对静止时也能发出警报。

[重难释解]1．涡流的本质：电磁感应现象。2．产生涡流的两种情况(1)块状金属放在变化的磁场中。(2)块状金属进出磁场或在非匀强磁场中运动。3．产生涡流时的能量转化：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。(1)金属块放在变化的磁场中，则磁场能转化为电能，最终转化为内能。(2)如果是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。[答案]

D[素养训练]1．

(多选)

“电磁感应铝箔封口机”被广泛应用在医药、食品、化工等生产行业的产品封口环节中，如图所示为一手持式封口机，它的工作原理是：当接通电源时，内置线圈产生磁场，当磁感线穿过封口铝箔材料时，瞬间产生大量小涡流，致使铝箔自行快速发热，熔化复合在铝箔上的溶胶，从而粘贴在承封容器的封口处，达到迅速封口的目的。下列有关说法正确的是

(

)A．封口材料可用普通塑料来代替铝箔B．该封口机可用干电池作为电源以方便携带C．封口过程中温度过高，可适当减小所通电流的频率来解决D．该封口机适用于玻璃、塑料等多种材质的容器封口，但不适用于金属容器解析：由于封口机利用了电磁感应原理，故封口材料必须是金属类材料，而且电源必须是交流电，选项A、B错误；减小内置线圈中所通电流的频率可降低封口过程中产生的热量，即控制温度，选项C正确；封口材料应是金属类材料，但对应被封口的容器不能是金属，否则容器内物品同样会被熔化，只能是玻璃、塑料等材质，选项D正确。答案：CD

2．

(多选)高频焊接原理示意图如图所示，线圈通以高频交流电，

金属工件的焊缝中就产生大量焦耳热，将焊缝熔化焊接，下

列情况中能使焊接处消耗的电功率增大的是

(

)A．增大交变电流的电压，其他条件不变B．增大交变电流的频率，其他条件不变C．感应电流相同条件下，增大焊接缝的接触电阻D．感应电流相同条件下，减小焊接缝的接触电阻解析：增大交变电流的电压，其他条件不变，则线圈中交变电流增大，磁通量变化率增大，因此产生的感应电动势增大，感应电流也增大，那么焊接处消耗的电功率增大，故A正确；高频焊接利用高频交变电流产生高频交变磁场，在焊接的金属工件中产生感应电流，根据法拉第电磁感应定律分析可知，电流变化的频率越高，磁通量变化频率越高，产生的感应电动势越大，感应电流越大，焊缝处消耗的电功率越大，故B正确；感应电流相同条件下，增大焊接缝的接触电阻，焊缝处消耗的电功率增大，故C正确，D错误。答案：ABC

一、培养创新意识和创新思维1．

(多选)在大型用电系统中，都配有变压器，通过

互感可以把交变电流进行升压和降压。如图所示，变压器的线圈中都有铁芯，铁芯往往都是用薄硅钢片叠压而成的，而不是采用一整块硅钢，这样做的目的是

(

)A．硅钢电阻率大，用薄硅钢片叠压成铁芯，使铁芯电阻增大，减少变压器工作时产生的热量B．硅钢电阻率小，用薄硅钢片叠压成铁芯，使铁芯电阻减小，减少变压器工作时产生的热量C．增大涡流发热，提高变压器的效率D．减少涡流发热，提高变压器的效率解析：硅钢材料的电阻率大，且采用薄硅钢片，增大了铁芯中的电阻，阻断了涡流回路，变压器工作时产生的涡流的发热量大大减少，减少了电能损失，提高了变压器的效率，所以A、D正确。答案：AD2．李辉用多用电表的欧姆挡测量一个变压器线圈的电阻，以

判断它是否断路。刘伟为了使李辉测量方便，没有注意操

作的规范，用两手分别握住线圈裸露的两端让李辉测量。

测量时表针摆过了一定角度，李辉由此确认线圈