电磁感应原理的实际应用

电磁感应原理的实际应用
一、电磁流量计
电磁流量计（Eletro Magnetic Flowmeters，简称EMF）是20世纪50～60年代随着电子技术的发展而
迅速发展起来的用来测量导电液体体积流量的新型流量测量仪表（见图1）。

由于其独特的优点，目前已广
泛地被应用于工业过程中各种导电液体的流量测量，如各种酸、碱、盐等腐蚀性介质；各种浆液流量测量，
形成了独特的应用领域。

它仅仅限于用来测量导电的且非磁性的液体。

其基本工作原理是电磁感应定律。

当液体在磁场中运动时，根据法拉第定律产生感应电动势。

如果磁场
垂直于流动液体的电绝缘管道，而液体的电导率又不太低，则装在管壁上的两个电极之间可测量到一个电压，这电压同磁通量密度、液体的平均流速以及两个电极之间的距离成正比。

这样，就可以测得液体的流速，进
而测得液体的流量（在单位时间内通过管内横截面的流体的体积）。

若设液体的体积流量为，B──磁感应强度；D──测量管内径；──平均轴向流速。

则 (1)
(2)
∴
题1(2001年理科综合)电磁流量计广泛应用于测量可导电流体（如污水）在管中的流量（在单位时间内
通过管内横截面的流体的体积）。

为了简化，假设流量计是如图所示的横截面为长方形的一段管道，其中空
部分的长、宽、高分别为图中的a、b、c，流量计的两端与输送液体的管道相连接（图中虚线）。

图中流量
计的上下两面是金属材料，前后两面是绝缘材料，现于流量计所在处加磁感强度为B的匀强磁场，磁场方向
垂直于前后两面。

当导电液体稳定地流经流量计时，在管外将流量计上、下两表面分别与一串接了电阻R的
电流表的两端连接，I表示测得的电流值。

已知流体的电阻率为ρ，不计电流表的内阻，则可求得流量为
（）
A．B．C．D．
解析：在时间t内，流过管中的流体体积为： (1)
流过管道的流体切割磁感线在上下两表面产生的电动势 (2)
又根据闭合电路欧姆定律有 (3)
则由（1）（2）（3）可得流体的流量
A项正确。

2.为了诊断病人心脏功能和动脉血液粘情况，需测量血管中血液的流量，如图示为电磁流量计示意图，将血管置于磁感强度为B的磁场中，测得血管两侧a、b两点电压为U，已知管的直径为d，则血管中血液
的流量Q（单位时间内流过的体积）．（C）
根据U=Bdv得v=流量Q=πd2v=.
二、电子感应加速器
电子感应加速器是加速电子的装置。

如图3-甲所示，图3-乙为其原理图，划斜线区域为电磁铁的两极，在其间隙中安放一个环形真空室。

电磁铁用频率约每秒数十周的强大交变电流来励磁，使两极间的磁感应强度B 往返变化，从而在环形室内感应出很强的涡旋电场。

用电子枪将电子注入环形室，它们在涡旋电场的作用下被加速，同时在磁场里受到洛伦兹力的作用，沿圆形轨道运动。

电子感应加速器主要用于核物理研究，用被加速的电子束（人工β射线）轰击各种靶时，将发出穿透力很强的电磁辐射（人工γ射线）。

近来还采用不大的电子感应加速器来产生硬X 射线，供工业探伤或医学治疗之用。

题2 电子感应加速器就是利用变化磁场产生的感应电场来加速电子的设备。

柱形电磁铁在两极间产生向下的磁场，磁场中有一个环形真空管道，磁场变化在真空管道中产生感应电场，电子受感应电场力而加速运动。

用图4可粗略模拟其加速过程：环形区域存在垂直纸面向外、大小可调节的均匀磁场。

质量为m、电量为+q的粒子在环中作半径为R的圆周运动。

A、B为两块中心开有小孔的极板，原来电势都为零，每当粒子离开B板时，A极电势又降为零。

粒子在电场一次次加速下动能不断增大而绕行半径不变，磁场也周期地增大。

求使粒子绕行第n圈的Bn=？
解析：粒子绕行第n周时加速动能为：……（１）
粒子速度
粒子绕半径为Ｒ的圆周运动所需的磁场为Ｂn，则 (2)
故
三、电磁炉
电磁炉是一种新型的灶具，其原理是应用了物理学里的“涡流效应”，也就是交变磁场产生电场，处于电场中的导体就会产生电流，把电能转化为热能。

现在电磁炉逐渐走入家庭，成为一种安全可靠、效率很高的新型灶具。

在电磁灶内部，由整流电路将50Hz的交流电压变成直流电压，再经过控制电路将直流电压转换成频率为20-40KHz的高频电压，高速变化的电流流过线圈会产生高速变化的磁场，当磁场内的磁力线通过金属器皿(导磁又导电材料)底部金属体内产生无数的小涡流，使器皿本身自行高速发热，然后再加热器皿内的东西。

电磁炉工作时产生的电磁波，完全被线圈底部的屏蔽层和顶板上的含铁质锅所吸收，不会泄漏，对人体健康绝对无危害。

铁系（珐琅、铸铁、不锈钢）锅．
题3 电磁炉专用平底锅的锅底和锅壁均由耐高温绝缘材料制成．起加热作用的是安在锅底的一系列半径不同的同心导电环(导电环的分布如图所示)．导电环所用材料每米的电阻为0.125πΩ，从中心向外第n个同心圆环的半径为＝(2n－1)r，(n＝1，2，3，…，7)，已知＝1.0cm．当电磁炉开启后，能产生垂直于锅底方向的变化磁场，该磁场的磁感应强度B随时间的变化率为
sinωt，求：
(1)半径为的导电圆环中感应电流的最大值是多大？
(2)假设导电圆环产生的热全部以波长为1.0×m的红外线光子辐射出来，那么半径为的导电圆环上每分钟辐射出的光子数是多少？
(3)若不计其他损失，所有导电圆环释放的总功率P是多大？
(以上计算中可取＝10，h＝6.6×J·s．)
解析:
(1)根据法拉第电磁感应定律E＝100πSsinωt，第n环中的感应电动势最大值
，
第n环的电阻＝0.125π·2π＝2.5，
因此第n环中电流最大值为，
将＝1.0cm＝m代入得A．
(2)根据能量守恒定律，设＝1min内辐射出的光子数为n，电能全部转化为光能
＝n·hc/λ，
其中交变电流的有效值
＝4A，
代入数据计算得n＝1.2×．
(3)P＝＝0.4W，
，
共七个导电圆环，释放的总功率
P＝
＝1.9×W．
四、电磁炮
电磁炮是利用电磁力代替火药曝炸力来加速弹丸的电磁发射系统，其主要工作原理亦都和电磁感应现象
有关。

电磁炮的发射过程是_电能向_机械_能的转化过程．
1. 据报道：1978年澳大利亚科学家利用5m长的电磁轨道炮，将质量为3.3g的弹丸以5.9km/s的高速发
射获得成功．假设弹丸在轨道炮内做匀加速直线运动，弹丸所受的合力为__ 1.15×104__ N．如果每分钟
能发射6颗弹丸，该电磁轨道炮的输出功率约为_5.74×103___ W．
题4（2005年·北京理综）下图是导轨式电磁炮实验装置示意图。

两根平行长直金属导轨沿水平方向固定，
其间安放金属滑块（即实验用弹丸）。

滑块可沿导轨无摩擦滑行，且始终与导轨保持良好接触。

电源提供的
强大电流从一根导轨流入，经过滑块，再从另一导轨流回电源。

滑块被导轨中的电流形成的磁场推动而发射。

在发射过程中，该磁场在滑块所在位置始终可以简化为匀强磁场，方向垂直于纸面，其强度与电流的关系为
B=kI，比例常量k=2．5×10－6T/A。

已知两导轨内侧间距l=1．5cm，滑块的质量m=30g，滑块沿导轨滑行5m后获得的发射速度v=3．0km/s （此过程视为匀加速运动）。

（1）求发射过程中电源提供的电流强度
（2）若电源输出的能量有4%转换为滑块的动能，则发射过程中电源的输出功率和输出电压各是多大？
（3）若此滑块射出后随即以速度v沿水平方向击中放在水平面上的砂箱，它嵌入砂箱的深度为s'。

设
砂箱质量为M，滑块质量为m，不计砂箱与水平面之间的摩擦。

求滑块对砂箱平均冲击力的表达式。

解析：（1）由匀加速运动公式
由安培力公式和牛顿第二定律，有
因此，
（2）滑块获得的动能是电源输出能量的4%，即
发射过程中电源供电时间
所需电源输出功率为：
由功率P=IU，解得输出电压
（3）分别对砂箱和滑块用动能定理，有
由牛顿定律和相对运动
由动量守恒
联立求得：
故平均冲击力
电磁感应原理在汽车上的应用两例
1.电磁感应原理在汽车交流发电机上的应用汽车用交流发电机的发电原理实质上就是电磁感应原理
的应用。

目前国内外生产的汽车用交流发电机,其结构基本相同,一般都是由三相同步交流发电机和
硅二极管整流器两大部分组成。

如图1 所示为JF132C 型汽车交流发电机结构图。

该交流发电机主要由转子、定子、前后端盖、整流器等组成。

其中转子是用来建立磁场的,主要由两块爪极、激磁绕组、轴和滑环等到组成。

定子是用来产生交流电动势的,主要由铁芯和三相绕组组成。

图2所示为交流发
电机发电原理图。

根据电磁感应原理,当转子旋转时,磁力线与定子绕组之间产生相对运动,因而在三
相绕组中产生频率相同、幅值相等、相位相差120°的正弦电动势。

其波形如图3 所示。

电磁感应原理在汽车ABS车轮转速传感器上的应用
汽车上ABS 系统中车轮转速传感器的功用是检测车轮的速度,并将速度信号输入ABS的电控单元。

目前汽车上ABS 系统中使用的车轮转速传感器主要有电磁式和霍尔式两种。

这两种车轮转速传感器的工作原理实质上都是电磁感应原理的应用。

图4 所示为桑塔纳2000ABS 系统中电磁式车轮转速传感器的结构图。

该车轮转速传感器的结构主要由传感头和齿圈两部分组成。

传感头通常由永久磁铁、磁极和电磁线圈等组成,它对应安装在靠近齿圈而又不随齿圈转动的部件上, 如转向节、制动底板、驱动轴套管或差速器、变速
器壳体等固定件上。

传感头与齿圈的端面有一空气间隙, 此间隙一般为
1mm,通常可移动传感头的位置来调整间隙。

图5 所示为电磁式车轮转速
传感器工作原理图。

电磁式车轮转速传感器的工作原理实质上就是电磁
感应原理的应用。

传感器齿圈随车轮旋转的同时, 即与传感头作相对运
动。

当传感头的磁极端部与齿圈的齿隙相对时,磁极端部距齿圈之间的
空气间隙最大,即磁阻最大,此时传感头的磁极磁力线只有少量通过齿圈
而构成回路,在电磁线圈周围的磁场较弱,如图5(a)所示。

当传感头的磁
极端部与齿圈的齿顶相对时,两者之间的空隙较小,即磁阻最小,此时传
感头的磁极磁力线通过齿圈的数量增多,在电磁线圈周围的磁场较强,如
图5(b)所示。

齿圈随车轮不停地旋转,就使传感头电磁线圈周围的磁场
产生强—弱—强—弱⋯.的周期性变化,因此,电磁线圈就感生交变电压信
号,即车轮转速信号。

如图6所示。

ABS 系统中的霍尔式车轮转速传感器
工作原理实质上也是电磁感应原理的应用。

其结构和原理如图7所示。

该车轮转速传感器也是由传感头和齿圈组成。

传感头主要由永久磁体,霍尔元件和电子电路等组成,永久磁体的磁力线穿过霍尔元件通向齿轮,当齿轮位于图中(a)所示位置时,穿过霍尔元件的磁力线分散,磁场相对较弱;而当齿轮位于图中(b)所示位置时,穿过霍尔元件的磁力线集中,磁场相对较强。

齿轮转动时,使得穿过霍尔元件的磁力线密度发生变化, 因而引起霍尔电压的变化,霍尔元件将输出一个毫伏(mV)级的准正弦波电压。

此信号再由电子电路转换成标准的脉冲电压送到A B S 电控单元。