高二物理選修3247渦流電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)部分答案

1、第七節(jié)：渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)【課標(biāo)轉(zhuǎn)述】1、通過(guò)實(shí)驗(yàn)，了解自感現(xiàn)象和渦流現(xiàn)象。說(shuō)明自感現(xiàn)象和渦流現(xiàn)象在生活和生產(chǎn)中的應(yīng)用。2、觀察日光燈電路，分析日光燈鎮(zhèn)流器的作用和原理；觀察家用電磁灶，了解其結(jié)構(gòu)和原理?！緦W(xué)習(xí)目標(biāo)】（1）、說(shuō)出渦流是如何產(chǎn)生的（2）、說(shuō)出渦流的利與弊，以及如何利用和防止渦流（3）、通過(guò)自己舊知識(shí)分析新問(wèn)題弄清渦流的產(chǎn)生原因（3）、說(shuō)出一些實(shí)際問(wèn)題中的一些渦流現(xiàn)象并能說(shuō)出原理.【學(xué)習(xí)過(guò)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(dòng)原理: 二、疑難分析:(一)渦流定義 塊狀金屬放在變化的磁場(chǎng)中，或讓它在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，金屬塊

2、內(nèi)有感應(yīng)電場(chǎng)產(chǎn)生，從而形成閉合回路，這時(shí)感生電場(chǎng)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(jiǎn)稱渦流。(二)渦流的熱效應(yīng) 當(dāng)變壓器的線圈中通過(guò)交變電流時(shí)，在鐵芯內(nèi)部有變化的磁場(chǎng)，因而產(chǎn)生感生電場(chǎng)，引起渦流。渦流在通過(guò)電阻時(shí)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(chǎng)變化的頻率越高，導(dǎo)體里的渦流也越大。實(shí)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(shí)，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(guó)產(chǎn)

3、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(lái)熔化金屬。圖是冶煉金屬的感應(yīng)爐的示意圖冶煉鍋內(nèi)裝入被冶煉的金屬，線圈通上高頻交變電流，這時(shí)被冶煉的金屬中就產(chǎn)生很強(qiáng)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(chǎng)感應(yīng)渦加流加熱原理，利用電流通過(guò)線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，當(dāng)磁場(chǎng)內(nèi)的磁力線通過(guò)鐵質(zhì)鍋底時(shí)會(huì)產(chǎn)生無(wú)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。&

4、#160;2控制：導(dǎo)體在非均勻磁場(chǎng)中移動(dòng)或處在隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)中時(shí)，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(chǎng)的變化方式、導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)、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(jī)鐵芯中的渦流熱效應(yīng)不僅損耗能量，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)使設(shè)備燒毀為減少渦流，變壓器、電機(jī)中的鐵芯都是用很薄的硅鋼片疊壓而成。因?yàn)樵趯?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(jī)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(guò)薄片的狹窄截面時(shí)，渦流被限制在沿各片中的一些狹小回路流過(guò)，這些回路中的凈電

5、動(dòng)勢(shì)較小，回路的長(zhǎng)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(jī)、電器中廣泛采用疊片鐵心。(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(chǎng)中，當(dāng)電磁鐵未通電時(shí)，擺要往復(fù)多次，擺才能停止下來(lái)如果電磁鐵通電，磁場(chǎng)在擺動(dòng)的銅板中產(chǎn)生渦流。渦流受磁場(chǎng)作用力的方向與擺動(dòng)方向相反，因而增大了擺的阻尼，擺很快就能停止下來(lái)。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(cè)量?jī)x表中，常把使指針偏轉(zhuǎn)的線圈繞在閉合鋁框上，當(dāng)測(cè)量電流流過(guò)線圈時(shí)，鋁框隨線圈指針一起在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)鋁框內(nèi)產(chǎn)生的渦流將受到磁場(chǎng)作用力，抑止指針

6、的擺動(dòng)，使指針較快地穩(wěn)定在指示位置上。此外，電氣機(jī)車的電磁制動(dòng)器也是根據(jù)這一效應(yīng)制作的。(四) 渦流的機(jī)械效應(yīng)-電磁驅(qū)動(dòng)在磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)導(dǎo)體一起運(yùn)動(dòng)，這種作用稱為“電磁驅(qū)動(dòng)”作用。當(dāng)磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)楞次定律此時(shí)在圓盤(pán)上將產(chǎn)生渦流，受到磁場(chǎng)的作用力將產(chǎn)生一個(gè)促使金屬圓盤(pán)按磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩。但是如果圓盤(pán)的轉(zhuǎn)速達(dá)到了與磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速一樣，則兩者的相對(duì)速度為零，感應(yīng)電流便不會(huì)產(chǎn)生，這時(shí)電磁驅(qū)動(dòng)作用便消失。所以在電磁驅(qū)動(dòng)作用下，金屬圓盤(pán)的轉(zhuǎn)速總要比磁鐵或磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速小，或者說(shuō)兩者的轉(zhuǎn)速總是異步的。感應(yīng)式異步電動(dòng)機(jī)就是根據(jù)這個(gè)原理制成的。電磁驅(qū)動(dòng)作用可用來(lái)制造測(cè)量轉(zhuǎn)速的電表，這類轉(zhuǎn)速表常稱為磁性式轉(zhuǎn)速表

7、。用磁性式轉(zhuǎn)速表測(cè)量轉(zhuǎn)速時(shí)，將被測(cè)機(jī)器的轉(zhuǎn)軸通過(guò)連接器和傳動(dòng)機(jī)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(gè)極的磁鋼制成，這便形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。在永久磁鐵的上方有一個(gè)金屬圓盤(pán)，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(jī)器的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，感應(yīng)片上將產(chǎn)生渦流。這渦流又將受到這旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用力，結(jié)果感應(yīng)片被驅(qū)動(dòng)，從而沿永久磁鐵的旋轉(zhuǎn)方向運(yùn)動(dòng)。感應(yīng)片的轉(zhuǎn)動(dòng)將帶動(dòng)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(guò)一定的角度，由電磁驅(qū)動(dòng)作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩剛巧與彈性恢復(fù)的轉(zhuǎn)矩抵消時(shí)，便達(dá)到一個(gè)暫時(shí)平衡狀態(tài)。由機(jī)器帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)的永久磁鐵轉(zhuǎn)速越快，感

8、應(yīng)片受到的電磁驅(qū)動(dòng)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(guò)指針的偏轉(zhuǎn)角度來(lái)顯示機(jī)器的轉(zhuǎn)速。三、方法點(diǎn)撥: 渦流是由于變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng),這種電場(chǎng)稱為渦旋電場(chǎng)，這時(shí)渦旋電場(chǎng)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(chǎng)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(diǎn)，虛線左邊有勻強(qiáng)磁場(chǎng)，右邊沒(méi)有磁場(chǎng)。金屬環(huán)的擺動(dòng)會(huì)很快停下來(lái)。試解釋這一現(xiàn)象。若整個(gè)空間都有向外的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，會(huì)有這種現(xiàn)象嗎？分析：只有左邊有勻強(qiáng)磁場(chǎng)，金屬環(huán)在穿越磁場(chǎng)邊界時(shí)，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(duì)運(yùn)動(dòng)，擺動(dòng)很快停下來(lái)，這就是電磁阻尼現(xiàn)象；空間都有勻強(qiáng)磁場(chǎng)，

9、穿過(guò)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(huì)阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)?！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內(nèi)振動(dòng)，如果空氣阻力不計(jì)，則： （ ）A磁鐵的振幅不變 B磁鐵做阻尼振動(dòng)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(diǎn)O，使金屬線框在豎直平面內(nèi)來(lái)回?cái)[動(dòng)的過(guò)程穿過(guò)水平方向的勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域，磁感線方向跟線框平面垂直，若懸點(diǎn)摩擦和空氣阻力不計(jì)，則( )A.線框進(jìn)入或離開(kāi)磁場(chǎng)區(qū)域時(shí)，都產(chǎn)生感應(yīng)電流，而且電流的方向相反 B.線框進(jìn)入磁場(chǎng)區(qū)域后，越靠近OO線時(shí)速度越大，因而產(chǎn)生的感應(yīng)電流也越大 C.線框開(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.線框擺動(dòng)過(guò)程中，機(jī)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(kāi)磁場(chǎng)的過(guò)程中磁通量才會(huì)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(kāi)磁場(chǎng)時(shí)感應(yīng)電流方向是相反的，故A項(xiàng)正確；當(dāng)線圈整體都進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)后，磁通量就保持不變了，此段過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，故B錯(cuò)誤，但提醒一下的是此時(shí)還是有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的(如果是非勻強(qiáng)磁場(chǎng)，則又另當(dāng)別論了)；當(dāng)線框在進(jìn)入和離開(kāi)磁場(chǎng)的過(guò)程中會(huì)有感應(yīng)電流產(chǎn)生，則回路中有機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，或者