H4.7涡流,电磁阻尼和电磁驱动

1、高中物理高中物理选修选修3-3-2 2人教版人教版第四章第四章 电磁感应电磁感应4.7 4.7 涡流、电磁阻尼和电磁驱动涡流、电磁阻尼和电磁驱动合F 根据麦克斯韦电磁场根据麦克斯韦电磁场理论，当如右图所示的磁场理论，当如右图所示的磁场变化时，导体中的自由电子变化时，导体中的自由电子就会在此电场力的作用下定就会在此电场力的作用下定向移动从而产生感应电流，向移动从而产生感应电流，这种感应电流是像旋涡一样这种感应电流是像旋涡一样的闭合的曲线，我们把它叫的闭合的曲线，我们把它叫涡电流涡电流。B BE E定义定义 变压器在工作时，除了在原、副线圈产生变压器在工作时，除了在原、副线圈产生感应电动势外，变化

2、的磁通量也会在铁芯中产感应电动势外，变化的磁通量也会在铁芯中产生感应电流。生感应电流。 一般来说，只要空间有变化的磁通量，其一般来说，只要空间有变化的磁通量，其中的导体就会产生感应电流，我们把这种感应中的导体就会产生感应电流，我们把这种感应电流叫做电流叫做涡流涡流。定义由来定义由来实验实验1 1： 如图线圈接入如图线圈接入220V220V交变电源，块状铁芯插交变电源，块状铁芯插入线圈中入线圈中，感知铁芯的变化。感知铁芯的变化。 现象：现象：几分钟后感到铁芯变热。几分钟后感到铁芯变热。 解释：解释：原来把块状的金属放在变化的磁场中原来把块状的金属放在变化的磁场中或让它在磁场中运动时，金属块内将产

3、生感应电或让它在磁场中运动时，金属块内将产生感应电流，这种电流在金属块内自成闭合电路，很像水流，这种电流在金属块内自成闭合电路，很像水的漩涡，因此叫做涡电流，简称涡流。的漩涡，因此叫做涡电流，简称涡流。注意注意 （1 1）金属块中的涡流也要产生）金属块中的涡流也要产生热量热量, ,如果金属如果金属的电阻率小，则涡流很强，产生的热量也很多。的电阻率小，则涡流很强，产生的热量也很多。 （2 2）涡流是整块导体发生的电磁感应现象，）涡流是整块导体发生的电磁感应现象，同样遵守电磁感应定律。由于整块金属的电阻通常同样遵守电磁感应定律。由于整块金属的电阻通常很小，故涡流常常很大。很小，故涡流常常很大。 应

4、用应用（1 1）真空冶炼炉，高频焊接）真空冶炼炉，高频焊接 冶炼金属的高频感冶炼金属的高频感应电炉就是利用高频交应电炉就是利用高频交流电，通过线圈使装入流电，通过线圈使装入冶炼炉内的金属中产生冶炼炉内的金属中产生很强的涡流，从而产生很强的涡流，从而产生大量的热使金属熔化。大量的热使金属熔化。抽真空抽真空焊接原理：焊接原理： 线圈中通以高频交线圈中通以高频交流时，待焊接的金属工流时，待焊接的金属工件中就产生感应电流，件中就产生感应电流，由于焊接缝处的接触电由于焊接缝处的接触电阻很大，放出的焦耳热阻很大，放出的焦耳热很多，致使温度升得很很多，致使温度升得很高，将金属熔化，焊接高，将金属熔化，焊接在

5、一起在一起. . 交变电流的频率越高，它产生的磁场的变化交变电流的频率越高，它产生的磁场的变化就越快，根据就越快，根据法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律，在待焊接工，在待焊接工件中产生的感应电动势就越大，感应电流就越大件中产生的感应电动势就越大，感应电流就越大. .而放出的电热与电流的平方成正比，所以交变电而放出的电热与电流的平方成正比，所以交变电流的频率越高焊接处放出的热量越多流的频率越高焊接处放出的热量越多. .生活中的物理：电磁灶的工作原理生活中的物理：电磁灶的工作原理 电磁灶的台面下布满了金属导线缠绕的电磁灶的台面下布满了金属导线缠绕的线圈，当通上交替变化极快的交流电时，在台板线圈，

6、当通上交替变化极快的交流电时，在台板与铁锅底之间产生强大的交变的磁场，磁感线穿与铁锅底之间产生强大的交变的磁场，磁感线穿过锅体，使锅底产生强涡流，当涡流受材料电阻过锅体，使锅底产生强涡流，当涡流受材料电阻的阻碍时，就放出大量的热量，将饭菜煮熟。的阻碍时，就放出大量的热量，将饭菜煮熟。（2 2）探雷器）探雷器自制金属探测器 这种探雷器可这种探雷器可以用来探测金属壳以用来探测金属壳的地雷或有较大金的地雷或有较大金属零件的地雷。属零件的地雷。 探测地雷的探雷探测地雷的探雷器是利用涡流工作器是利用涡流工作的，士兵手持一个的，士兵手持一个长柄线圈在地面上长柄线圈在地面上扫过，线圈中有变扫过，线圈中有变化

7、的电流。化的电流。探雷器是利用探雷器是利用涡流涡流制成的制成的探雷器 如果地下埋着如果地下埋着金属物品，金属中感金属物品，金属中感应涡流，涡流的磁场应涡流，涡流的磁场反过来影响线圈中的反过来影响线圈中的电流，使仪器报警。电流，使仪器报警。 探雷器（3 3）安检门）安检门门框门框报警电路报警电路线圈线圈机场的安机场的安检门可以检门可以探测人身探测人身携带的金携带的金属物品，属物品，道理和探道理和探雷器是一雷器是一样的。样的。其它应用其它应用 新型炉灶新型炉灶电磁炉。电磁炉。 金属探测器：飞机场、火车站安全检查、扫金属探测器：飞机场、火车站安全检查、扫雷、探矿。雷、探矿。电磁炉危害危害 导体在产生

8、涡流的过程中，涡流也会产生导体在产生涡流的过程中，涡流也会产生热量这样的话会造成很多的能源浪费，还可能烧热量这样的话会造成很多的能源浪费，还可能烧坏电器！（例如在电动机和变压器里面）坏电器！（例如在电动机和变压器里面）问题：问题：电动机和变压器电动机和变压器里面里面铁芯铁芯的作用？的作用？ 变压器、电机的变压器、电机的铁芯铁芯都不是整块金属，都不是整块金属，而是由许多相互绝缘的电阻率很大的薄硅钢片叠而是由许多相互绝缘的电阻率很大的薄硅钢片叠合而成的，以减少涡流和电能的损耗，同时避免合而成的，以减少涡流和电能的损耗，同时避免破坏绝缘层。破坏绝缘层。铁芯的作用铁芯的作用用硅钢片做变压器的铁芯防止防

9、止 原因：原因：上面的实验中，把块状铁芯换成硅钢片上面的实验中，把块状铁芯换成硅钢片铁芯，再接通电源，几分钟后，通过感知，温度没铁芯，再接通电源，几分钟后，通过感知，温度没有明显变化。有明显变化。 解释：解释：涂有绝缘的薄硅钢片叠加的铁芯，在涂有绝缘的薄硅钢片叠加的铁芯，在变化的磁场中，产生的涡流被限制在狭窄的薄片变化的磁场中，产生的涡流被限制在狭窄的薄片之内，回路的电阻很大，涡流大为减弱，又因为之内，回路的电阻很大，涡流大为减弱，又因为硅钢片比普通的电阻大，可以进一步减小涡流损硅钢片比普通的电阻大，可以进一步减小涡流损失，电动机和变压器的铁芯都不是整块金属。线失，电动机和变压器的铁芯都不是整

10、块金属。线圈中流过变化的电流圈中流过变化的电流, ,在铁芯中产生的涡流使铁在铁芯中产生的涡流使铁芯发热芯发热, ,浪费了能量浪费了能量, ,还可能还可能损坏损坏电器。电器。（1 1）增大铁芯材料的电阻率）增大铁芯材料的电阻率, ,常用的材料是硅钢。常用的材料是硅钢。减少涡流的途径减少涡流的途径 （2 2）用互相绝缘的硅钢片叠成的铁芯来代）用互相绝缘的硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯。替整块硅钢铁芯。知识拓展知识拓展涡涡流流损损耗耗 导体在非均匀磁场中移动或处在随时导体在非均匀磁场中移动或处在随时间变化的磁场中时，因涡流而导致能量损耗间变化的磁场中时，因涡流而导致能量损耗称为称为涡流损耗涡流损

11、耗。 涡流损耗的大小与磁场的变化方式、涡流损耗的大小与磁场的变化方式、导体的运动、导体的几何形状、导体的磁导导体的运动、导体的几何形状、导体的磁导率和电导率等因素有关。涡流损耗的计算需率和电导率等因素有关。涡流损耗的计算需根据导体中的电磁场的方程式，结合具体问根据导体中的电磁场的方程式，结合具体问题的上述诸因素进行。题的上述诸因素进行。涡涡流流检检测测 涡流检测适用于导电材料探伤，涡流检测适用于导电材料探伤，常见的金属材料可分为两大类：非铁磁性常见的金属材料可分为两大类：非铁磁性材料和铁磁性材料。后者为铜、铝、钛及材料和铁磁性材料。后者为铜、铝、钛及其合金和奥氏体不锈钢；前者为钢、铁及其合金和

12、奥氏体不锈钢；前者为钢、铁及其合金。它们的本质差别是材质磁导率其合金。它们的本质差别是材质磁导率约为约为1 1或远大于或远大于1 1 。在发电厂，除復水器等。在发电厂，除復水器等少量管道使用铜、钛、奥氏体不锈钢非铁少量管道使用铜、钛、奥氏体不锈钢非铁磁性材料外，大量管道都采用钢管等铁磁磁性材料外，大量管道都采用钢管等铁磁性材料，典型的应用有省煤器、水冷壁等。性材料，典型的应用有省煤器、水冷壁等。 如图（图一）所示，一个单匝线圈落入磁场如图（图一）所示，一个单匝线圈落入磁场中，分析它在图示位置时感应电流的方向和所受安中，分析它在图示位置时感应电流的方向和所受安培力的方向，安培力对线圈的运动有什么

13、影响？培力的方向，安培力对线圈的运动有什么影响？图一图一 当导体在磁场中运动时当导体在磁场中运动时, ,感应电流会使导体感应电流会使导体受到安培力受到安培力, ,安培力的方向总是阻碍导体的运动安培力的方向总是阻碍导体的运动- -电磁阻尼电磁阻尼。 如磁场相对于导体转如磁场相对于导体转动动, ,在导体中会产生感应电在导体中会产生感应电流流, ,感应电流使导体受到安感应电流使导体受到安培力的作用培力的作用, ,安培力使导体安培力使导体运动起来运动起来-电磁驱动电磁驱动。 交流感应电动机就是利用电磁驱动的原交流感应电动机就是利用电磁驱动的原理工作的。理工作的。连接到三相电源时能产生旋转的磁场一种交流

14、感应电动机的结构 同样大小的整块金属和叠合的硅钢片铁芯放在同样大小的整块金属和叠合的硅钢片铁芯放在同一变化的磁场中相比较（同一变化的磁场中相比较（ ） A A 金属块中的涡流较大，热功率也较大金属块中的涡流较大，热功率也较大 B B 硅钢片中涡流较大，热功率也较大硅钢片中涡流较大，热功率也较大 C C 金属块中涡流较大，硅钢片中热功率较大金属块中涡流较大，硅钢片中热功率较大 D D 硅钢片中涡流较大，金属块中热功率较大硅钢片中涡流较大，金属块中热功率较大A A课后习题答案课后习题答案 1.1.解答：当铜盘在磁极间运动时，由于发生电磁解答：当铜盘在磁极间运动时，由于发生电磁感应现象在铜盘中产生感

15、应电流，使铜盘受到安培感应现象在铜盘中产生感应电流，使铜盘受到安培力作用，而安培力方向阻碍导体的运动，所以铜盘力作用，而安培力方向阻碍导体的运动，所以铜盘很快就停了下来。很快就停了下来。 2.2.解答：当条形磁铁的解答：当条形磁铁的N N极靠近线圈时，线圈中极靠近线圈时，线圈中向下的磁通量增加，根据楞次定律可得，线圈中感向下的磁通量增加，根据楞次定律可得，线圈中感应电流的磁场应该向上，再根据右手螺旋定则，判应电流的磁场应该向上，再根据右手螺旋定则，判断出线圈中的感应电流的方向为逆时针方向（自上断出线圈中的感应电流的方向为逆时针方向（自上而下看）。感应电流的磁场对条形磁铁而下看）。感应电流的磁场

16、对条形磁铁N N极的作用力极的作用力向上，阻碍条形磁铁向下运动。向上，阻碍条形磁铁向下运动。 当条形磁铁的当条形磁铁的N N极远离线圈时，线圈中向极远离线圈时，线圈中向下的磁通量减小，根据楞次定律可得，线圈中感下的磁通量减小，根据楞次定律可得，线圈中感应电流的磁场应该向下，再根据右手螺旋定则，应电流的磁场应该向下，再根据右手螺旋定则，判断出线圈中的感应电流的方向为顺时针方向判断出线圈中的感应电流的方向为顺时针方向（自上而下看）。感应电流的磁场对条形磁铁（自上而下看）。感应电流的磁场对条形磁铁N N极的作用力向下，阻碍条形磁铁向上运动。因此，极的作用力向下，阻碍条形磁铁向上运动。因此，无论条形磁

17、铁怎样运动，都将受到线圈中感应电无论条形磁铁怎样运动，都将受到线圈中感应电流磁场的阻碍作用，所以条形磁铁较快的停了下流磁场的阻碍作用，所以条形磁铁较快的停了下来，在此过程中，弹簧和磁铁的机械能均将转化来，在此过程中，弹簧和磁铁的机械能均将转化为线圈中的电能。为线圈中的电能。 3. 3.解答：在磁性很强的小圆片下落的过程中，解答：在磁性很强的小圆片下落的过程中，没有缺口的铝管中的磁通量发生变化（小圆片上没有缺口的铝管中的磁通量发生变化（小圆片上方铝管中的磁通量减小，下方铝管中的磁通量增方铝管中的磁通量减小，下方铝管中的磁通量增加）所以铝管中将产生感应电流，感应电流的磁加）所以铝管中将产生感应电流

18、，感应电流的磁场将对下落的小圆片产生阻碍作用，小圆片在铝场将对下落的小圆片产生阻碍作用，小圆片在铝管中缓慢下落；如果小圆片在有缺口的铝管中下管中缓慢下落；如果小圆片在有缺口的铝管中下落，尽管铝管中也会产生感应电流，感应电流的落，尽管铝管中也会产生感应电流，感应电流的磁场将对下落的小圆片也产生阻力作用，但这时磁场将对下落的小圆片也产生阻力作用，但这时的阻力非常小，所以小圆片在旅馆中下落的比较的阻力非常小，所以小圆片在旅馆中下落的比较快。快。 4. 4.解答：这些微弱的感应电流，将使卫星受解答：这些微弱的感应电流，将使卫星受到地磁场的安培力作用。因为克服安培力的作用，到地磁场的安培力作用。因为克服安培