第5章电磁感应5557概要.docx

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第5章电磁感应5557概要

电磁感应

项目描述

电磁感应是指因为磁通量变化产生感应电动势的现象。

电磁感应现象的发现，是电磁学领域中最伟大的成就之一。

它不仅揭示了电与磁之间的内在联系，而且为电与磁之间的相互转化奠定了实验基础，为人类获取巨大而廉价的电能开辟了道路，在实用上有重大意义。

电磁感应现象的发现，标志着一场重大的工业和技术革命的到来。

事实证明，电磁感应在电工、电子技术、电气化、自动化方面的广泛应用对推动社会生产力和科学技术的发展发挥了重要的作用。

教学目标

1．理解电磁感应现象，掌握产生电磁感应的条件及感应电流方向的判断。

2．理解感应电动势的概念，掌握电磁感应定律及有关的计算。

3．理解自感、互感现象及自感系数、互感系数的概念，了解自感现象和互感现象在实际中的应用。

4．理解互感线圈的同名端概念，掌握互感线圈的串联。

5．理解电感器的储能特性及在电路中能量的转化规律，了解磁场能量的计算。

项目分配

任务一电磁感应现象（1课时）

任务二感应电流的方向（1课时）

任务三电磁感应定律（2课时）

任务四自感现象（2课时）

任务五互感现象（1课时）

任务六互感线圈的同名端和串联（1课时）

任务七涡流和磁屏蔽（1课时）

任务一电磁感应现象（1课时）

一、【教学目标】

知识目标：

知道电磁感应现象的概念

技能目标：

掌握电磁感应现象产生的条件

情感目标：

通过了解电磁感应现象，增长学生的见识，激发学生对磁场学习的兴趣。

二、【教学重点】

电磁感应现象产生的条件

三、【教学难点】

电磁感应现象产生的条件的理解

四、【教学过程】

（一）明确项目任务通过实验演示让学生掌握电磁感应现象产生的条件

（二）制定项目实施计划

课前复习

1．电流产生的磁场。

2．右手螺旋定则的内容。

 电磁感应现象

1．演示

（1）让导体AB在磁场中向前或向后运动。

现象：

电流表指针发生偏转，说明电路中有了电流。

（2）导体AB静止或做上、下运动。

现象：

电流表指针不发生偏转，说明电路中无电流。

结论Ｉ：

1．闭合电路中的一部分导体做切割磁感线运动时，电路中就有电流产生。

2．演示

（1）把磁铁插入线圈或从线圈中抽出。

现象：

电流表指针发生偏转。

（2）磁铁插入线圈后静止不动，或磁铁和线圈以同一速度运动。

现象：

电流表指针不偏转，说明闭合电路中没有电流。

结论

：

只要闭合电路的一部分导体切割磁感线，电路中就有电流产生。

3．演示如图5-5-3（b）

（1）打开开关、合上开关或改变电路中的电流。

现象：

与电路相连的电流表指针偏转，说明电路中有电流。

结论

：

在导体和磁场不发生相对运动时，只要穿过闭合电路的磁通发生变化，闭合电路中就有电流产生。

分析结论

、

、

得总结论：

  ①产生感应电流的条件：

只要穿过闭合电路的磁通发生变化，闭合电路中就有电流产生。

  ②电磁感应现象：

利用磁场产生电流的现象叫电磁感应现象。

产生的电流叫感应电流。

（三）项目实施

分组讨论：

1．如图所示，在通电直导线旁有一矩形线圈，下述情况下，线圈中有无感应电流？

为什么？

（1）线圈以直导线为轴旋转。

（2）线圈向右远离直导线而去。

2.以组为单位抽同学回答

3.教师讲解

（四）作业布置

.观察家中哪些家用电器工作原理利用了电磁感应的现象

（五）版书设计

电磁感应现象

一课前复习

二导入新知

1.演示1

2.演示2

三学生讨论

四小结

【课后反思】

通过实验来引出相关结论，大大的增加了课堂的活跃度，但对现象的理论讲解还需加强

任务二感应电流的方向（1课时）

一、【教学目标】

知识目标：

知道判断感应电流方向的两种方法

技能目标：

掌握右手定则和楞次定律判断感应电流的方向

情感目标：

通过判断感应电流的方向，让学生自己动手动脑，从而激发学生的学习兴趣

二、【教学重点】

感应电流的方向

三、【教学难点】

感应电流方向的判断

四、【教学过程】

（一）明确项目任务通过右手定则，楞次定律来判断感应电流的方向

（二）制定项目实施计划

判断感应电流方向的方法：

（1）右手定则

（2）楞次定律

一、右手定则

1．内容：

伸开右手，使大拇指与其余四指垂直，并且都与手掌在一个平面内，让磁感线垂直进入手心，大拇指指向导体运动方向，这时四指所指的方向为感应电流的方向。

二、楞次定律

1．

（1）演示：

（2）分析：

能量守恒定律，磁力阻碍磁铁运动，外力克服磁力的阻碍做了功，其它形式的能转化为感应电流的电能。

（3）演示

2．楞次定律：

感应电流的方向，总是要使感应电流的磁场阻碍引起感应电流的磁通的变化。

3．判定感应电流方向的步骤：

（1）明确原来磁场的方向及穿过闭合电路的磁通是增加还是减少。

（2）根据楞次定律确定感应电流的磁场方向。

（3）利用安培定则确定感应电流方向。

（三）项目实施

例：

如图

用右手定则、楞次定律判定AB中感应电流的的方向。

1.学生分组讨论

2.老师抽学生回答并指正

（四）作业布置

习题与考工训练5填空题8,9,11,12

选择题13，14

计算题4

（五）版书设计

1．楞次定律的内容。

2．楞次定律判断感应电流的步骤。

3．右手定则的内容。

【课后反思】

通过本堂课学生的接受情况较为理想，但还需对个别学生加以辅导

任务三电磁感应定律（2课时）

一、【教学目标】

知识目标：

知道感应电动势的概念

技能目标：

掌握电磁感应定律以及感应电动势的计算公式

情感目标：

通过对电磁感应定律的学习，培养学生严谨，仔细的工作态度

二、【教学重点】

1．感应电动势的计算公式。

2．法拉第电磁感应定律。

三、【教学难点】

法拉第电磁感应定律公式的推导

四、【教学过程】

（一）明确项目任务正确计算感应电动势的大小

（二）制定项目实施计划

课前复习

1．电磁感应现象、感应电流的概念。

2．右手定则的内容。

电磁感应定律

一、感应电动势

1．感应电动势：

在电磁感应现象中产生的电动势叫感应电动势。

2．方向：

和感应电流方向相同，用右手定则或楞次定律来判断。

3．不管外电路是否闭合，只要穿过电路的磁通发生变化，电路中就有感应电动势。

产生感应电动势的那段导体相当于电源。

二、直导体切割磁感线时的感应电动势

1．感应电动势的大小

（1）若导线运动方向与导线本身垂直，与磁感线方向也垂直，则

E=BLv

（2）若导线运动方向与导线本身垂直，与磁感线方向成θ角，则

E=BLvsinθ

2．推导过程

（1）

（1）设：

ab长为l，以速度v沿垂直磁感线方向匀速向右运动，ts内移动距离aa'

F=BIl；Fout=F

外力反抗磁场力做的功

W1=Foutlaa'=Flaa=BIlvt

感应电流做的功：

W2=EIt

因为

W1=W2

BIlvt=EIt

所以

E=Blv

I=

（R是闭合电路电阻）

（2）若导线运动方向与导线本身垂直，与磁感线方向成θ角，v分解为v1、v2，v1不切割磁感线，不产生感应电动势，只有v2产生感应电动势所以

E=Blv2=Blvsinθ

（2）

3．单位：

B—特斯拉（T）；

E—伏特（V）；

l—米（m）；

v—米/秒（m／s）。

例题1：

P109例5-5-2

例题2在图1中，设匀强磁场的磁感应强度B为0.1T，切割磁感线的导线长度l为40cm，向右运动的速度v为5m/s，整个线框的电阻R为0.5，求：

（1）感应电动势的大小；

（2）感应电流的大小和方向；

（3）使导线向右匀速运动所需的外力；

（4）外力做功的功率；

（5）感应电流的功率。

解：

（1）线圈中的感应电动势为

（2）线圈中的感应电流为

由右手定则可判断出感应电流方向为abcd。

（3）由于ab中产生了感应电流，电流在磁场中将受到安培力的作用。

用左手定则可判断出ab所受安培力方向向左，与速度方向相反，因此若要保证ab以速度v匀速向右运动，必须施加一个与安培力大小相等，方向相反的外力。

所以，外力大小为

外力方向向右。

（4）外力做功的功率为

（5）感应电流的功率为

可以看到，P=P，这正是能量守恒定律所要求的。

三、法拉第电磁感应定律

E=Blvsinθ——单位时间内穿过线圈回路的磁通的改变量，若用ΔΦ=Φ2-Φ1表示导线在Δt=t2-t1时间内磁通的改变量，则

E=

——单位时间内导线回路里磁通的改变量

1．法拉第电磁感应定律：

线圈中感应电动势的大小与穿过线圈的磁通变化率成正比。

E=

若线圈有N匝，则

E=N

=

（N=N2-N1=ψ2-ψ1=ψ）（ψ称为磁链）

例题：

在一个B=0.01T的匀强磁场里，放一个面积为0.001m2的线圈，线圈匝数为500匝。

在0.1s内，把线圈平面从与磁感线平行的位置转过90°，变成与磁感线垂直，求这个过程中感应电动势的平均值。

解：

在0.1s时间内，穿过线圈平面的磁通变化量为

感应电动势为

3．（a）E=N

中的E是时间t内感应电动势的平均值。

（b）在应用E=Blvsinθ时，若v为一段时间内的平均速度，则E为这段时间内感应电动势的平均值；若v为某一时刻的瞬时速度，则E就为那个时刻感应电动势的瞬时值。

（三）项目实施

1.学生练习：

一个500匝线圈，bc为10m，ab为20cm，以每分钟600周的转速绕中心匀速转动，如图所示，在B=0.09T的匀强磁场中，当线圈平面从与磁场方向垂直的位置转至平行位置时，求：

线圈中的平均感应电动势。

2.抽同学上来做

3.教师讲解

（四）作业布置

P123计算题5,6

（五）板书设计

电磁感应定律

1．感应电动势的概念。

2．法拉第电磁感应定律的内容。

3．导线切割磁感线产生的感应电动势的计算式

【课后反思】

学生的计算能力较差，应让学生多练

任务四自感现象（2课时）

一、【教学目标】

知识目标：

知道自感现象及自感系数的概念

技能目标：

1.了解自感现象及其在实际中的应用。

2．掌握磁场能量的计算。

情感目标：

通过实验，让学生提高学习的兴趣，分组学习培养学生的交际能力，与他人合作学习，共同发展的精神，增强小组学习的意识和作用。

二、【教学重点】

1．线圈电感的计算和自感电动势的计算。

2．荧光灯的工作原理。

三、【教学难点】

荧光灯的工作原理。

四、【教学过程】

（一）明确项目任务

1.正确对线圈电感的计算和自感电动势的计算

2.掌握荧光灯的工作原理

（二）制定项目实施计划

课前复习

1．感应电动势的概念。

2．法拉第电磁感应定律的内容。

3．导线切割磁感线运动时感应电动势的计算公式。

自感现象

一、自感现象

1．

（1）如图调节R使HL1、HL2亮度相同，再调节R1使两白炽灯正常发光，然后断开S再接通电路。

（2）现象：

HL2正常发光，HL1逐渐亮起来。

（3）分析现象。

2．

（1）如图接通电路，灯HL正常发光，再断开电路。

（2）现象：

断电的一瞬间，白炽灯突然发出很强的亮光，然后才熄灭。

（3）分析现象。

3．结论：

当线圈中的电流发生变化时，线圈本身就产生感应电动势，这个电动势总是阻碍线圈中原来电流的变化。

自感现象：

由于线圈本身的电流发生而产生的电磁感应现象叫自感现象。

简称自感。

自感电动势：

在自感现象中产生的感应电动势。

二、自感系数

1．自感磁通L：

当电流通过回路时，在回路内产生的磁通叫自感磁通。

2．自感磁链：

L=NL

3．自感系数（电感）：

L=

L表示各线圈产生自感磁链的能力，表示一个线圈通过单位电流所产生的磁链。

4．单位：

亨利（H）、毫亨（mH）、微亨（H）

1H=103mH=106H

5.电感是线圈本身的一种属性，它与线圈的尺寸，匝数和介质有关，与通电与否无关。

电感是储能元件，它完成电能与磁场能之间的转换，其储能的多少可用下式计算

WL=1/2LI2

6.电感线圈是电子元件中重要的器件，其用途主要有3种：

扼流，滤波，振荡。

7.电感线圈的质量可用万用表置于R×1挡进行一般性检查，根据测出的电阻值大小，可具体分下述两种情况进行鉴别：

①被测电感器电阻值为零，其内部有短路性故障。

被测电感器电阻值为无穷大，其内部已经短路。

②被测电感器直流电阻值的大小与绕制电感器线圈所用的漆包线径，绕制线数有直接关系，只要能测出电阻值，则可认为被测电感器是正常的。

三、线圈电感的计算

1．B=μH=μ

，=BS=

，由N=LI

得

L=

2．

（1）L由线圈本身的特性决定，与线圈的尺寸、匝数和媒质的磁导率有关，而与线圈中的电流无关。

（2）上式除适用于环形螺旋线圈外，对近似环形的线圈，且在铁心没饱和的条件下，也可用上式近似计算。

（3）铁磁材料磁导率μ不是一个常数，铁心越接近饱和，这现象越显著。

所以具有铁心的线圈，其电感不是一个定值，这种电感叫非线性电感。

四、自感电动势

1．EL=

；L=LI

所以

EL=

=

=L

自感电动势大小与线圈中电流的变化率成正比。

2．EL方向：

用楞次定律判断。

五、自感现象的应用

自感现象在各种电器设备和无线电技术中有着广泛的应用。

日光灯的镇流器就是利用线圈自感的一个例子。

如图6-3是日光灯的电路图。

图6-3日光灯电路图

图6-4起动器结构图

1．结构

日光灯主要由灯管、镇流器和起动器组成。

镇流器是一个带铁心的线圈，起动器的结构如图6-4所示。

起动器是一个充有氖气的小玻璃泡，里面装有两个电极，一个固定不动的静触片和一个用双金属片制成的U形触片。

灯管内充有稀薄的水银蒸汽，当水银蒸汽导电时，就发出紫外线，使涂在管壁上的荧光粉发出柔和的光。

由于激发水银蒸汽导电所需的电压比220V的电源电压高得多，因此日光灯在开始点亮之前需要一个高出电源电压很多的瞬时电压。

在日光灯正常发光时，灯管的电阻很小，只允许通过不大的电流，这时又要使加在灯管上的电压大大低于电源电压。

这两方面的要求都是利用跟灯管串联的镇流器来达到的。

2．工作原理

当开关闭合后，电源把电压加在起动器的两极之间，使氖气放电而发出辉光，辉光产生的热量使U形片膨胀伸长，跟静触片接触而使电路接通，于是镇流器的线圈和灯管的灯丝中就有电流通过。

电流接通后，启动器中的氖气停止放电，U形触片冷却收缩，两个触片分离，电路自动断开。

在电路突然断开的瞬间，镇流器的两端产生一个瞬时高压，这个电压和电源电压都加在灯管两端，使灯管中的水银蒸汽开始导电，于是日光灯管成为电流的通路开始发光。

在日光灯正常发光时，与灯管串联的镇流器就起着降压限流的作用，保证日光灯的正常工作。

六、自感的危害

自感现象也有不利的一面。

在自感系数很大而电流又很强的电路中，在切断电源瞬间，由于电流在很短的时间内发生了很大变化，会产生很高的自感电动势，在断开处形成电弧，这不仅会烧坏开关，甚至会危及工作人员的安全。

因此，切断这类电源必须采用特制的安全开关。

六、磁场能量

1．磁场能量和电场能量相同的特点：

（1）磁场能量和电场能量在电路中的转化都是可逆的。

线圈也是储能元件。

（2）它的计算公式和电场能量计算式相似。

WL=

LI2

L反映储存磁场能量的能力。

当线圈中通有电流时，线圈中就要储存磁场能量，通过线圈的电流越大，储存的能量就越多；在通有相同电流的线圈中，电感越大的线圈，储存的能量越多，因此线圈的电感也反映了它储存磁场能量的能力。

（三）项目实施

学生练习如图所示，自感线圈的自感系数很大，电阻为零。

电键K原来是合上的，在K断开后，分析：

（1）若R1＞R2，灯泡的亮度怎样变化？

（2）若R1＜R2，灯泡的亮度怎样变化？

1.学生分组讨论

2.教师分析

　　思路分析：

灯泡的亮度由它的实际功率I2R即流过灯泡中的电流来决定。

因而必须从题设条件出发讨论在各种情况下流过灯泡中的电流。

　　K断开后，原来电源提供给小灯泡的电流立即消失，但L中因自感而产生逐渐减弱的电流流过小灯泡，使小灯泡逐渐变暗到熄灭。

（1）因R1＞R2，即I1＜I2，所以小灯泡在K断开后先突然变到某一较暗状态，再逐渐变暗到最后熄灭。

（2）因R1＜R2，即I1＞I2，小灯泡在K断开后电流从原来的I2突变到I1（方向相反），然后再渐渐变小，最后为零，所以灯泡在K断开后先变得比原来更亮，再逐渐变暗到熄灭。

　　思维亮点：

（1）若是理想线圈，即直流电阻为零。

　　①L与灯泡串联时，通过灯泡的电流与L中电流始终同步，因而不能突变。

　　②L与灯泡并联时，通过灯泡的电流与L中的电流在电路接通时不同步，即灯丝中电流突变到最大再渐渐变小到零，而L中电流从零逐渐增大到最大；断开电路时，L因自感而对灯丝供电，使灯丝中的电流从零突变到原来L中的电流值，再渐渐变为零。

（2）当L与灯丝并联且L的电阻不为零时，接通电源时灯丝中电流突变为最大，再慢慢减小，而L中的电流由零开始逐渐增大到稳定；稳定后L和灯丝中都有电流，因而灯不会熄灭。

断开电源时：

要讨论RL=R灯、RL＞R灯、RL

（四）作业布置

习题与考工训练5

填空题10,13选择题8,15判断题12,13,14

（五）板书设计

1．自感现象、自感系数的概念。

2．自感系数、自感电动势的计算式。

3．荧光灯的结构及其工作原理。

4．磁场能量的计算式。

【课后反思】

任务五互感现象（1课时）

一、【教学目标】

知识目标：

知道互感现象及互感系数的概念

技能目标：

1.了解互感现象及其在实际中的应用。

2．掌握互感电动势的计算。

情感目标：

通过互感现象的学习，了解在实际中的应用，培养学生热爱生活的态度，激发学习电工的兴趣。

二、【教学重点】

互感电动势的计算

三、【教学难点】

互感电动势的计算

四、【教学过程】

（一）明确项目任务

互感电动势的计算

（二）制定项目实施计划

课前复习

自感现象、自感系数的概念及自感系数、自感电动势计算公式。

互感现象

一、互感现象

线圈L中有电流i1时：

L1中有11、11（11=N111=L1I1），

L2中有21、21（21=N221）。

线圈L中的电流i1变化时：

11变化，自感电动势

EL1=

21也变化，互感电动势

EM2=

同理，当线圈2中电流i2变化时，线圈L中也产生互感电动势

EM1=

互感现象：

当一个线圈中电流发生变化时，在另一个线圈中将要产生感生电动势，这种现象叫互感现象。

产生的感应电动势叫互感电动势。

二、互感系数（也称互感量，简称互感）M

1．M=

=

 单位：

亨利（H）

  2．说明：

（1）M只与两个回路的结构、相互位置及媒质磁导率有关，与回路中的电流无关。

只有当媒介质为铁磁性材料时，M才与电流有关。

3．M与L的关系

设K1、K2为各线圈产生的互感磁通与自感磁通的比值

K1=

=

=

=

K2=

=

K1与K2的几何平均值称为线圈的交链系数或耦合系数，用K表示。

i=

=

，因0≤K1≤1，0≤K2≤1

所以

0

K=0 表示线圈之间不存在互感；K=1表示两线圈全耦合，无漏磁。

所以M=K

（M决定于K、L1、L2）

三、互感电动势

1．i1变化产生EM2

EM2=

=M

同理i2变化产生EM1

EM1=M

其大小等于互感系数和另一线圈中电流变化率的乘积；其方向用楞次定律判断。

四、应用

互感现象在电工和电子技术中应用非常广泛，如电源变压器，电流互感器、电压互感器和中周变压器等都是根据互感原理工作的。

（三）项目实施

学生练习习题与考工训练5选择题16判断题17

（四）作业布置

习题（《电工基础》第2版周绍敏主编）

4．问答与计算题（8）。

（五）板书设计

互感现象

1．互感现象和互感系数的概念。

2．互感系数和它们的自感系数的关系。

3．互感电动势的计算式。

【课后反思】

任务六互感线圈的同名端和串联（1课时）

一、【教学目标】

知识目标：

知道互感线圈同名端的概念及判别。

技能目标：

掌握互感线圈串联的两种方式。

情感目标：

培养学生的空间想象力，激发学生的学习兴趣。

二、【教学重点】

互感线圈同名端的判别。

三、【教学难点】

互感线圈串联等效电感的推导。

四、【教学过程】

（一）明确项目任务

互感线圈同名端的判别

（二）制定项目实施计划

课前复习

1．互感现象和互感系数的概念。

2．互感系数和它们的自感系数的关系。

3．互感电动势的大小和方向。

互感线圈的同名端和串联

一、互感线圈的同名端

1．同名端：

把在同一变化磁通作用下，感应电动势极性相同的端点叫同名端。

感应电动势极性相反的端点叫异名端。

用符号“”表示同名端。

例：

2．同名端的确定

（1）已知线圈绕法时，可用楞次定律直接判定（如上例）。

（2）不知线圈绕法时，可用实验方法来确定。

如下图。

开关闭合，i1增大，图中电源上“+”下“-”，如A表正偏，表明（3）端与

（1）端为同名端，A表反偏，表明（4）端与（3）端为同名端。

二、互感线圈的串联

1．顺串

（1）

（2）推导

E=EL1+EM1+EL2+EM2

         =L1

+L2

+2i

    =（L1+L2+2M）

         =L顺

所以

L顺=L1+L2+2M

2．反串

（1）

（2）推导

         E=EL1-EM1+EL2-EM2

            =L1

+L2

-2M

           =（L1+L2-2M）

            =L反

所以

L反=L1+L2-2M

3．M=

（三）项目实施

学生通过例题来判别同名端

（四）作业布置

习题（《电工基础》第2版周绍敏主编）

4．问答与计算题（9）、（10）。

（五）板书设计

互感线圈的同名端和串联

1．互感线圈同名端的概念及判别。

2．互感线圈串联等效电感的计算。

【课后反思】

任务七涡流和磁屏蔽（1课时）

一、【教学目标】

知识目标：

知道涡流和磁屏蔽的概念

技能目标：

1.掌握减小涡流的方法。

2．了解常用的磁屏蔽措施。

情感目标：

通过涡流和磁屏蔽的学习，了解在实际中的应用，培养学生热爱生活的态度，激发学习电工的兴趣。

二、【教学重点】

1．涡流的概念及减小涡流的方法。

2．常用的磁屏蔽措施。

三、【教学难点】

减小涡流的方法

四、【教学过程】

（一）明确项目任务

掌握减小涡流的方法

（二）制定项目实施计划

课前复习

互感线圈同名端的概念及判断。

涡流和磁屏蔽

一、涡流

1．涡流