(完整版)7.渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)

第七節(jié)：渦流電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)電磁感應(yīng)第四章選修3—2☆．回顧與思考……

根據(jù)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論：

變化的磁場(chǎng)能在周?chē)臻g激發(fā)電場(chǎng)，這種電場(chǎng)叫感生電場(chǎng)。BE

磁場(chǎng)變化產(chǎn)生感生電場(chǎng)，導(dǎo)體放在感生電場(chǎng)中，其中的自由電荷在感生電場(chǎng)力方向運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生感應(yīng)電流，電流的分布與感生電場(chǎng)線(xiàn)分布類(lèi)似。

這樣的感應(yīng)電流，看起來(lái)就像水中的旋渦，所以把它叫做渦電流，簡(jiǎn)稱(chēng)渦流。一、渦流（eddycurrent）

定義：塊狀金屬在變化的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，金屬塊內(nèi)產(chǎn)生的自成閉合回路的感應(yīng)電流，叫渦電流，簡(jiǎn)稱(chēng)渦流。

渦流是整塊導(dǎo)體發(fā)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，同樣遵守電磁感應(yīng)定律．

金屬塊中的渦流也要產(chǎn)生熱量，如果金屬的電阻率小，則渦流很強(qiáng)，產(chǎn)生的熱量也很多。渦流的利用真空冶煉爐

高頻感應(yīng)爐：利用渦流的熱效應(yīng)來(lái)熔化金屬。交流電的頻率越高，金屬熔爐中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)就越大，金屬材料的電阻率越小，產(chǎn)生的渦流熱效應(yīng)就越強(qiáng)。

高頻感應(yīng)爐優(yōu)點(diǎn)：速度快，溫度易控制，整個(gè)過(guò)程在真空中進(jìn)行，能避免有害雜質(zhì)混入被冶煉的金屬中，適于冶煉特種合金和特種鋼。渦流的利用高頻焊接

高頻焊接機(jī)原理：線(xiàn)圈中通以高頻電流，內(nèi)部焊接工件由于電磁感應(yīng)產(chǎn)生感應(yīng)電流，頻率越高，產(chǎn)生的感應(yīng)電流越大。由于焊接縫處接觸電阻很大，放出的熱量很多，致使溫度升高將金屬熔化，焊接在一起。應(yīng)用于焊接自行車(chē)車(chē)架。電磁灶采用了磁場(chǎng)感應(yīng)渦流的加熱原理。它利用陶瓷玻璃板下方的線(xiàn)圈產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，這樣，鐵鍋的鍋底部就處在交變磁場(chǎng)中而產(chǎn)生環(huán)狀電流（即渦流）使鍋本身高速發(fā)熱，從而能將飯菜煮熟。渦流的應(yīng)用探雷器門(mén)框~交流電報(bào)警電路線(xiàn)圈安檢門(mén)☆．思考與討論……

電動(dòng)機(jī)和變壓器的工作原理都跟電磁感應(yīng)現(xiàn)象有關(guān)，內(nèi)部都有鐵芯結(jié)構(gòu)，為什么電動(dòng)機(jī)和變壓器等的鐵芯都不是整塊金屬，而是用許多相互絕緣的薄硅鋼片疊合而成？電動(dòng)機(jī)的鐵芯變壓器的鐵芯

電動(dòng)機(jī)、變壓器的線(xiàn)圈都繞在鐵芯上．線(xiàn)圈中流過(guò)變化的電流，在鐵芯中產(chǎn)生的渦流使鐵芯發(fā)熱，浪費(fèi)了能量，還可能損壞電器．思考與討論

——怎樣減少渦流損耗？交變電流交變電流整塊鐵心彼此絕緣的薄片

變壓器鐵芯中的渦流損耗及改善措施渦流的防止

硅鋼片平面與磁感應(yīng)線(xiàn)平行。

變壓器、電動(dòng)機(jī)的鐵芯不采用整塊金屬，由許多相互絕緣的電阻率很大的薄硅鋼片疊合而成，目的就是為了減弱鐵芯中由于電磁感應(yīng)而產(chǎn)生的渦流的熱效應(yīng)，從而減少電能的損耗。思考與討論

一個(gè)單匝線(xiàn)圈落入磁場(chǎng)中，分析它在圖示位置時(shí)感應(yīng)電流的方向和所受安培力的方向。安培力對(duì)線(xiàn)圈的運(yùn)動(dòng)有什么影響？vIFA

（P27）磁電式電流表使用鋁框做線(xiàn)圈骨架有什么好處？

鋁框在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電流，磁場(chǎng)對(duì)感應(yīng)電流作用力阻礙鋁框的轉(zhuǎn)動(dòng)，指針隨著鋁框很快就穩(wěn)定地指在讀數(shù)位置上，達(dá)到能夠迅速讀出數(shù)據(jù)的功能。二、電磁阻尼

導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，感應(yīng)電流使導(dǎo)體受到安培力的作用，安培力的方向總是阻礙導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為電磁阻尼。

做一做：

取一靈敏電流計(jì)，用手晃動(dòng)表殼，觀(guān)察表針相對(duì)表盤(pán)擺動(dòng)的情況。

用導(dǎo)線(xiàn)把靈敏電流計(jì)的兩個(gè)接線(xiàn)柱連在一起，再次晃動(dòng)表殼，觀(guān)察表針相對(duì)表盤(pán)擺動(dòng)的情況與上次有什么不同，怎樣解釋這種差別？思考

如圖所示，彈簧下端懸掛一根磁鐵，將磁鐵托起到某高度后釋放，磁鐵能振動(dòng)較長(zhǎng)時(shí)間才停下來(lái)。如果在磁鐵下端放一固定線(xiàn)圈，磁鐵會(huì)很快停下來(lái)。這種現(xiàn)象說(shuō)明了什么？

如圖，把銅片懸掛在電磁鐵的兩極間，形成一個(gè)擺。在電磁鐵線(xiàn)圈未通電時(shí)，銅片可以自由擺動(dòng)，要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間才會(huì)停下來(lái)。一旦當(dāng)電磁鐵通電之后，由于穿過(guò)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體的磁通量發(fā)生變化，銅片內(nèi)將產(chǎn)生感應(yīng)電流。根據(jù)楞次定律，銅片擺錘的擺動(dòng)便受到阻力而迅速停止。三、電磁驅(qū)動(dòng)

磁場(chǎng)相對(duì)于導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(yùn)動(dòng)起來(lái)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為電磁驅(qū)動(dòng)。

線(xiàn)圈轉(zhuǎn)動(dòng)與磁鐵同向，但轉(zhuǎn)速小于磁鐵，即同向異步。

應(yīng)用：感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、電能表、汽車(chē)上用的電磁式速度表等。安培力對(duì)以地為參照物來(lái)說(shuō)，是動(dòng)力。但對(duì)相對(duì)磁體的運(yùn)動(dòng)來(lái)說(shuō)，是阻力?！綦姶抛枘崤c電磁驅(qū)動(dòng)的比較電磁阻尼電磁驅(qū)動(dòng)區(qū)別產(chǎn)生電流的原因由于導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)由于磁場(chǎng)相對(duì)于導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)方向相反，阻礙導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體受安培力方向與導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)方向相同，推動(dòng)導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)聯(lián)系

都屬于電磁感應(yīng)現(xiàn)象，安培力的作用效果都是阻礙導(dǎo)體與磁場(chǎng)間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)如圖4－7－2所示，一金屬球用絕緣細(xì)線(xiàn)懸掛于O點(diǎn)，將金屬球拉離平衡位置并釋放，金屬球擺動(dòng)過(guò)程中經(jīng)過(guò)有界的水平勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域，A、B為該磁場(chǎng)的豎直邊界．若不計(jì)空氣阻力，則(

)類(lèi)型一電磁阻尼的分析A．金屬球向右穿過(guò)磁場(chǎng)后，還能擺至原來(lái)的高度B．在進(jìn)入和離開(kāi)磁場(chǎng)時(shí)，金屬球中均有感應(yīng)電流C．金屬球進(jìn)入磁場(chǎng)后離平衡位置越近速度越大，感應(yīng)電流也越大D．金屬球最終將靜止在平衡位置【解析】如圖4－7－3所示，當(dāng)金屬球從1位置開(kāi)始下落，進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)(即2和3位置)，由于金屬球內(nèi)磁通量發(fā)生變化，所以有感應(yīng)電流產(chǎn)生．同時(shí)，金屬球本身有內(nèi)阻，必然有能量的轉(zhuǎn)化，即有能量的損失．圖4－7－31.如圖4－7－4所示，A、B為大小、形狀均相同且內(nèi)壁光滑，但用不同材料制成的圓管，豎直固定在相同高度．兩個(gè)相同的磁性小球，同時(shí)從A、B管上端的管口無(wú)初速度釋放，穿過(guò)A管的小球比穿過(guò)B管的小球先落到地面．下面對(duì)于兩管的描述可能正確的是(

)變式訓(xùn)練圖4－7－4A．A管是用塑料制成的，B管是用銅制成的B．A管是用鋁制成的，B管是用膠木制成的C．A管是用膠木制成的，B管是用塑料制成的D．A管是用膠木制成的，B管是用鋁制成的位于光滑水平面的小車(chē)上放置一螺線(xiàn)管，一個(gè)比螺線(xiàn)管長(zhǎng)的條形磁鐵沿著螺線(xiàn)管的軸線(xiàn)水平穿過(guò)，如圖4－7－5所示，在此過(guò)程中(

)類(lèi)型二電磁驅(qū)動(dòng)的分析和應(yīng)用圖4－7－5A．磁鐵做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)B．磁鐵做減速運(yùn)動(dòng)C．小車(chē)向右做加速運(yùn)動(dòng)D．小車(chē)先加速后減速【思路點(diǎn)撥】本題為電磁驅(qū)動(dòng)，可由楞次定律判斷作用力的方向，再由牛頓第二定律判斷運(yùn)動(dòng)情況．2.如圖4－7－6所示，把一個(gè)閉合線(xiàn)框放在蹄形磁體的兩磁極之間，蹄形磁體可以繞豎直軸轉(zhuǎn)動(dòng)，閉合線(xiàn)框也可以繞豎直軸轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)蹄形磁體逆時(shí)針(從上往下看)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，有關(guān)線(xiàn)圈的運(yùn)動(dòng)下列說(shuō)法正確的是(

)變式訓(xùn)練圖4－7－6A．線(xiàn)圈將順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)B．線(xiàn)圈仍保持靜止C．線(xiàn)圈將逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速與磁鐵相同D．線(xiàn)圈將逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速比磁鐵小解析：選D.根據(jù)電磁驅(qū)動(dòng)，磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)，線(xiàn)圈會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流和受到安培力作用，這個(gè)安培力驅(qū)動(dòng)線(xiàn)圈運(yùn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)動(dòng)的效果是阻礙它們的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此線(xiàn)圈轉(zhuǎn)動(dòng)方向與磁鐵相同，但轉(zhuǎn)速比磁鐵?。饣媾c豎直平面的交線(xiàn)是拋物線(xiàn)，如圖4－7－7所示，拋物線(xiàn)的方程是y＝x2，下半部處在一個(gè)水平方向的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)的上邊界是y＝a的直線(xiàn)(圖中的虛線(xiàn)所示)，一個(gè)小金屬塊從拋物面上y＝b(b>a)處以速度v沿拋物面下滑，假設(shè)拋物面足夠長(zhǎng)，小金屬塊沿拋物面下滑后產(chǎn)生的焦耳熱總量是(

)類(lèi)型三電磁感應(yīng)中的能量問(wèn)題【答案】

D【點(diǎn)評(píng)】小金屬塊在進(jìn)出磁場(chǎng)的過(guò)程中，磁通量發(fā)生變化，會(huì)產(chǎn)生渦流，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能．但在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，磁通量不變，不產(chǎn)生渦流，機(jī)械能守恒．3.如圖4－7－8所示，光滑弧形軌道和一足夠長(zhǎng)的光滑水平軌道相連，水平軌道上方有一足夠長(zhǎng)的金屬桿，桿上掛有一光滑螺旋管A.在弧形軌道上高為h的地方，無(wú)初速釋放一磁鐵B(可視為質(zhì)點(diǎn))，B下滑至水平軌道時(shí)恰好沿螺旋管A的中心軸運(yùn)動(dòng)，設(shè)A、B的質(zhì)量分別為M、m，若最終A、B速度分別為vA、vB.變式訓(xùn)練(1)螺旋管A將向哪個(gè)方向運(yùn)動(dòng)？(2)全過(guò)程中整個(gè)電路所消耗的電能．答案：見(jiàn)解析

【習(xí)題1】：下列關(guān)于渦流的說(shuō)法中正確的是（）

A．渦流跟平時(shí)常見(jiàn)的感應(yīng)電流一樣，都是因?yàn)榇┻^(guò)導(dǎo)體的磁通量變化而產(chǎn)生的

B．渦流不是感應(yīng)電流，而是一種有別于感應(yīng)電流的特殊電流

C．渦流有熱效應(yīng)，但沒(méi)有磁效應(yīng)

D．在硅鋼中不能產(chǎn)生渦流【解析】：渦流本質(zhì)上是感應(yīng)電流，是自身構(gòu)成回路，在穿過(guò)導(dǎo)體的磁通量變化時(shí)產(chǎn)生的，所以A對(duì)B錯(cuò)。渦流不僅有熱效應(yīng)，同其他電流一樣也有磁效應(yīng)，C錯(cuò)。硅鋼電阻率大，產(chǎn)生的渦流較小，但仍能產(chǎn)生渦流，D錯(cuò)。A

【習(xí)題2】：電磁爐是利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生的渦流，使鍋體發(fā)熱從而加熱食物．下列相關(guān)的說(shuō)法中正確的是（）

A．鍋體中渦流的強(qiáng)弱與磁場(chǎng)變化的頻率有關(guān)

B．電磁爐中通入電壓足夠高的直流電也能正常工作

C．金屬或環(huán)保絕緣材料制成的鍋體都可以利用電磁爐來(lái)烹飪食物

D．電磁爐的上表面一般都用金屬材料制成，以加快熱傳遞、減少熱損耗【解析】：渦流是高頻交流電產(chǎn)生的磁場(chǎng)引起的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，故選項(xiàng)A正確B錯(cuò)誤；電磁爐表面一般用絕緣材料制成，避免產(chǎn)生渦流，鍋體用金屬制成利用渦流加熱物體，故選項(xiàng)CD錯(cuò)誤．A題型一：關(guān)于渦流的利用和防止

【變式2】：變壓器的鐵芯是利用薄硅鋼片疊壓而成的，而不是采用一整塊硅鋼，這是因?yàn)椋ǎ?/p>

A．增大渦流，提高變壓器的效率

B．減小渦流，提高變壓器的效率

C．增大鐵芯中的電阻，以產(chǎn)生更多的熱量

D．增大鐵芯中的電阻，以減少放出的熱量【解析】：不使用整塊硅鋼而采用很薄的硅鋼片，這樣做的目的是增大鐵芯中的電阻，來(lái)減少電能轉(zhuǎn)化成鐵芯的內(nèi)能，提高效率，是防止渦流而采取的措施.BD題型一：關(guān)于渦流的利用和防止題型二：電磁阻尼的分析

【習(xí)題2】：如如圖所示，A、B為大小、形狀均相同且內(nèi)壁光滑，但用不同材料制成的圓管，豎直固定在相同高度．兩個(gè)相同的磁性小球，同時(shí)從A、B管上端的管口無(wú)初速度釋放，穿過(guò)A管的小球比穿過(guò)B管的小球先落到地面．下面對(duì)于兩管的描述可能正確的是（）

A．A管是用塑料制成的，B管是用銅制成的

B．A管是用鋁制成的，B管是用膠木制成的

C．A管是用膠木制成的，B管是用塑料制成的

D．A管是用膠木制成的，B管是用鋁制成的AD

【解析】：選AD.

磁性小球穿過(guò)金屬圓管過(guò)程中，將圓管看做由許多金屬圓環(huán)組成，小球的磁場(chǎng)使每個(gè)圓環(huán)中產(chǎn)生感應(yīng)電流，據(jù)楞次定律，該電流阻礙磁性小球的下落，小球向下運(yùn)動(dòng)的加速度小于重力加速度；小球在塑料、膠木等非金屬材料圓管中不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，小球仍然做自由落體運(yùn)動(dòng)，穿過(guò)塑料、膠木圓管的時(shí)間比穿過(guò)金屬圓管的時(shí)間少．

【變式訓(xùn)練1】：在水平放置的光滑導(dǎo)軌上，沿導(dǎo)軌固定一個(gè)條形磁鐵，如圖?，F(xiàn)有鐵、鋁和有機(jī)玻璃制成的滑塊甲、乙、丙，使它們從導(dǎo)軌上的A點(diǎn)以某一初速度向磁鐵滑去。各物塊在碰上磁鐵前的運(yùn)動(dòng)情況是（）

A．都做勻速運(yùn)動(dòng)

B．甲做加速運(yùn)動(dòng)

C．乙做勻速運(yùn)動(dòng)

D．丙做勻速運(yùn)動(dòng)鐵塊會(huì)被磁化，與磁鐵相互吸引

鋁塊不會(huì)被磁化，形成渦流，與磁鐵相互排斥BD

【變式訓(xùn)練2】：（2012·福州模擬）甲、乙兩個(gè)完全相同的銅環(huán)可繞固定軸OO′旋轉(zhuǎn)，當(dāng)它們以相同的