互感和自感 渦流 電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)【人教版】【學(xué)案】

課時(shí)33互感和自感渦流電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)

課前導(dǎo)航

上課時(shí)，老師拿來(lái)了一個(gè)如圖33－1甲所示的老式日光燈的鎮(zhèn)流器，并用兩節(jié)干電池作電源，按圖33－1乙所示連接好電路．接著，老師問(wèn)誰(shuí)敢上來(lái)用手抓a、b兩個(gè)接線頭．膽大的李明心想：這有什么可怕的！兩節(jié)干電池串起來(lái)，也不過(guò)是3V的電壓．于是他大膽地走上講臺(tái)，按照老師的指點(diǎn)，用兩手分別抓住a、b兩個(gè)接線頭．老師問(wèn)他有什么感覺(jué)，李明笑著說(shuō)：“什么感覺(jué)也沒(méi)有．”于是，老師斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S，只聽(tīng)見(jiàn)李明“哎喲”地尖叫了一聲，并立即松開(kāi)手．

圖33－1

請(qǐng)你思考：

1．李明發(fā)出尖叫聲的原因是什么？

2．鎮(zhèn)流器在日光燈電路中的作用是什么？

基礎(chǔ)梳理基本要求1．知道互感現(xiàn)象是一種常見(jiàn)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象2．知道自感現(xiàn)象是由于通過(guò)導(dǎo)體自身的電流發(fā)生變化而產(chǎn)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，知道自感系數(shù)的單位3．了解渦流產(chǎn)生的原因，知道渦流的本質(zhì)是感應(yīng)電流4．了解電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象發(fā)展要求1．理解自感電動(dòng)勢(shì)的作用，會(huì)解釋自感現(xiàn)象2．知道決定自感系數(shù)的因素3．了解自感現(xiàn)象的利弊以及對(duì)應(yīng)的利用和防止4．了解渦流的應(yīng)用和減小渦流危害的方法

知識(shí)精析

一、互感現(xiàn)象

1．現(xiàn)象：一個(gè)線圈中的電流變化時(shí)，所產(chǎn)生的變化的磁場(chǎng)使另一線圈中的磁通量變化而產(chǎn)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象．

2．應(yīng)用：變壓器、無(wú)線電接收等．

3．防止：相互靠近的兩個(gè)電路之間的互感會(huì)影響各自的正常工作，需設(shè)法減小或消除．

二、自感

1．現(xiàn)象：由于導(dǎo)體本身的電流發(fā)生變化而產(chǎn)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，叫自感現(xiàn)象．

2．原理當(dāng)通過(guò)導(dǎo)體線圈(或回路)自身的電流發(fā)生變化時(shí)，該電流的磁場(chǎng)也發(fā)生變化，因而線圈內(nèi)磁通量發(fā)生變化，產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象．因此，自感現(xiàn)象只是電磁感應(yīng)現(xiàn)象的一種特殊情形，仍遵循電磁感應(yīng)規(guī)律．

3．自感電動(dòng)勢(shì)：正比于自感電動(dòng)勢(shì)、正比于電流的變化式ε=

4．自感系數(shù)(L)：由線圈的匝數(shù)、大小、形狀和鐵芯決定．單位：亨利，1H＝1V·s/A

1H＝103

mH＝106

μH

5．特點(diǎn)：自感電動(dòng)勢(shì)總是阻礙線圈中電流的變化．

6．通電自感如圖33－2所示，電路中兩燈泡L1、L2完全相同，閉合開(kāi)關(guān)S后，調(diào)節(jié)R可使L1、L2的亮度相同．?dāng)嚅_(kāi)開(kāi)關(guān)S，重新閉合后發(fā)現(xiàn)燈泡L2立即發(fā)光，而燈泡L1則是逐漸亮起來(lái)的．圖33－2開(kāi)關(guān)S閉合的瞬間，燈泡L2的兩端立即有電壓，L2立即發(fā)光；而燈泡L1與線圈L串聯(lián)，在接通電路的瞬間，電路中電流增大，穿過(guò)線圈L的磁通量隨之增大，根據(jù)電磁感應(yīng)的知識(shí)可知，線圈中將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)阻礙線圈中電流的增大．由于這種阻礙作用使通過(guò)L1的電流逐漸增大，故燈泡L1是逐漸亮起來(lái)的．

7．?dāng)嚯娮愿腥鐖D33－3所示，燈泡L1、L2正常發(fā)光．?dāng)嚅_(kāi)開(kāi)關(guān)S的瞬間，燈泡L2立即熄滅，燈泡L1沒(méi)有立即熄滅，反而會(huì)比原來(lái)更亮地閃一下(L的電阻小于L1的電阻時(shí)才會(huì)閃一下，為什么？)再慢慢變暗．

圖33－3斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S的瞬間，通過(guò)線圈的電流減弱，穿過(guò)線圈的磁通量減少，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)阻礙原電流的減小，使原電流逐漸減小，這一電流經(jīng)過(guò)L1所在的回路，使L1不會(huì)立即熄滅，而是比原來(lái)更亮地閃一下后再逐漸熄滅．

三、渦流

1．渦流的產(chǎn)生機(jī)理：處在磁場(chǎng)中的導(dǎo)體，只要磁場(chǎng)變化就會(huì)引起導(dǎo)體中的磁通量的變化，導(dǎo)體中就有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這一電動(dòng)勢(shì)在導(dǎo)體內(nèi)部構(gòu)成回路，導(dǎo)體內(nèi)就有感應(yīng)電流，因?yàn)檫@種電流像水中的旋渦，所以稱為渦流．在大塊的金屬內(nèi)部，由于金屬塊的電阻很小，所以渦電流很大，能夠產(chǎn)生很大的熱量．嚴(yán)格地說(shuō)，在變化的磁場(chǎng)中的一切導(dǎo)體內(nèi)都有渦流產(chǎn)生，只是渦電流的大小有區(qū)別，以至一些微弱的渦電流就被我們忽視了．

2．渦流的利用：利用高頻真空冶煉爐冶煉高純度的金屬；用探測(cè)器探測(cè)地雷、探測(cè)地下電纜也是利用渦流的工作原理；利用渦電流可以治療疾?。焕脺u流探傷技術(shù)可以檢測(cè)導(dǎo)電物體上的表面和近表面缺陷、涂鍍層厚度和熱處理質(zhì)量(如淬火透入深度、硬化層厚度、硬度等)；還有上海的磁懸浮列車(chē)是利用渦電流減速的……

3．渦流的防止：防止渦流的主要途徑是增大在變化的磁場(chǎng)中使用的金屬導(dǎo)體的電阻，一是選用電阻率大的材料，二是把導(dǎo)體制作成薄片，薄片與薄片之間用絕緣材料相隔，這樣增大電阻減小因渦電流損失的能量．

四、電磁阻尼導(dǎo)體與磁場(chǎng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，感應(yīng)電流受到的安培力總是阻礙它們的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，利用安培力阻礙導(dǎo)體與磁場(chǎng)間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)就是電磁阻尼，磁電式儀表的指針能夠很快停下，就是利用了電磁阻尼．“磁懸浮列車(chē)?yán)脺u電流減速”其實(shí)也是一種電磁阻尼．

五、電磁驅(qū)動(dòng)

導(dǎo)體與磁場(chǎng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，感應(yīng)電流受到的安培力總是阻礙它們的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，應(yīng)該知道安培力阻礙磁場(chǎng)與導(dǎo)體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方式是多種多樣的．當(dāng)磁場(chǎng)以某種方式運(yùn)動(dòng)時(shí)(例如磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng))，導(dǎo)體中的安培力為阻礙導(dǎo)體與磁場(chǎng)間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使導(dǎo)體跟著磁場(chǎng)動(dòng)起來(lái)(跟著轉(zhuǎn)動(dòng))，這就是電磁驅(qū)動(dòng)．其實(shí)不管是“電磁阻尼”還是“電磁驅(qū)動(dòng)”，都是利用了楞次定律中的“阻礙”兩個(gè)字．

方法探究

一、自感問(wèn)題

例1

如圖33－4所示，電阻R的阻值和電感線圈的自感系數(shù)都較大，電感線圈的電阻不計(jì)，Q1、Q2是兩只完全相同的燈泡，當(dāng)開(kāi)關(guān)S閉合時(shí)，下列情況可能發(fā)生的是(

)

圖33－4

A．Q2比Q1先亮，然后Q2熄滅

B．Q1比Q2先亮，然后Q1熄滅

C．Q1、Q2一起亮，然后Q1熄滅

D．Q1、Q2一起亮，然后Q2熄滅

解析

當(dāng)S閉合的瞬間，L支路中的電流從無(wú)到有發(fā)生變化，因此在L中產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)阻礙電流增加．由于自感系數(shù)很大，對(duì)電流的阻礙作用很強(qiáng)，所以在接通S后極短的時(shí)間里L(fēng)中的電流幾乎為零，可以將L支路看成斷路，故Q1、Q2同時(shí)發(fā)光．由于L中的電流從無(wú)到有很快穩(wěn)定，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)消失，L相當(dāng)于一根無(wú)電阻的導(dǎo)線將Q2短路，所以最終Q2燈熄滅．故選項(xiàng)D正確．

答案

D

點(diǎn)評(píng)

通過(guò)自感線圈的電流增大，自感電動(dòng)勢(shì)的方向與電流的方向相反，阻礙電流增大．

例2

在如圖33－5甲、乙所示的電路中，電阻R和自感線圈L的電阻都小于燈泡的電阻，閉合S使電路達(dá)到穩(wěn)定，燈泡Q發(fā)光．下列說(shuō)法正確的是(

)

圖33－5

A．在電路甲中，斷開(kāi)S后，Q將漸漸變暗

B．在電路甲中，斷開(kāi)S后，Q將先變得更亮，然后漸漸變暗

C．在電路乙中，斷開(kāi)S后，Q將漸漸變暗

D．在電路乙中，斷開(kāi)S后，Q將先變得更亮，然后漸漸變暗

解析

在電路甲中，設(shè)通過(guò)線圈L的電流為IL甲，通過(guò)Q及R的電流為IQ甲和IR甲，同理，設(shè)電路乙中通過(guò)L、Q、R的電流分別為IL乙、IQ乙、IR乙．很明顯，IL甲＝IQ甲，IL乙＞IQ乙．當(dāng)斷開(kāi)S時(shí)，線圈L相當(dāng)于電源，產(chǎn)生了自感電動(dòng)勢(shì)，在L、R、Q組成的回路中產(chǎn)生自感電流．在電路甲中，自感電流從IL甲逐漸減小，燈泡Q逐漸變暗；在電路乙中，自感電流從IL乙逐漸減小，因?yàn)镮L乙＞IQ乙，所以燈泡Q先變得更亮，再漸漸變暗．選項(xiàng)A、D正確．

答案

AD

點(diǎn)評(píng)

要考慮到甲、乙兩電路的區(qū)別．甲電路中燈泡Q和自感線圈L串聯(lián)在一起，通過(guò)兩者的電流大小一樣；而乙電路中穩(wěn)定時(shí)，通過(guò)L的電流要大于通過(guò)燈泡Q的電流．當(dāng)斷開(kāi)S時(shí)，L中產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)，L、Q、R組成新的回路．在這個(gè)回路中，對(duì)甲、乙兩電路而言，因線圈的始態(tài)電流不同，自感電動(dòng)勢(shì)不同，所以燈泡上電流的變化情況也不同．

變式訓(xùn)練

在如圖33－6所示的電路中，三個(gè)相同的燈泡Q1、Q2、Q3和電感L1、L2與直流電源連接，電感的電阻忽略不計(jì)．開(kāi)關(guān)S從閉合狀態(tài)突然斷開(kāi)時(shí)，下列判斷正確的有[2008年高考·江蘇物理卷](

)

圖33－6

A．Q1先變亮，然后逐漸變暗

B．Q2先變亮，然后逐漸變暗

C．Q3先變亮，然后逐漸變暗

D．Q2、Q3都逐漸變暗

解析

本題重點(diǎn)考查自感現(xiàn)象．開(kāi)關(guān)S閉合時(shí)，設(shè)通過(guò)每個(gè)燈泡的電流都為I，則通過(guò)電感L1的電流為2I，通過(guò)電感L2的電流為I；斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S的瞬間，電感中的電流i突然減小，三個(gè)燈泡均處于回路中，故通過(guò)Q2、Q3的電流由i逐漸減小，選項(xiàng)B、C均錯(cuò)誤，D正確．每個(gè)電感線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)均加載于燈泡Q1，所以選項(xiàng)A正確．

答案

AD

二、渦流、電磁阻尼與電磁驅(qū)動(dòng)

例3

如圖33－7所示，a是一正方形小金屬片，用一根絕緣細(xì)桿將其掛在固定點(diǎn)O，使其繞O點(diǎn)來(lái)回?cái)[動(dòng)，穿過(guò)水平方向的勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域．已知磁感線方向跟線框平面垂直，若懸點(diǎn)摩擦和空氣阻力均不計(jì)，則(

)圖33－7

A．金屬片進(jìn)入或離開(kāi)磁場(chǎng)區(qū)域時(shí)，都產(chǎn)生感應(yīng)電流，而且電流方向相反

B．金屬片進(jìn)入磁場(chǎng)區(qū)域后越靠近OO′時(shí)速度越大，因而產(chǎn)生的感應(yīng)電流也越大

C．金屬片開(kāi)始擺動(dòng)后，擺角會(huì)越來(lái)越小，擺角小到某一值后將不再減小

D．金屬片在擺動(dòng)過(guò)程中，機(jī)械能會(huì)完全轉(zhuǎn)化為金屬片的電能

解析

金屬片進(jìn)出磁場(chǎng)區(qū)域時(shí)，由楞次定律知，產(chǎn)生的渦流為逆時(shí)針?lè)较?，金屬片從磁?chǎng)中出來(lái)時(shí)產(chǎn)生順時(shí)針?lè)较虻臏u流．金屬片完全進(jìn)入磁場(chǎng)中后磁通量不再變化，故無(wú)渦流產(chǎn)生．故選項(xiàng)A正確、B錯(cuò)誤．金屬片進(jìn)出磁場(chǎng)的過(guò)程，機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能再轉(zhuǎn)化為熱能，故擺動(dòng)幅度逐漸減小．當(dāng)金屬片全部在磁場(chǎng)區(qū)域內(nèi)部擺動(dòng)時(shí)，沒(méi)有感應(yīng)電流產(chǎn)生，故機(jī)械能守恒，振幅不變．

答案

AC

互動(dòng)平臺(tái)

粗心同學(xué)和細(xì)心同學(xué)關(guān)于自感系數(shù)的對(duì)話

粗心：自感現(xiàn)象中自感系數(shù)的大小決定了自感電動(dòng)勢(shì)的大小．

細(xì)心：自感現(xiàn)象中，對(duì)同一線圈，自感電動(dòng)勢(shì)的大小完全由電流變化的快慢(即)決定；對(duì)不同的線圈，在電流變化快慢相同的情況下，產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)不同，電學(xué)中用自感系數(shù)L反映線圈的這種特性．

粗心：那L與哪些因素有關(guān)呢？與有關(guān)系嗎？

細(xì)心：自感系數(shù)是線圈本身的特性量(類(lèi)似電阻器的電阻、電容器的電容)，它與外界因素是無(wú)關(guān)的，只與線圈本身的形狀、長(zhǎng)短、匝數(shù)及有無(wú)鐵芯等因素有關(guān)．線圈的橫截面積越大，線圈越長(zhǎng)，匝數(shù)越多，它的自感系數(shù)就越大．另外，對(duì)同一線圈，有鐵芯的比無(wú)鐵芯的自感系數(shù)大很多．

粗心：還是你理解得全面，真佩服你！育才老師和細(xì)心同學(xué)關(guān)于電磁爐的對(duì)話

細(xì)心：上次去火鍋城吃飯，發(fā)現(xiàn)湯鍋放在一非金屬平臺(tái)上，接電后不但見(jiàn)不著火，連鍋下的平臺(tái)都不處于高溫狀態(tài)，為何鍋內(nèi)的湯一會(huì)兒就沸騰？

育才：電磁爐作為廚具市場(chǎng)的一種新型灶具打破了傳統(tǒng)的明火烹調(diào)方式，而采用磁感應(yīng)電流(又稱為渦流)的加熱原理．電磁爐是通過(guò)電子線路板產(chǎn)生交變磁場(chǎng)．當(dāng)用含鐵質(zhì)的鍋具底部放置爐面時(shí)，鍋底的磁通量周期性變化使得鍋具底部金屬部分產(chǎn)生渦流，渦流使鍋具鐵分子高速無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，分子互相碰撞、摩擦而產(chǎn)生熱能(故：電磁爐煮食的熱源來(lái)自鍋具底部而不是電磁爐本身發(fā)熱傳導(dǎo)給鍋具，所以熱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發(fā)熱，用來(lái)加熱和烹飪食物，從而達(dá)到煮食的目的．

電磁爐具有升溫快、熱效率高、無(wú)明火、無(wú)煙塵、無(wú)有害氣體、對(duì)周?chē)h(huán)境不產(chǎn)生熱輻射、體積小巧、安全性好和外觀美觀等優(yōu)點(diǎn)，能完成家庭的絕大多數(shù)烹飪?nèi)蝿?wù)．因此，在電磁爐較普及的一些國(guó)家里，人們譽(yù)之為“烹飪之神”和“綠色爐具”．

細(xì)心：哦，明白了！高中物理與我們的生活聯(lián)系真緊密．

互動(dòng)訓(xùn)練

1．如圖所示，在光滑絕緣的水平面上有一鋁質(zhì)圓形金屬球以一定的初速度通過(guò)有界勻強(qiáng)磁場(chǎng)，則從球開(kāi)始進(jìn)入磁場(chǎng)到完全穿出磁場(chǎng)過(guò)程中（磁場(chǎng)寬度大于金屬球的直徑)，小球(

)

A．整個(gè)過(guò)程都做勻速運(yùn)動(dòng)

B．進(jìn)入磁場(chǎng)過(guò)程中做減速運(yùn)動(dòng),穿出過(guò)程中做加速運(yùn)動(dòng)

C．整個(gè)過(guò)程都做勻減速運(yùn)動(dòng)

D．穿出時(shí)的速度一定小于初速度

解析鋁球中產(chǎn)生渦流，球的能量要損失．由于沿磁鐵中線運(yùn)動(dòng)，因此感應(yīng)電流所受安培力不會(huì)使球的運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生偏離，只是進(jìn)入的過(guò)程和出來(lái)的兩小段過(guò)程做減速運(yùn)動(dòng)．

答案

D

2．在如圖甲、乙所示的電路中，R和自感線圈L的電阻都很小，接通開(kāi)關(guān)S，使電路達(dá)到穩(wěn)定，燈泡L1發(fā)光．下列說(shuō)法正確的是(

)

A．在電路甲中，斷開(kāi)S，L1將漸漸變暗

B．在電路甲中,斷開(kāi)S，L1