涡流现象及其应用

第七节涡流现象及其应用

[学习目标]1.认识什么是涡流，理解涡流的成因及本质．(重点)2.了解涡流加热，涡流制动，涡流探测在生产、生活和科技中的应用．(重点)3.了解在生产、生活中避免或减少涡流的方法．(难点)

一、涡流现象

1．涡流：整块导体内部因发生电磁感应而产生的感应电流．

2．影响涡流大小的因素：导体的外周长越长，交变磁场的频率越高，涡流就越大．

二、涡流现象的应用与防止

1．涡流的应用

(1)电磁灶：电磁灶是涡流现象在生活中的应用，采用了磁场感应涡流的加热原理．

(2)感应加热：在感应炉中，有产生高频电流的大功率电源和产生交变磁场的线圈，其工作原理也是涡流加热．

(3)涡流制动：当导体在磁场中运动时，会在导体中激起涡流，涡流与磁场相互作用产生一个动态阻尼力，从而提供制动力矩阻碍导体的运动．

(4)涡流探测：通有交变电流的探测线圈，产生交变磁场，当靠近金属物时，在金属物中激起涡流，隐蔽金属物的等效电阻、电感也会反射到探测线圈中，改变通过探测线圈电流的大小和相位，从而探知金属物．

2．涡流的防止

(1)原理：缩小导体的体积，增大材料的电阻率．

(2)事例：电机和变压器的铁芯用硅钢片叠压而成．

(3)目的：减少电能损失．

1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)涡流有热效应，但没有磁效应．(×)

(2)把金属块放在变化的磁场中可产生涡流．(√)

(3)涡流不是感应电流，而是一种有别于感应电流的特殊电流．(×)

(4)金属探测器是利用涡流现象．(√)

(5)电表线圈用铝框作线圈骨架不是利用涡流现象．(×)

2．如图所示，金属球(铜球)下端有通电的线圈，今把小球拉离平衡位置后释放，此后关于小球的运动情况是(不计空气阻力)()

A．做等幅振动

B．做阻尼振动

C．振幅不断增大

D．无法判定

B[小球在通电线圈磁场中运动，小球中产生涡流，故小球要受到安培力作用阻碍它的相对运动，做阻尼振动，故振幅越来越小，A、C、D错误，B正确．] 3．下列做法中可能产生涡流的是()

A．把金属块放在匀强磁场中

B．让金属块在匀强磁场中做匀速运动

C．让金属块在匀强磁场中做变速运动

D．把金属块放在变化的磁场中

D[涡流就是整个金属块中产生的感应电流，所以产生涡流的条件就是在金属块中产生感应电流的条件，即穿过金属块的磁通量发生变化．而A、B、C 中穿过金属块的磁通量不变化，所以A、B、C错误，把金属块放在变化的磁场中时，穿过金属块的磁通量发生了变化，有涡流产生，所以D正确．]

对涡流的理解

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

(1)电流强：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．

(2)功率大：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．

3．能量转化

伴随着涡流现象，常见以下两种能量转化．

(1)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；

(2)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．

【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()

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

C[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．]

涡流现象的分析方法

(1)涡流是整块导体中发生的电磁感应现象，分析涡流一般运用楞次定律和法拉第电磁感应定律．

(2)导体内部可以等效为许多闭合电路．

(3)导体内部发热的原理是电流的热效应．

1．电磁炉是利用电磁感应现象产生的涡流，使锅体发热从而加热食物．下列相关的说法中正确的是()

A．锅体中涡流的强弱与磁场变化的频率有关

B．电磁炉中通入电压足够高的直流电也能正常工作

C．金属或环保绝缘材料制成的锅体都可以利用电磁炉来烹饪食物

D．电磁炉的上表面一般都是用金属材料制成，以加快热传递减少热损耗A[锅体中涡流的强弱与磁场变化的频率有关，故A正确；直流电不能产生变化的磁场，在锅体中不能产生感应电流，电磁炉不能使用直流电，故B错误；锅体只能用铁磁性导体材料，不能使用绝缘材料制作锅体，故C错误；电磁炉的上表面如果用金属材料制成，使用电磁炉时，上表面材料发生电磁感应要损失电能，电磁炉上表面要用绝缘材料制作，故D错误．]

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对涡流的应用与防止的理解

1.电磁阻尼

闭合回路的部分导体在做切割磁感线运动产生感应电流时，导体在磁场中就要受到磁场力的作用，根据楞次定律，磁场力总是阻碍导体的运动，于是产生电磁阻尼．

2．电磁驱动

如果磁场相对于导体运动，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．

3．电磁阻尼与电磁驱动的比较

由绕OO ′轴转动，两磁极靠近铜盘，但不接触，当磁铁绕轴

转动时，铜盘将( )

A ．以相同的转速与磁铁同向转动

B ．以较小的转速与磁铁同向转动

C ．以相同的转速与磁铁反向转动

D ．静止不动

思路点拨：①磁铁转动时，铜盘中会产生涡流．②由楞次定律可分析铜盘的转动．

B [因磁铁的转动，引起铜盘中磁通量发生变化而产生感应电流，进而受安培力作用而发生转动，由楞次定律可知安培力的作用是阻碍相对运动，所以铜盘