2.3渦流電磁阻尼和電磁驅(qū)動

2.3渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動基礎(chǔ)導(dǎo)學(xué)要點一、渦流1．定義由于電磁感應(yīng)，在導(dǎo)體中產(chǎn)生的像水中旋渦樣的感應(yīng)電流．2．特點若金屬的電阻率小，渦流往往很強(qiáng)，產(chǎn)生的熱量很多．3．對渦流的理解(1)本質(zhì)：電磁感應(yīng)現(xiàn)象．(2)條件：穿過金屬塊的磁通量發(fā)生變化，并且金屬塊本身構(gòu)成閉合回路．(3)特點：整個導(dǎo)體回路的電阻一般很小，感應(yīng)電流很大，故金屬塊的發(fā)熱功率很大．4．應(yīng)用(1)渦流熱效應(yīng)的應(yīng)用：如真空冶煉爐．(2)渦流磁效應(yīng)的應(yīng)用：如探雷器、安檢門．5．防止電動機(jī)、變壓器等設(shè)備中應(yīng)防止鐵芯中渦流過大而導(dǎo)致浪費能量，損壞電器．(1)途徑一：增大鐵芯材料的電阻率．(2)途徑二：用相互絕緣的硅鋼片疊成的鐵芯代替整塊硅鋼鐵芯．要點二、電磁阻尼和電磁驅(qū)動1．電磁阻尼(1)定義：當(dāng)導(dǎo)體在磁場中運動時，感應(yīng)電流會使導(dǎo)體受到安培力，安培力的方向總是阻礙導(dǎo)體的運動的現(xiàn)象．(2)應(yīng)用：電學(xué)儀表中利用電磁阻尼使指針很快地停下來，便于讀數(shù)．2．電磁驅(qū)動(1)定義：如果磁場相對于導(dǎo)體轉(zhuǎn)動，在導(dǎo)體中會產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流使導(dǎo)體受到安培力的作用，安培力使導(dǎo)體運動起來的現(xiàn)象．(2)應(yīng)用：交流感應(yīng)電動機(jī)．要點突破突破一：對渦流的成因及渦流中的能量轉(zhuǎn)化1．渦流產(chǎn)生的條件渦流的本質(zhì)是電磁感應(yīng)現(xiàn)象，渦流產(chǎn)生條件是穿過金屬塊的磁通量發(fā)生變化．并且金屬塊本身可自行構(gòu)成閉合回路．同時因為整個導(dǎo)體回路的電阻一般很小，所以感應(yīng)電流很大，就像水中的漩渦．2．可以產(chǎn)生渦流的兩種情況(1)把塊狀金屬放在變化的磁場中．(2)讓塊狀金屬進(jìn)出磁場或在非勻強(qiáng)磁場中運動．3．能量變化伴隨著渦流現(xiàn)象，其他形式的能轉(zhuǎn)化成電能并最終在金屬塊中轉(zhuǎn)化為內(nèi)能．如果金屬塊放在了變化的磁場中，則磁場能轉(zhuǎn)化為電能最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；如果金屬塊進(jìn)出磁場或在非勻強(qiáng)磁場中運動，則由于克服安培力做功．金屬塊的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能．4．渦流的利與弊(1)利：利用渦流原理可制成感應(yīng)爐來冶煉金屬；利用渦流可制成磁電式、感應(yīng)式電工儀表；電能表中的阻尼器也是利用渦流原理制成的．(2)弊：在電機(jī)、變壓器等設(shè)備中，由于渦流存在，產(chǎn)生附加損耗，同時磁場減弱造成電器設(shè)備效率降低．突破二：電磁阻尼與電磁驅(qū)動的理解1．電磁驅(qū)動的原因分析當(dāng)蹄形磁鐵轉(zhuǎn)動時，穿過線圈的磁通量就發(fā)生變化，例如線圈處于如圖所示的初始狀態(tài)時，穿過線圈的磁通量為零，當(dāng)蹄形磁鐵轉(zhuǎn)動時，穿過線圈的磁通量就增加了，根據(jù)楞次定律，此時線圈中就有感應(yīng)電流產(chǎn)生，以阻礙磁通量的增加，因而線圈會跟著一起轉(zhuǎn)動起來．楞次定律的一種理解是阻礙相對運動，從而阻礙磁通量的增加，磁鐵轉(zhuǎn)動時，相對于線圈轉(zhuǎn)動，所以線圈也同方向轉(zhuǎn)動，從而“阻礙”這種相對運動，電磁驅(qū)動也可以用楞次定律來解釋．2．電磁阻尼與電磁驅(qū)動的區(qū)別電磁阻尼電磁驅(qū)動區(qū)別產(chǎn)生電流的原因由于導(dǎo)體在磁場中運動由于磁場相對于導(dǎo)體運動，導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流安培力方向安培力方向與導(dǎo)體運動方向相反，阻礙導(dǎo)體運動導(dǎo)體受安培力方向與導(dǎo)體運動方向相同，推動導(dǎo)體運動本質(zhì)聯(lián)系都屬于電磁感應(yīng)現(xiàn)象，安培力的作用效果是阻礙導(dǎo)體與磁場間發(fā)生相對運動典例精析題型一：對渦流現(xiàn)象的理解與分析例一．高頻焊接原理示意圖，如圖所示，線圈通以高頻交流電，金屬工件的焊縫中就產(chǎn)生大量焦耳熱，將焊縫熔化焊接，要使焊接處產(chǎn)生的熱量較大可采用()A．增大交變電流的電壓B．增大交變電流的頻率C．增大焊接縫的接觸電阻選項診斷結(jié)論A電阻、頻率相同，增大交變電壓，則電流變化率增大，由E＝neq\f(ΔΦ,Δt)知，感應(yīng)電動勢和渦流就增大.√B電阻和交變電壓相同，增大交變電流頻率，則電流變化率也增大．由E＝neq\f(ΔΦ,Δt)知．感應(yīng)電動勢和渦流就增大.√D．減小焊接縫的接觸電阻解析：逐項分析如下選項診斷結(jié)論C在交變電壓和頻率相同的條件下，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢相同．增大焊接縫處的接觸電阻，接觸電阻處的電壓、功率分配就越大，產(chǎn)生的熱量就會越大.√D減小焊接縫處的接觸電阻，由C選項分析知熱量不能增大.×答案：ABC變式遷移1：如圖所示，光滑金屬球從高h(yuǎn)的曲面滾下，又沿曲面的另一側(cè)上升，設(shè)金屬球初速度為零，曲面光滑，則()A．若是勻強(qiáng)磁場，球滾上的高度小于hB．若是勻強(qiáng)磁場，球滾上的高度等于hC．若是非勻強(qiáng)磁場，球滾上的高度等于hD．若是非勻強(qiáng)磁場，球滾上的高度小于h解析：若是勻強(qiáng)磁場，則穿過球的磁通量不發(fā)生變化，球中無渦流，機(jī)械能沒有損失，故球滾上的高度等于h，選項A錯B對．若是非勻強(qiáng)磁場，則穿過球的磁通量發(fā)生變化，球中有渦流產(chǎn)生，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，故球滾上的高度小于h，選項C錯D對．答案：BD題型二：對電磁驅(qū)動以及電磁阻尼的理解以及應(yīng)用例二．如圖所示，在一蹄形磁鐵下面放一個銅盤，銅盤和磁鐵均可以自由繞OO′軸轉(zhuǎn)動，兩磁極靠近銅盤，但不接觸．當(dāng)磁鐵繞軸轉(zhuǎn)動時，銅盤將()A．以相同的轉(zhuǎn)速與磁鐵同向轉(zhuǎn)動B．以較小的轉(zhuǎn)速與磁鐵同向轉(zhuǎn)動C．以相同的轉(zhuǎn)速與磁鐵反向轉(zhuǎn)動D．靜止不動解析：因磁鐵的轉(zhuǎn)動，引起銅盤中磁通量發(fā)生變化而產(chǎn)生感應(yīng)電流，進(jìn)而受安培力作用而發(fā)生轉(zhuǎn)動，由楞次定律可知安培力的作用阻礙相對運動，所以銅盤與磁鐵同向轉(zhuǎn)動，又由產(chǎn)生電磁感應(yīng)的條件可知，線圈中能產(chǎn)生電流的條件必須是磁通量發(fā)生變化．故要求線圈轉(zhuǎn)動方向與磁鐵相同而轉(zhuǎn)速小，不能同步轉(zhuǎn)動，所以正確選項是B.答案：B變式遷移2：如圖所示，條形磁鐵用細(xì)線懸掛在O點．O點正下方固定一個水平放置的鋁線圈．讓磁鐵在豎直面內(nèi)擺動，下列說法中正確的是()A．磁鐵左右擺動一次，線圈內(nèi)感應(yīng)電流的方向改變2次B．磁鐵始終受到感應(yīng)電流磁場的斥力作用C．磁鐵所受到的感應(yīng)電流對它的作用力始終是阻力D．磁鐵所受到的感應(yīng)電流對它的作用力有時是阻力有時是動力解析：磁鐵向下擺動時，根據(jù)楞次定律，線圈中產(chǎn)生逆時針方向感應(yīng)電流(從上面看)，并且磁鐵受到感應(yīng)電流對它的作用力為阻力，阻礙它靠近；磁鐵向上擺動時，根據(jù)楞次定律，線圈中產(chǎn)生順時針方向感應(yīng)電流(從上面看)，磁場受感應(yīng)電流對它的作用力仍為阻力，阻礙它遠(yuǎn)離，所以磁鐵在左右擺動一次過程中，電流方向改變3次，感應(yīng)電流對它的作用力始終是阻力，只有C項正確．答案：C強(qiáng)化訓(xùn)練選擇題1、以下為教材中的四幅圖，下列相關(guān)敘述錯誤的是（）A．甲圖是法拉第電磁感應(yīng)實驗，奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)，法拉第根據(jù)對稱性思想，做了如上實驗發(fā)現(xiàn)了磁生電的現(xiàn)象B．乙圖是真空冶煉爐，當(dāng)爐外線圈通入高頻交流電時，線圈產(chǎn)生大量熱量，從而冶煉金屬C．丙圖是無軌電車電車在行駛過程中由于車身顛簸電弓和電網(wǎng)之間容易閃現(xiàn)電火花，這是由于車弓脫離電網(wǎng)產(chǎn)生自感電動勢使空氣電離D．丁圖是電吉他中電拾音器的基本結(jié)構(gòu)金屬弦被磁化，弦振動過程中線圈中會產(chǎn)生感應(yīng)電流從而使音箱發(fā)聲。如果選用銅質(zhì)弦，電吉他不能正常工作【答案】B【解析】A．甲圖是法拉第電磁感應(yīng)實驗，奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)，法拉第根據(jù)對稱性思想，做了如上實驗發(fā)現(xiàn)了磁生電的現(xiàn)象，故A不符題意；B．真空冶煉爐，當(dāng)爐外線圈通入高頻交流電時，是爐內(nèi)的金屬產(chǎn)生渦流，在電的熱效應(yīng)下，產(chǎn)生熱量，熔化金屬（自己燒自己），故B符合題意；C．丙圖是無軌電車電車在行駛過程中由于車身顛簸電弓和電網(wǎng)之間容易閃現(xiàn)電火花，這是由于車弓脫離電網(wǎng)產(chǎn)生自感電動勢使空氣電離，故C不符題意；D．丁圖是電吉他中電拾音器的基本結(jié)構(gòu)金屬弦被磁化，弦振動過程中線圈中會產(chǎn)生感應(yīng)電流從而使音箱發(fā)聲。如果選用銅質(zhì)弦，電吉他不能正常工作，故D不符題意；故選B。2、關(guān)于渦流、電磁阻尼、電磁驅(qū)動，下列說法不正確的是（）A．電磁爐利用電磁阻尼工作，錄音機(jī)在磁帶上錄制聲音利用電磁驅(qū)動工作B．真空冶煉爐熔化金屬是利用了渦流C．金屬探測器應(yīng)用于安檢場所，探測器利用了渦流的原理D．磁電式儀表中用來做線圈骨架的鋁框能起電磁阻尼的作用【答案】A【解析】A．電磁爐利用渦流工作，錄音機(jī)在磁帶上錄制聲音利用了電流的磁效應(yīng)，故A錯誤；B．真空冶煉爐熔化金屬是利用了渦流，故B正確；C．金屬探測器應(yīng)用于安檢場所，探測器利用了渦流的原理，故C正確；D．磁電式儀表中用來做線圈骨架的鋁框能起電磁阻尼的作用，故D正確。本題選不正確的，故選A。3、雅禮中學(xué)99級校友陽萌發(fā)現(xiàn)不同系統(tǒng)的智能都有其各自的充電器，且不能通用。陽萌和他的團(tuán)隊花了一年多時間研發(fā)出一種帶有萬能芯片可以自動識別不同系統(tǒng)智能的充電器Anker，其中有一款產(chǎn)品支持無線充電技術(shù)，該技術(shù)使用的是以下哪一種物理原理（）A．電流熱效應(yīng) B．電磁感應(yīng)C．靜電感應(yīng) D．霍爾效應(yīng)【答案】B【詳解】無線充電是指利用電磁感應(yīng)原理進(jìn)行充電的設(shè)備，在發(fā)送和接收端各有一個線圈，發(fā)送端線圈連接交流電源產(chǎn)生變化磁場，接收端線圈因為磁通量變化從而產(chǎn)生電流給電池充電。故選B。4、安檢門原理圖如圖所示，左邊門框中有一通電線圈，右邊門框中有一接收線圈。若工作過程中某段時間內(nèi)通電線圈中存在順時針方向（左視圖）均勻增大的電流，則下列說法正確的是（電流方向判斷均從左向右觀察）（）A．有金屬片通過時，金屬片中會感應(yīng)出渦流B．有金屬片通過時，接收線圈中的感應(yīng)電流的方向可能改變C．無金屬片通過時，接收線圈中的感應(yīng)電流的方向為順時針D．無金屬片通過時，接收線圈中的感應(yīng)電流可能逐漸減小【答案】A【詳解】A．通電線圈中的電流均勻增大，則產(chǎn)生的磁場均勻增大，有金屬片通過時，穿過金屬片中的磁通量均勻增大，金屬片中會感應(yīng)出渦流，故A正確；B．金屬片中渦流的磁場與通電線圈中產(chǎn)生的磁場方向相反，雖然會對接收線圈中磁通量的增大有一定的阻礙作用，但不能阻止接收線圈中磁通量增大，所以接收線圈中的感應(yīng)電流的方向不會改變，故B錯誤；CD．無金屬片通過時，接收線圈中的磁通量由左向右均勻增大，根據(jù)楞次定律可知感應(yīng)電流的方向為逆時針，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律可知接收線圈中的感應(yīng)電動勢不變，感應(yīng)電流不變，故CD錯誤。故選A。5、以下為教材中的四幅圖，下列相關(guān)敘述錯誤的是（）A．甲圖是法拉第電磁感應(yīng)實驗，奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)，法拉第根據(jù)對稱性思想，做了如上實驗發(fā)現(xiàn)了磁生電的現(xiàn)象B．乙圖是真空治煉爐，當(dāng)爐外線圈通入高頻交流電時，線圈產(chǎn)生大量熱量，從而冶煉金屬C．丙圖是金屬探測器。探測環(huán)中的發(fā)射線圈通以正弦式電流，附近的被測金屬物中會產(chǎn)生渦流D．丁圖是電吉他中電拾音器的基本結(jié)構(gòu)，金屬弦被磁化，弦振動過程中線圈中會產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而使音箱發(fā)聲。如果選用銅質(zhì)弦，電吉他不能正常工作【答案】B【詳解】A．奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)，法拉第發(fā)現(xiàn)了“磁生電”，故A正確；B．真空冶煉爐，當(dāng)爐外線圈通入高頻交流電時，是爐內(nèi)的金屬產(chǎn)生渦流，在電的熱效應(yīng)下，產(chǎn)生熱量，熔化金屬，故B錯誤；C．丙圖是金屬探測器。探測環(huán)中的發(fā)射線圈通以正弦式電流，附近的被測金屬物中會產(chǎn)生渦流，故C正確；D．電吉他的拾音器由磁鐵和線圈組成，鋼弦被磁化，彈動鋼弦，相當(dāng)于線圈做切割磁感線運動，在線圈中就會產(chǎn)生對應(yīng)的音頻電流，電流經(jīng)放大后通過音箱，我們就聽到了聲音，而銅不可以被磁化，則選用銅質(zhì)弦，電吉他不能正常工作，故D正確。本題選擇錯誤的，故選B。6、如圖所示，條形磁鐵用細(xì)線懸掛于O點，一金屬圓環(huán)放置在O點正下方的水平絕緣桌面上?，F(xiàn)將磁鐵拉至左側(cè)某一高度后由靜止釋放，磁鐵在豎直面內(nèi)擺動，在其第一次擺至右側(cè)最高點的過程中，圓環(huán)始終靜止。則下列說法正確的是（）A．磁鐵始終受到圓環(huán)的斥力作用B．圓環(huán)中的感應(yīng)電流方向保持不變C．磁鐵從左到右經(jīng)過豎直線兩側(cè)位置時，桌面對圓環(huán)的摩擦力方向相反D．磁鐵在O點兩側(cè)最高點的重力勢能不相等【答案】D【解析】A．由楞次定律推論可知，磁鐵靠近圓環(huán)時受到斥力作用，遠(yuǎn)離圓環(huán)時受到引力作用，A錯誤；B．磁鐵由釋放到第一次運動到右側(cè)最高點的過程中，穿過圓環(huán)的磁通量先增大后減小，由于穿過圓環(huán)的磁場方向不變，而磁通量的變化趨勢發(fā)生了改變，因此感應(yīng)電流的方向發(fā)生變化，B錯誤；C．根據(jù)楞次定律，磁鐵從左到右經(jīng)過豎直線兩側(cè)位置時，圓環(huán)都有向右滑動的趨勢，故桌面對圓環(huán)的摩擦力方向均向左，C錯誤；D．由楞次定律推論可知，感應(yīng)電流總是阻礙磁鐵與圓環(huán)之間的相對運動，感應(yīng)電流對磁鐵的作用力總是阻力，因此磁鐵在右側(cè)的最高點比釋放點低，則磁鐵在兩側(cè)最高點的重力勢能不相等，D正確。7、電磁爐又名電磁灶（圖1），它無須明火或傳導(dǎo)式加熱而讓熱直接在鍋底產(chǎn)生，因此熱效率得到了極大的提高。圖2是描述電磁爐工作原理的示意圖，下列說法正確的是（）A．電磁爐通電線圈加直流電，電流越大，電磁爐加熱效果越好B．電磁爐原理是通電線圈加交流電后，在鍋底產(chǎn)生渦流，進(jìn)而發(fā)熱工作C．在鍋和電磁爐中間放一絕緣物質(zhì)，電磁爐不能起到加熱作用D．電磁爐的鍋不能用陶瓷鍋或耐熱玻璃鍋，主要原因是這些材料的導(dǎo)熱性能較差【答案】B【解析】A．電磁爐通電線圈加直流電，會產(chǎn)生恒定磁場，穿過鍋底的磁通量不會發(fā)生變化，不能產(chǎn)生渦流，所以沒有加熱效果，故A錯誤；B．電磁爐的原理是磁場感應(yīng)渦流加熱，即利用交變電流通過線圈產(chǎn)生交變磁場，所以電磁爐通過線圈加交流電后，在鍋底產(chǎn)生渦流，進(jìn)而發(fā)熱工作，故B正確；C．在鍋和電磁爐中間放一絕緣物質(zhì)，不會影響渦流的產(chǎn)生，因此不會影響電磁爐的加熱作用，故C錯誤；D．金屬鍋自身產(chǎn)生無數(shù)小渦流而直接加熱鍋，陶瓷鍋或耐熱玻璃鍋屬于絕緣材料，不會產(chǎn)生渦流，而不是因為導(dǎo)熱性能較差，故D錯誤。8、磁電式電流表是常用的電學(xué)實驗器材。如圖所示，電表內(nèi)部由線圈、磁鐵極靴、圓柱形.軟鐵螺旋彈簧等構(gòu)成。下列說法正確的是（）A．極靴與圓柱形軟鐵之間為勻強(qiáng)磁場.B．當(dāng)線圈中電流方向改變時，線圈受到的安培力方向不變C．通電線圈通常繞在鋁框上，主要因為鋁的電阻率小，可以減小焦耳熱的產(chǎn)生D．在運輸時.通常把正、負(fù)極接線柱用導(dǎo)線連在一起，是應(yīng)用了電磁阻尼的原理【答案】D【詳解】A．極靴與圓柱間的磁場是均勻地輻向分布，并不是勻強(qiáng)磁場，故A選項錯誤；B．當(dāng)線圈中電流方向改變時，磁場方向不變，所以線圈受到的安培力方向發(fā)生改變，故B選項錯誤；C．用金屬鋁做線圈框架，主要的原因有：1、鋁不導(dǎo)磁，用鋁做框架可以減小對磁場的影響，保證儀表的準(zhǔn)確性更高。2、鋁材料較輕、電阻率較小，能更好地利用電磁阻尼現(xiàn)象，使指針迅速停下來。故C選項錯誤；D．運輸過程中由于振動會使指針不停擺動，可能會使指針損壞。將接線柱用導(dǎo)線連在一起，相當(dāng)于把表的線圈電路組成閉合回路，在指針擺動過程中線圈切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電流，利用電磁阻尼原理，阻礙指針擺動，防止指針因撞擊而變形，故D選項正確。故選D。9、車速表是用來測量車輛瞬時速度的一種裝置，其工作原理如圖所示。永久磁鐵固定在驅(qū)動軸上，當(dāng)車運動時，驅(qū)動軸會帶動磁鐵轉(zhuǎn)動，由于電磁感應(yīng)，由金屬做成的速度盤也會隨之轉(zhuǎn)動，從而帶動指針指示出相應(yīng)的速度。則下列說法正確的是轉(zhuǎn)動，從而帶動指針指示出相應(yīng)的速度。則下列說法正確的是（）A．速度盤和磁鐵將以相同的角速度同時轉(zhuǎn)動B．在速度盤