课件6：4.7涡流、电磁阻尼和电磁驱动

[答案] D
[易错分析] 对本题易错选项及错误原因分析如下：
易错选项
错误原因
B
错误地认为金属块最终停在 O 点处
C
忽略了金属块刚开始滑动时具有的动能
THANKS
A．都做匀速运动 B．铁球、铝球都做减速运动 C．铁球做加速运动，铝球做减速运动 D．铝球、木球做匀速运动
[解析] 铁球靠近磁铁时被磁化，与磁铁之间产生相互吸引的作用力，故铁球将加速运动； 铝球向磁铁靠近时，穿过它的磁通量发生变化，因此在其内部产生涡流，涡流产生的感应磁 场对原磁场的变化起阻碍作用，所以铝球向磁铁运动时会受阻碍而减速；木球为非金属，既 不能被磁化，也不产生涡流现象，所以磁铁对木球不产生力的作用，木球将做匀速运动。综 上所述，C 项正确。
二、电磁阻尼和电磁驱动 1．电磁阻尼 (1)定义：当导体在磁场中运动时， 感应电流 会使导体受到安培力，安培力的方向 总是 阻碍 导体的运动的现象。 (2)应用：电学仪表中利用电磁阻尼使指针很快地 停下来 ，便于读数。 2．电磁驱动 (1)定义：如果磁场相对于导体转动，在导体中会产生感应电流，感应电流使导体受 到 安培力 的作用， 安培力 使导体运动起来的现象。 (2)应用：交流感应电动机。
考点一 涡流现象的应用 1．涡流的产生 涡流实际上是一种特殊的电磁感应现象，当导体处在变化的磁场中，或者导体在非匀 强磁场中运动时，导体内部可以等效成许许多多的闭合电路，当穿过这些闭合电路的磁通 量变化时，在导体内部的这些闭合电路中将产生感应电流。即导体内部产生了涡流。 2．涡流的特点 当电流在金属块内自成闭合回路(产生涡流)时，由于整块金属的电阻很小，涡流往往很 强，根据公式 P＝I2R 知，热功率的大小与电流的平方成正比，故金属块的发热功率很大。
A．圆环向右穿过磁场后，还能摆至原来的高度 B．在进入和离开磁场时，圆环中均有感应电流 C．圆环进入磁场后离平衡位置越近速度越大，感应电流也越大 D．圆环最终将静止在平衡位置 [解析] 当金属环摆动的范围超出磁场时，金属环进出磁场时，穿过环的磁通量变化， 产生感应电流，从而产生焦耳热，损失机械能，摆动幅度越来越小，A 错，B 对。当金属 环完全在磁场中运动时，穿过金属环的磁通量不发生变化，环中无感应电流，机械能无损 失，摆动幅度不再变化，C、D 错。
B.12mv2金属块在进出磁场过程中要产生感应电流，感应电流转化为内能，机械能要减 少，上升的最大高度不断降低，最后刚好滑不出磁场，做往复运动永不停止，根据能量转化
与守恒，整个过程中产生的焦耳热应等于机械能的损失，即 Q＝ΔE＝12mv2＋mg(b－a)，故 D 正确。
[示例] 光滑曲面与竖直平面的交线是抛物线，如图所示，抛物线下半部分处在一个水 平方向的匀强磁场中，磁场的上边界是 y＝a 的直线(图中虚线所示)，一个金属块从抛物线上 y＝b(b>a)处以速度 v 沿抛物线下滑，假设抛物线足够长，金属块沿抛物线下滑后产生的焦耳 热总量是( )
A．mgb C．mg(b－a)
[答案] C
规律方法
减小涡流影响的两条途径
(1)增大铁芯材料的电阻率，常用的铁芯材料是硅钢，它的电阻率比较大。
(2)用互相绝缘的硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯。
考点二 电磁阻尼与电磁驱动 1．电磁阻尼 (1)概念：当导体在磁场中运动时，感应电流会使导体受到安培力，安培力的方向总 是阻碍导体的运动，这种现象称为电磁阻尼。 (2)应用：磁电式仪表中利用电磁阻尼使指针迅速停下来，便于读数。 2．电磁驱动 (1)概念：磁场相对于导体运动时，导体中产生感应电流，感应电流使导体受到安培 力的作用，安培力使导体运动起来的现象。 (2)应用：交流感应电动机。
3．产生涡流的两种情况 (1)块状金属放在变化的磁场中； (2)块状金属进出磁场或在非匀强磁场中运动。 4．涡流的应用、防止 (1)涡流的危害 在各种电机、变压器中，涡流是非常有害的。首先它会使铁芯的温度升高，从而危及线 圈绝缘材料的寿命，严重时会使材料报废；其次涡流发热要消耗额外的能量，使电机、变压 器的效率降低。 (2)涡流的防止 为了减少涡流，变压器、电机里的铁芯不是由整块的钢铁制成，而是用薄薄的硅钢片叠 合而成。一方面硅钢片的电阻率比一般钢铁的要大，从而减少损耗；另一方面，每层硅钢片 之间都是绝缘的，阻断了涡流的通路，进一步减少了涡流的发热。计算表明：涡流的损耗与 硅钢片的厚度的平方成正比。
第4章 电磁感应 第7节 涡流、电磁阻尼和电磁驱动
课堂目标定位 1．了解涡流是怎样产生的。 2．了解涡流现象的利用和危害。 3．通过对涡流实例的分析，了解涡流现象在生活和生产中的应用。 4．了解电磁阻尼和电磁驱动。 背核心语句 1．线圈中的电流变化时，线圈附近的导体中会产生涡流，涡流会产生热量，因此在 日常生活中，既要防止有害涡流，又要利用有益涡流。 2．导体在磁场中运动，感应电流会使导体受到安培力阻碍其运动，即为电磁阻尼。 3．磁场运动时，在磁场中的导体内会产生感应电流，使导体受到安培力的作用而运 动起来，即为电磁驱动。
一、涡流 1．定义 由于 电磁感应 ，在导体中产生的像水中旋涡样的 感应 电流。 2．特点 若金属的电阻率小，涡流往往 很强 ，产生的热量 很多 。 3．应用 (1)涡流热效应的应用：如真空冶炼炉。 (2)涡流磁效应的应用：如 探雷器、安检门。 4．防止 电动机、变压器等设备中应防止铁芯中涡流过大而导致浪费能量，损坏电器。 (1)途径一：增大铁芯材料的电阻率 。 (2)途径二：用相互绝缘的 硅钢片 叠成的铁芯代替整块硅钢铁芯。
4．电磁阻尼与电磁驱动的比较
电磁阻尼
电磁驱动
由于磁场运动引起磁通量的变化
由于导体在磁场中运动而产生感
成因
而产生感应电流，从而使导体受到
应电流，从而使导体受到安培力
安培力
安培力的方向与导体运动方向相 导体受安培力的方向与导体运动
不 效果 反，阻碍导体运动
方向相同，推动导体运动
同
由于电磁感应，磁场能转化为电
点 能量 导体克服安培力做功，其他形式的
能，通过安培力做功，电能转化为
转化 能转化为电能，最终转化为内能
导体的机械能，从而对外做功
安培力方向与导体运动方向相反， 安培力方向与导体运动方向相同，
安培力
为阻力
为动力
两者都是电磁感应现象，都遵循楞次定律，都是安培力阻碍引起感应 相同点
电流的导体与磁场间的相对运动
(3)涡流的利用 用来冶炼合金的真空冶炼炉，炉外有线圈，线圈中通过反复变化的电流，炉内的金属中 产生涡流。涡流产生的热量使金属熔化并达到很高的温度。利用涡流冶炼金属的优点是整个 过程能在真空中进行，这样就能防止空气中的杂质进入金属，可以冶炼高质量的合金。为了 增大涡流，达到快速熔化金属的目的，在线圈中通入高频交变电流，根据电磁感应定律，电 流变化快，得到的感应电动势就大，涡流就强。 例如：如图所示，在 O 点正下方有一个具有理想边界的磁场，铜球在 A 点由静止释放向 右摆至最高点 B。不考虑空气阻力，铜球也回不到原来的高度，即 A 点一定高于 B 点，这是 什么原因呢？铜球由 A 点运动至 B 点的过程中，在穿进穿出磁场两个阶段铜球中产生涡流， 将铜球的一部分机械能转化为电能，最终产生了焦耳热，所以铜球的机械能减小，也就回不 到原来的高度了。
电磁炉产生的交变磁场，不但会产生涡流热效应，而且会促使金属锅体的分子运动并 互相碰撞，造成分子间的摩擦生热，这两种热效应直接发生在锅体本身，因其热能的损耗 很小，所以电磁炉的热效率可达 80%，约比煤气灶高一倍而且加热均匀、烹饪迅速，节省 电能。
例 1 如图所示，在光滑水平桌面上放一条形磁铁，分别将大小相同的铁球、铝球和木球 放在磁铁的一端且给它一个初速度，让其向磁铁滚去，观察小球的运动情况( )
特别提醒：(1)电磁阻尼、电磁驱动都是电磁感应现象，都遵循楞次定律。 (2)电磁阻尼、电磁驱动现象中安培力的作用效果都是阻碍相对运动，应注意电磁驱 动中阻碍的结果，导体的运动速度仍要小于磁场的运动速度。
例 2 如图所示，一闭合金属圆环用绝缘细线悬挂于 O 点，将圆环拉离平衡位置并释放， 使圆环在竖直平面内摆动，摆动过程中经过有界的水平匀强磁场区域，A、B 为该磁场的竖 直边界，不计空气阻力，则( )
3．电磁驱动和电磁阻尼的形成原因 当蹄形磁铁转动时，穿过线圈的磁通量就发生变化。例如，线圈处于如图所示的初始状 态时，穿过线圈的磁通量为零，当蹄形磁铁转动时，穿过线圈的磁通量就增加了，根据楞次 定律，此时线圈中就有感应电流产生，以阻碍磁通量的增加，因而线圈会跟着一起转动起来。 从动力学的观点来看，线圈中产生的感应电流受到的安培力是使线圈转动起来的动力， 对线圈而言是电磁驱动；而线圈对磁铁的作用力对磁铁的转动起阻碍作用，对磁铁而言是电 磁阻尼，因此电磁驱动和电磁阻尼是矛盾的两个方面，不可分割。
[答案] B
规律方法 部分同学在处理此题时误认为金属环最终停在最低点，原因是没有认识到金属环只 在进出磁场时产生焦耳热，当金属环整体在磁场中运动时，不产生涡流不损失机械能。
解题技能：涡流现象中的能量转化问题的分析方法 伴随着涡流现象，其他形式的能转化成电能，最终在金属块中转化为内能。如果金 属块放在变化的磁场中，则磁场能转化为电能，最终转化为内能；如果是金属块进出磁 场或在非匀强磁场中运动，则由于克服安培力做功，金属块的机械能转化为电能，最终 转化为内能。
5．能量转化 伴随着涡流现象，其他形式的能转化成电能最终在金属块中转化为内能，如果金属 块放在了变化的磁场中，则磁场能转化为电能最终转化为内能；如果是金属块进出磁场 或在非匀强磁场中运动，则由于克服安培力做功，金属块的机械能转化为电能，最终转 化为内能。
特别提醒：(1)①涡流是整块导体发生的电磁感应现象，同样遵循法拉第电磁感应定律。 ②磁场变化越快(ΔΔBt 越大)，导体的横截面积 S 越大，导体材料的电阻率越小，形成的 涡流就越大。 (2)电磁炉工作原理 电磁炉的台面下布满了线圈，当通上高频交流电时，在台板与铁锅之间产生交变磁场， 磁感线穿过锅体，产生感应电流——涡流。这种感应电流在金属锅体中产生热效应，从而 达到加热和烹饪食物之目的。