19.5涡流电磁阻尼电磁驱动

19.5涡流、电磁阻尼、电磁驱动要点一.涡流1.定义在变化的磁场中的导体内产生的感应电流，就像水中的漩涡。所以把它叫作涡电流，简称涡流。2.本质及特点1.本质涡流的本质是电磁感应现象.与一般导体或线圈的区别是：金属块自称闭合回路，但是同样遵循电磁感应定律.2.特点若金属的电阻率小，涡流往往很强，产生的热量很多。3.大小涡流大小的决定因素：E=n∆B∆tS=1\*GB3①磁场变化越快(eq\f(ΔB,Δt)越大)，涡流越大。=2\*GB3②导体的横截面积S越大,涡流越大。=3\*GB3③导体材料的电阻率越小，涡流越大。4.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。5.对涡流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：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：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。6.涡流的防止及应用1.防止电动机、变压器等设备中为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块硅钢铁芯。2.应用电磁炉的工作原理（1）涡流热效应的应用：如真空冶炼炉。电磁炉的工作原理（2）涡流磁效应的应用：如探雷器、安检门。要点二.电磁阻尼与电磁驱动1.电磁阻尼1.产生当导体在磁场中运动时，感应电流会使导体受到安培力，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．2.应用1.电学仪表中利用电磁阻尼使指针很快地停下来，便于读数。2.电磁阻尼还常用于电气机车的电磁制动器中。2.电磁驱动1.产生若磁场相对于导体转动，在导体中会产生感应电流，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，这种作用常常称为电磁驱动．2.应用交流感应电动机：当蹄形磁铁转动时，穿过线圈的磁通量就增加了，根据楞次定律，此时线圈中就有感应电流产生，以阻碍磁通量的增加，因而线圈会跟着一起转动起来。特点：线圈转动方向和磁铁转动方向相同，但转速小于磁铁转速，即同向异步。3.电磁阻尼与电磁驱动的比较电磁阻尼、电磁驱动都是楞次定律“阻碍”的体现．阻碍磁通量的变化，阻碍导体与磁场的相对运动．电磁阻尼电磁驱动不同点成因由导体在磁场中运动形成的由磁场运动而形成的效果安培力方向与导体运动方向相反，为阻力安培力方向与导体运动方向相同，为动力能量转化克服安培力做功，其他形式的能转化为电能，最终转化为内能磁场能转化为电能，通过安培力做功，电能转化为导体的机械能共同点两者都是电磁感应现象，导体所受安培力，都在阻碍导体与磁场间的相对运动题型1.涡流的特点及应用经典例题典例1涡流原理在生产、生活中有广泛应用，在电炉、电磁炉、微波炉、高频冶炼炉中，均不是利用涡流原理工作的是（）A．电炉、微波炉 B．电磁炉、微波炉 C．微波炉、高频冶炼炉 D．电炉、电磁炉【答案】A【解析】电磁炉、高频冶炼炉均是利用涡流原理工作的；电炉是利用电流热效应工作的，微波炉是利用微波进行工作的，二者均不是利用涡流原理工作，故选A。典例2管道高频焊机可以对由钢板卷成的圆管的接缝实施焊接。焊机的原理如图所示，圆管通过一个接有高频交流电源的线圈，线圈所产生的交变磁场使圆管中产生交变电流，电流产生的热量使接缝处的材料熔化将其焊接。焊接过程中所利用的电磁学规律的发现者为（）A.库仑 B.霍尔 C.洛伦兹 D.法拉第【答案】D【解析】由题意可知，圆管为金属导体，导体内部自成闭合回路，且有电阻，当周围的线圈中产生出交变磁场时，就会在导体内部感应出涡电流，电流通过电阻要发热。该过程利用原理的是电磁感应现象，其发现者为法拉第。故选D。典例3下列实例中属于利用涡流的是（）A．利用微波炉加热食物 B．变压器的铁芯用薄硅钢片叠合而成C．利用真空冶炼炉冶炼合金钢 D．电动机的线圈绕在铁芯上【答案】C【解析】A．利用微波炉加热食物是利用电流产生的电磁波来给物体加热，A错误；B．变压器的铁芯用薄硅钢片叠合而成是为了减小涡流，减少损耗能量，B错误；C．利用真空冶炼炉冶炼合金钢是在线圈中通入高频交流电，在合金钢中产生涡流，C正确；D．电动机的线圈绕在铁芯上，所用的铁芯不会用整块的金属，是为了减小涡流，D错误。故选C。巩固提升巩固1如图所示为高频电磁炉的工作示意图。电磁炉工作时产生的电磁波，完全被线圈底部的屏蔽层和顶板上的含铁质锅所吸收，不会泄漏，对人体健康无危害。关于电磁炉，以下说法正确的是（  ）A．电磁炉是利用变化的磁场在食物中产生涡流对食物加热的B．电磁炉是利用变化的磁场在含铁质锅底部产生涡流，使含铁质锅底迅速升温，进而对锅内食物加热的C．电磁炉是利用变化的磁场使食物中的极性水分子振动和旋转来对食物加热的D．电磁炉跟电炉一样是让电流通过电阻丝产生热量来对食物加热的【答案】B【解析】电磁炉的工作原理是利用变化的电流通过线圈产生变化的磁场，变化的磁场通过含铁质锅的底部产生无数小涡流，使锅体温度升高后加热食物。故选B。巩固2安检门原理图如图所示，左边门框中有一通电线圈，右边门框中有一接收线圈。若工作过程中某段时间内通电线圈中存在顺时针方向（左视图）均匀增大的电流，则下列说法正确的是（电流方向判断均从左向右观察）（）A．有金属片通过时，金属片中会感应出涡流B．有金属片通过时，接收线圈中的感应电流的方向可能改变C．无金属片通过时，接收线圈中的感应电流的方向为顺时针D．无金属片通过时，接收线圈中的感应电流可能逐渐减小【答案】A【详解】A．通电线圈中的电流均匀增大，则产生的磁场均匀增大，有金属片通过时，穿过金属片中的磁通量均匀增大，金属片中会感应出涡流，故A正确；B．金属片中涡流的磁场与通电线圈中产生的磁场方向相反，虽然会对接收线圈中磁通量的增大有一定的阻碍作用，但不能阻止接收线圈中磁通量增大，所以接收线圈中的感应电流的方向不会改变，故B错误；CD．无金属片通过时，接收线圈中的磁通量由左向右均匀增大，根据楞次定律可知感应电流的方向为逆时针，根据法拉第电磁感应定律可知接收线圈中的感应电动势不变，感应电流不变，故CD错误。故选A。巩固3如图所示，用导线环绕在一金属块上许多匝，当导线中通以交变电流时，金属块中的磁通量会不断变化从而产生感应电流，这些电流的分布就像水中的漩涡一样，我们把它叫做涡电流，简称涡流。涡流会消耗电能产生热量，下列判断正确的有（）A．产生感应电动势的非静电力是涡旋电场给电荷的作用力B．如果想增大涡流发热，可以仅增大金属材料的电阻率C．如果想增大涡流发热，可以仅增加线圈的匝数D．如果想增大涡流发热，在线圈电流强度不变的条件下，可以仅增大电流频率【答案】ACD【详解】A．产生感应电动势的非静电力是涡旋电场给电荷的作用力，A正确；B．根据P=EC．根据P=ED．在线圈电流强度不变的条件下，仅增大电流频率，则产生的感应电动势会变大，从而可增大涡流发热，D正确。故选ACD。拓展拔高拓展1如图所示，在一个绕有线圈的可拆变压器铁芯上放一小铁锅冷水。现接通交流电源，几分钟后，锅中的水沸腾起来，t0A．线圈中电流变化越大，自感电动势越大，自感系数也增大B．小铁锅中产生涡流，涡流的热效应使水沸腾起来C．t0D．变压器的铁芯用相互绝缘的硅钢片叠成能增大涡流【答案】B【解析】A．线圈中电流变化越快，自感电动势越大，与电流变化的大小没有必然的关系，线圈的自感系数是由线圈本身的性质决定的，与线圈的电流变化无关，选项A错误；B．由于交流电在线圈中产生变化的磁场，变化的磁场穿过小铁锅可以在小铁锅中产生感生电场，从而产生涡流，涡流的热效应使水沸腾起来，选项B正确；C．t0D．由于导体中的涡流会损耗能量，所以变压器的铁芯用相互绝缘的硅钢片叠成，其目的是为了减小涡流，选项D错误。故选B。拓展2以下为教材中的四幅图，下列相关叙述错误的是（）A．甲图是法拉第电磁感应实验，奥斯特发现了电流的磁效应，法拉第根据对称性思想，做了如上实验发现了磁生电的现象B．乙图是真空冶炼炉，当炉外线圈通入高频交流电时，线圈产生大量热量，从而冶炼金属C．丙图是无轨电车电车在行驶过程中由于车身颠簸电弓和电网之间容易闪现电火花，这是由于车弓脱离电网产生自感电动势使空气电离D．丁图是电吉他中电拾音器的基本结构金属弦被磁化，弦振动过程中线圈中会产生感应电流从而使音箱发声。如果选用铜质弦，电吉他不能正常工作【答案】B【解析】A．甲图是法拉第电磁感应实验，奥斯特发现了电流的磁效应，法拉第根据对称性思想，做了如上实验发现了磁生电的现象，故A不符题意；B．真空冶炼炉，当炉外线圈通入高频交流电时，是炉内的金属产生涡流，在电的热效应下，产生热量，熔化金属（自己烧自己），故B符合题意；C．丙图是无轨电车电车在行驶过程中由于车身颠簸电弓和电网之间容易闪现电火花，这是由于车弓脱离电网产生自感电动势使空气电离，故C不符题意；D．丁图是电吉他中电拾音器的基本结构金属弦被磁化，弦振动过程中线圈中会产生感应电流从而使音箱发声。如果选用铜质弦，电吉他不能正常工作，故D不符题意；故选B。拓展3如图是一种焊接方法的原理示意图。将圆形待焊接金属工件放在线圈中，然后在线圈中通以某种电流，待焊接工件中会产生感应电流，感应电流在焊缝处产生大量的热量将焊缝两边的金属熔化，待焊工件就焊接在一起。我国生产的自行车车轮圈就是用这种办法焊接的。下列说法中正确的是()A．线圈中的电流是很强的恒定电流B．线圈中的电流是交变电流，且频率很高C．待焊工件焊缝处的接触电阻比非焊接部分电阻小D．焊接工件中的感应电流方向与线圈中的电流方向总是相反【答案】B【解析】线圈中的电流是交变电流，且频率很高，选项B正确A错误；待焊工件焊缝处的接触电阻比非焊接部分电阻大，选项C错误；根据楞次定律，当线圈中的电流增大时，焊接工件中的感应电流方向与线圈中的电流方向相反；当线圈中的电流减小时，焊接工件中的感应电流方向与线圈中的电流方向相同，选项D错误。题型2.电磁阻尼及电磁驱动经典例题典例1如图所示，将悬挂在O点的铜球从方形匀强磁场区域左侧一定高度处由静止释放，磁场区域的左右边界处于竖直方向，不考虑空气阻力，则（）A．铜球在左右两侧摆起的最大高度相同B．铜球最终将静止在O点正下方C．铜球运动到最低点时受到的安培力最大D．铜球向右进入磁场的过程中，受到的安培力方向水平向左【答案】D【解析】A．铜球每次在进出磁场过程，因产生电磁感应，一部分机械能转化为焦耳热，左右两侧摆起的最大高度不相同，故A错误；B．铜球每次只在进出磁场过程损失机械能，当全部进入匀强磁场，因磁通量不变，故不产生电磁感应，最终将在磁场区域内左右摆动，故B错误；C．铜球运动到最低点时不产生电磁感应，故受到的安培力为0，故C错误；D．铜球向右进入磁场的过程中，由楞次定律知铜球受到的安培力方向水平向左，故D正确。故选D。典例2如图所示是某研究性学习小组的同学设计的电梯坠落的应急安全装置，在电梯挂厢上安装永久磁铁，并在电梯的井壁上铺设线圈，这样可以在电梯突然坠落时减小对人员的伤害。关于该装置，下列说法正确的是()A.当电梯突然坠落时，该安全装置可使电梯停在空中B.当电梯坠落至永久磁铁在图示位置时，闭合线圈A、B中的电流方向相反C.当电梯坠落至永久磁铁在图示位置时，只有闭合线圈A在阻碍电梯下落D.当电梯坠落至永久磁铁在图示位置时，只有闭合线圈B在阻碍电梯下落【答案】B【解析】若电梯突然坠落，穿过闭合线圈A、B内的磁通量发生变化，将在线圈中产生感应电流，感应电流会阻碍磁铁的相对运动，可起到应急避险作用，但不能阻止磁铁的运动，故A错误；当电梯坠落至永久磁铁在题图所示位置时，闭合线圈A中向上的磁场减弱，感应电流的方向从上向下看是逆时针方向，闭合线圈B中向上的磁场增强，感应电流的方向从上向下看是顺时针方向，可知闭合线圈A与B中感应电流方向相反，故B正确；结合A的分析可知，当电梯坠落至永久磁铁在题图所示位置时，闭合线圈A、B都在阻碍电梯下落，故C、D错误。典例31824年，法国科学家阿拉果完成了著名的“阿拉果圆盘实验”，实验中将一铜圆盘水平放置，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，如图所示，实验中发现，当圆盘在磁针的磁场中绕过圆盘中心的竖直轴旋转时，磁针也随着一起转动起来，但略有滞后，下列说法正确的是（）A．因为穿过圆盘的磁通量不变，圆盘上没有感应电流B．穿过整个圆盘的磁通量发生了变化从而产生沿圆盘边缘的环形电流C．圆盘内局部面积的磁通量变化产生感应电流，从而产生磁场导致磁针转动D．圆盘中的自由电子随圆盘一起运动形成了环形电流，此电流产生的磁场导致磁针转动【答案】C【解析】A．穿过圆盘的磁通量不变，但是圆盘局部面积的磁通量发生变化，所以在圆盘上有不同的感应电流，从而产生涡流，所以A错误；B．穿过整个圆盘的磁通量没有发生了变化，所以沿圆盘边缘没有产生环形电流，所以B错误；C．圆盘内局部面积的磁通量变化产生感应电流，从而产生磁场导致磁针转动，所以C正确；D．圆盘中的自由电子随圆盘一起运动形成了环形电流而产生的磁场，由安培定则可判断出磁场的方向在中心方向竖直向下，其它位置关于中心对称，则此电流产生的磁场不会导致磁针转动，所以D错误；故选C。典例4如图所示，金属球（铜球）下端有通电的线圈，今把金属球向上拉离平衡位置后释放，此后金属球的运动情况是（不计空气阻力）（）A．做等幅振动B．做阻尼振动C．振幅不断增大D．无法判定【答案】B【详解】金属球在通电线圈产生的磁场中运动，金属球中产生涡流，故金属球要受到安培力作用，阻碍它的相对运动，做阻尼振动，振幅不断减小。B正确，ACD错误。故选B。巩固提升巩固1扫描隧道显微镜(STM)可用来探测样品表面原子尺度上的形貌，为了有效隔离外界震动对STM的扰动，在圆底盘周边沿其径向对称地安装若干对紫铜薄板，并施加磁场来快速衰减其微小振动，如图所示，无扰动时，按下列四种方案对紫铜薄板施加恒磁场；出现扰动后，对于紫铜薄板上下及其左右振动的衰减最有效的方案是(A)解析：施加磁场来快速衰减STM的微小振动，其原理是电磁阻尼，在振动时通过紫铜薄板的磁通量变化，紫铜薄板中产生感应电动势和感应电流，则其受到安培力作用，该作用阻碍紫铜薄板振动，即促使其振动衰减。方案A中，无论紫铜薄板上下振动还是左右振动，通过它的磁通量都发生变化；方案B中，当紫铜薄板上下振动时，通过它的磁通量可能不变，当紫铜薄板向右振动时，通过它的磁通量不变；方案C中，紫铜薄板上下振动、左右振动时，通过它的磁通量可能不变；方案D中，当紫铜薄板上下振动时，紫铜薄板中磁通量可能不变。综上可知，对于紫铜薄板上下及左右振动的衰减最有效的方案是A。巩固2如图所示，把一个闭合线圈放在蹄形磁体的两磁极之间，蹄形磁体和闭合线圈都可以绕OO′轴转动。当蹄形磁体从图示位置开始逆时针转动时，线圈仅在安培力作用下也开始转动，则：（）A．线圈顺时针转动，线圈转速小于磁体转速B．线圈逆时针转动，线圈转速等于磁体转速C．线圈在转动过程中有感应电流D．线圈克服安培力做功动能增加【答案】C【解析】ABC．转动磁铁时，导致线圈的磁通量增加，从而产生感应电流，出现安培力，导致线圈转动，根据楞次定律可知，为阻碍磁通量增加，则导致线圈与磁铁转动方向相同，但快慢不一，转速比磁铁小；故AB错误，C正确；D．线圈的转动是因为安培力对线圈做功，使线圈动能增加，故D错误。故选C。巩固3如图所示，将一个铝框放在蹄形磁铁的两个磁极间，铝框可以绕竖直轴线OO′自由转动。转动磁铁发现原来静止的铝框也会发生转动。下列说法正确的是(B)A．铝框与磁极转动方向相反B．匀速或加速转动磁铁，铝框都比磁极转动慢C．铝框是因为磁铁吸引铝质材料而转动的D．铝框中没有电流解析：由于磁铁转动导致铝框的磁通量增加，根据楞次定律可知，为阻碍磁通量增加，则导致铝框与磁铁转动方向相同，但铝框都比磁极转动慢，故A错误，B正确；当转动磁铁时，导致铝框的磁通量发生变化，从而产生感应电流，而使铝框受到安培力而转动，故选项CD错误。巩固4物理课上，老师做了一个“神奇”的实验：如图所示，将30cm长的铝管竖直放置，一磁性很强的磁铁从上管口由静止释放，观察到磁铁用较长时间才从下管口落出．对于这个实验现象同学们经分析讨论做出相关的判断，你认为正确的是（下落过程中不计空气阻力，磁铁与管壁没有接触）．则（）A．如果磁铁的磁性足够强，磁铁会停留在铝管中，永远不落下来B．磁铁在铝管中运动的过程中，由于不计空气阻力，所以机械能守恒C．如果磁铁的磁性足够强，磁铁在铝管中运动时间更长，但一定会落下来D．如果将铝管换成塑料管，磁铁从塑料管中出来也会用较长时间【答案】C【解析】如果磁铁的磁性足够强，磁铁在铝管中运动受到阻力更大，原因：当磁铁运动时才会导致钢管的磁通量发生变化，才出现感应磁场阻碍原磁场的变化，所以运动时间变长，但一定会落下，故A错误，C正确；磁铁在铝管中运动的过程中，虽不计空气阻力，但在过程中，产生了感应电流，机械能转化电能，所以机械能不守恒，故B错误；如果将铝管换成塑料管，磁铁不会受到安培力阻力，因此出来的时间将会变短，故D错误．拓展拔高拓展1如图所示，矩形线圈放置在水平薄木板上，有两块相同的蹄形磁体，四个磁极之间的距离相等，当两块磁体以相同的速度匀速向右通过线圈时，线圈始终静止不动，那么线圈受到木板的摩擦力方向是()A．先向左、后向右 B．先向左、后向右、再向左C．一直向右 D．一直向左【答案】D【解析】根据楞次定律的“来拒去留”结论可知，当两磁体靠近线圈时，线圈要阻碍其靠近，线圈有向右移动的趋势，受到木板的摩擦力向左，当磁体远离时，线圈要阻碍其远离，仍有向右移动的趋势，受到木板的摩擦力方向仍是向左的，故选项D正确．拓展2如图所示，磁电式电流表的线圈常用铝框作骨架，把线圈绕在铝框上，铝框的两端装有转轴，转轴的两边各有一个螺旋弹簧（绕制方向相反），关于磁电式电流表下列说法正确的是（）A．线圈通电后，由于螺旋弹簧的弹力作用，可以使指针尽快稳定下来B．线圈通电后，由于铝框中的电磁阻尼作用，可以使指针尽快稳定下来C．线圈骨架换成塑料，通电后也可以使指针尽快稳定下来D．在运输时要把正负接线柱用导线连在一起，主要是为了增强铝框中的电磁阻尼作用【答案】B【详解】AB．常用铝框做骨架，当线圈在磁场中转动时，导致铝框的磁通量变化，从而产生感应电流，出现安培阻力，使其很快停止摆动，利用了铝框的电磁阻尼作用，故A错误，B正确；C．塑料做骨架因不能导电则达不到电磁阻尼的作用，故C错误；D．在运输时要把正负接线柱用导线连在一起，是接通回路能产生铝框中的电磁阻尼作用，而不能增强，故D错误；故选B。拓展3如图所示，铝管竖直置于水平桌面上，小磁体从铝管正上方由静止开始下落，在磁体穿过铝管的过程中，磁体不与管壁接触，且无翻转，不计空气阻力。下列选项正确的是（）A．磁体做匀