高中物理 第四章 電磁感應(yīng) 第7節(jié) 渦流電磁阻尼和電磁驅(qū)動導(dǎo)

1、第七節(jié)：渦流【學(xué)習(xí)目標(biāo)】（1）、知道渦流是如何產(chǎn)生的（2）、知道渦流的利與弊，以及如何利用和防止渦流（3）、通過舊知識分析新問題弄清渦流的產(chǎn)生原因（3）、利用理論聯(lián)系實際的方法加深理解渦流【學(xué)習(xí)重點】渦流的產(chǎn)生原因和渦流的作用【學(xué)習(xí)難點】渦流的產(chǎn)生原因【學(xué)習(xí)方法】實驗法、探究法【學(xué)習(xí)過程】一、知能準(zhǔn)備1渦流概念: 2渦流產(chǎn)生原因: 3渦流的利用與控制(1)利用 (2)控制 4電磁驅(qū)動原理: 二、疑難分析:(一)渦流定義 塊狀金屬放在變化的磁場中，或讓它在磁場中運動，金屬塊內(nèi)有感應(yīng)電場產(chǎn)生，從而形成閉合回路，這時感生電場力可以在整塊金屬內(nèi)部引起閉合渦旋狀的感應(yīng)電流，所以叫做渦電流?！皽u電流”簡稱

2、渦流。(二)渦流的熱效應(yīng) 當(dāng)變壓器的線圈中通過交變電流時，在鐵芯內(nèi)部有變化的磁場，因而產(chǎn)生感生電場，引起渦流。渦流在通過電阻時也要放出焦耳熱。1應(yīng)用：利用的熱效應(yīng)進(jìn)行加熱的方法稱為感應(yīng)加熱。而渦流的大小和磁通量變化率成正比，磁場變化的頻率越高，導(dǎo)體里的渦流也越大。實際上,一般使用高頻交流電激發(fā)渦流。如：A高頻焊接：線圈中通以高頻交流電時，待焊接的金屬工件中就產(chǎn)生感應(yīng)電流（渦電流）。由于焊縫處的接觸電阻很大，放出的焦耳熱很多，致使溫度升得很高，將金屬熔化，焊接在一起。我國產(chǎn)生的自行車架就是用這種方法焊接的。 B高頻感應(yīng)爐 高頻感應(yīng)爐利用渦流來熔化金屬。圖是冶煉金屬的感應(yīng)爐的示意圖冶煉鍋內(nèi)裝入被冶

3、煉的金屬，線圈通上高頻交變電流，這時被冶煉的金屬中就產(chǎn)生很強的渦流，從而產(chǎn)生大量的熱使金屬熔化這種冶煉方法速度快，溫度容易控制，并能避免有害雜質(zhì)混入被冶煉的金屬中，因此適于冶煉特種合金和特種鋼 C電磁爐電磁爐的工作原理是采用磁場感應(yīng)渦加流加熱原理，利用電流通過線圈產(chǎn)生磁場，當(dāng)磁場內(nèi)的磁力線通過鐵質(zhì)鍋底時會產(chǎn)生無數(shù)的渦流是鍋的本身自行高速發(fā)熱，然后再作用于鍋內(nèi)食物。這種最新的加熱方式，能減少熱量傳遞的中間環(huán)節(jié)，可大大提升制熱效率，比傳統(tǒng)爐具（電爐、氣爐）節(jié)省能源一半以上。 2控制：導(dǎo)體在非均勻磁場中移動或處在隨時間變化的磁場中時，因渦流而導(dǎo)致能量損耗稱為渦流損耗。渦流損耗的大小與磁場的

4、變化方式、導(dǎo)體的運動、導(dǎo)體的幾何形狀、導(dǎo)體的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率等因素有關(guān)。變壓器、電機鐵芯中的渦流熱效應(yīng)不僅損耗能量，嚴(yán)重時還會使設(shè)備燒毀為減少渦流，變壓器、電機中的鐵芯都是用很薄的硅鋼片疊壓而成。因為在導(dǎo)體中渦流的大小和電阻有關(guān)，電阻越大渦流越小。為了減小渦流造成的熱損耗，電機和變壓器的鐵芯常采用多層彼此絕緣的硅鋼片迭加而成(材料采用硅鋼以增加電阻)。這些薄片表面涂有薄層絕緣漆或絕緣的氧化物。磁通穿過薄片的狹窄截面時，渦流被限制在沿各片中的一些狹小回路流過，這些回路中的凈電動勢較小，回路的長度較大，再由于這種薄片材料的電阻率大，這樣就可以顯著地減小渦流損耗。所以，交流電機、電器中廣泛采用疊片鐵心

5、。(三)渦流的磁效應(yīng) 1電磁阻尼現(xiàn)象：把銅板做成的擺放到電磁鐵的磁場中，當(dāng)電磁鐵未通電時，擺要往復(fù)多次，擺才能停止下來如果電磁鐵通電，磁場在擺動的銅板中產(chǎn)生渦流。渦流受磁場作用力的方向與擺動方向相反，因而增大了擺的阻尼，擺很快就能停止下來。這種現(xiàn)象稱為電磁阻尼。 2應(yīng)用：電磁儀表中的電磁阻尼器就是根據(jù)渦流磁效應(yīng)制作的，在磁電式測量儀表中，常把使指針偏轉(zhuǎn)的線圈繞在閉合鋁框上，當(dāng)測量電流流過線圈時，鋁框隨線圈指針一起在磁場中轉(zhuǎn)動，這時鋁框內(nèi)產(chǎn)生的渦流將受到磁場作用力，抑止指針的擺動，使指針較快地穩(wěn)定在指示位置上。此外，電氣機車的電磁制動器也是根據(jù)這一效應(yīng)制作的。(四) 渦流的機械效應(yīng)-電磁驅(qū)動在磁

6、場運動時帶動導(dǎo)體一起運動，這種作用稱為“電磁驅(qū)動”作用。當(dāng)磁鐵轉(zhuǎn)動時，根據(jù)楞次定律此時在圓盤上將產(chǎn)生渦流，受到磁場的作用力將產(chǎn)生一個促使金屬圓盤按磁場旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生轉(zhuǎn)動的力矩。但是如果圓盤的轉(zhuǎn)速達(dá)到了與磁場轉(zhuǎn)速一樣，則兩者的相對速度為零，感應(yīng)電流便不會產(chǎn)生，這時電磁驅(qū)動作用便消失。所以在電磁驅(qū)動作用下，金屬圓盤的轉(zhuǎn)速總要比磁鐵或磁場的轉(zhuǎn)速小，或者說兩者的轉(zhuǎn)速總是異步的。感應(yīng)式異步電動機就是根據(jù)這個原理制成的。電磁驅(qū)動作用可用來制造測量轉(zhuǎn)速的電表，這類轉(zhuǎn)速表常稱為磁性式轉(zhuǎn)速表。用磁性式轉(zhuǎn)速表測量轉(zhuǎn)速時，將被測機器的轉(zhuǎn)軸通過連接器和傳動機構(gòu)與轉(zhuǎn)速表中的永久磁鐵的轉(zhuǎn)軸相連，永久磁鐵一般是由一塊充以四個

7、極的磁鋼制成，這便形成一個旋轉(zhuǎn)磁場。在永久磁鐵的上方有一個金屬圓盤，稱為感應(yīng)片。感應(yīng)片與永久磁鐵間有很小的氣隙，兩者互不接觸。當(dāng)永久磁鐵隨著機器的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，感應(yīng)片上將產(chǎn)生渦流。這渦流又將受到這旋轉(zhuǎn)磁場的作用力，結(jié)果感應(yīng)片被驅(qū)動，從而沿永久磁鐵的旋轉(zhuǎn)方向運動。感應(yīng)片的轉(zhuǎn)動將帶動與感應(yīng)片轉(zhuǎn)軸相連的彈簧，將其扭緊，從而產(chǎn)生彈性恢復(fù)轉(zhuǎn)矩。最后，當(dāng)感應(yīng)片轉(zhuǎn)過一定的角度，由電磁驅(qū)動作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩剛巧與彈性恢復(fù)的轉(zhuǎn)矩抵消時，便達(dá)到一個暫時平衡狀態(tài)。由機器帶動轉(zhuǎn)動的永久磁鐵轉(zhuǎn)速越快，感應(yīng)片受到的電磁驅(qū)動作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩越大，因而指針的偏轉(zhuǎn)角度就越大。這樣，便可通過指針的偏轉(zhuǎn)角度來顯示機器的轉(zhuǎn)速。三、方法點撥

8、: 渦流是由于變化的磁場產(chǎn)生電場,這種電場稱為渦旋電場，這時渦旋電場力可以在整塊金屬內(nèi)部引起渦電流。因此渦流的大小取決于回路電阻和磁場變化率四、典型例題:【例題1】用絲線懸掛閉合金屬環(huán)，懸于O點，虛線左邊有勻強磁場，右邊沒有磁場。金屬環(huán)的擺動會很快停下來。試解釋這一現(xiàn)象。若整個空間都有向外的勻強磁場，會有這種現(xiàn)象嗎？分析：只有左邊有勻強磁場，金屬環(huán)在穿越磁場邊界時，由于磁通量發(fā)生變化，有感應(yīng)電流產(chǎn)生，于是阻礙相對運動，擺動很快停下來，這就是電磁阻尼現(xiàn)象；空間都有勻強磁場，穿過金屬環(huán)的磁通量反而不變化了，因此不產(chǎn)生感應(yīng)電流，不會阻礙相對運動?！就愖兪健咳鐖D所示，掛在彈簧下端的條形磁鐵在閉合線圈

9、內(nèi)振動，如果空氣阻力不計，則： （ ）A磁鐵的振幅不變 B磁鐵做阻尼振動C線圈中有逐漸變?nèi)醯闹绷麟?D線圈中逐漸變?nèi)醯慕涣麟姟纠}2】如圖所示，abcd是一閉合的小金屬線框，用一根絕緣的細(xì)桿掛在固定點O，使金屬線框在豎直平面內(nèi)來回擺動的過程穿過水平方向的勻強磁場區(qū)域，磁感線方向跟線框平面垂直，若懸點摩擦和空氣阻力不計，則( )進(jìn)入或離開磁場區(qū)域時，都產(chǎn)生感應(yīng)電流，而且電流的方向相反 B.線框進(jìn)入磁場區(qū)域后，越靠近OO線時速度越大，因而產(chǎn)生的感應(yīng)電流也越大 C.線框開始擺動后，擺角會越來越小，擺角小到某一值后將不再減小 D.線框擺動過程中，機械能完全轉(zhuǎn)化為線框電路中的電能【解析】線框在進(jìn)入和離開磁場的過程中磁通量才會變化，也可以看做其部分在切割磁感線，因此有感應(yīng)電流，且由楞次定律或右手定則可確定進(jìn)入和離開磁場時感應(yīng)電流方向是相反的，故A項正確；當(dāng)線圈整體都進(jìn)入勻強磁場后，磁通量就保持不變了，此段過程中不會產(chǎn)生感應(yīng)電流，故B錯誤，但提醒一下的是此時還是有感應(yīng)電動勢的(如果是非勻強磁場，則又另當(dāng)別論了)；當(dāng)線框在進(jìn)入和離開磁場的過程中會有感應(yīng)電流產(chǎn)生，則回路中有機械能