23涡流电磁阻尼和电磁驱动解析版.docx

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23涡流电磁阻尼和电磁驱动解析版

第3节　涡流、电磁阻尼和电磁驱动

【知识梳理】

一、电磁感应现象中的感生电场

1.感生电场：

变化的磁场在周围空间激发的电场，叫做感生电场．

如果此空间存在闭合导体，导体中的自由电荷就会在感生电场的作用下定向移动，而产生感应电流，或者说导体中产生了感生电动势．

2.感生电场的方向：

感生电场是产生感应电流或感应电动势的原因．导体中正电荷定向运动的方向就是感生电场的方向，可由楞次定律判断．

3.感生电动势：

由于感生电场的作用，推动导体中自由电荷定向移动而产生的电动势叫感生电动势．

感生电动势在电路中的作用就是电源，其产生电动势的导体就是内电路，当它与外电路连接后就会对外电路供电．其非静电力就是感生电场对自由电荷的作用．

二、涡流

1.产生：

在变化的磁场中的导体内产生的感应电流，就像水中的漩涡。

所以把它叫作涡电流，简称涡流。

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、变压器等设备中为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。

三、电磁阻尼和电磁驱动

1.电磁阻尼：

（1）产生：

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）产生：

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。

（2）应用：

交流感应电动机。

【方法突破】

一、对涡流的理解

■方法归纳

1.涡流的本质：

电磁感应现象。

2.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。

3.产生涡流时的能量转化：

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。

（1）金属块放在变化的磁场中，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，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】电磁炉热效率高达

，炉面无明火，无烟无废气，“火力”强劲，安全可靠。

图示是描述电磁炉工作原理的示意图，下列说法正确的是（　　）

A．当恒定电流通过线圈时，会产生恒定磁场，恒定磁场越强，电磁炉加热效果越好

B．电磁炉通电线圈加交流电后，在锅底产生涡流，进而发热工作

C．在锅和电磁炉中间放一纸板，则电磁炉不能起到加热作用

D．电磁炉的锅不能用陶瓷锅或耐热玻璃锅，主要原因是这些材料的导热性能较差

【答案】B

【详解】锅体中的涡流是由变化的磁场产生的，所加的电流是交流，不是直流

故A错误．根据电磁炉的工作原理可知，电磁炉通电线圈加交流电后，在锅底产生涡流，进而发热工作，故B正确；在锅和电磁炉中间放一纸板，不会影响电磁炉的加热作用

故C错误．金属锅自身产生无数小涡流而直接加热于锅的，陶瓷锅或耐热玻璃锅属于绝缘材料，里面不会产生涡流

故D错误；故选B．

【针对训练1】安检门原理图如图所示，左边门框中有一通电线圈，右边门框中有一接收线圈。

若工作过程中某段时间内通电线圈中存在顺时针方向（左视图）均匀增大的电流，则下列说法正确的是（电流方向判断均从左向右观察）（　　）

A．有金属片通过时，金属片中会感应出涡流

B．有金属片通过时，接收线圈中的感应电流的方向可能改变

C．无金属片通过时，接收线圈中的感应电流的方向为顺时针

D．无金属片通过时，接收线圈中的感应电流可能逐渐减小

【答案】A

【详解】A．通电线圈中的电流均匀增大，则产生的磁场均匀增大，有金属片通过时，穿过金属片中的磁通量均匀增大，金属片中会感应出涡流，故A正确；

B．金属片中涡流的磁场与通电线圈中产生的磁场方向相反，虽然会对接收线圈中磁通量的增大有一定的阻碍作用，但不能阻止接收线圈中磁通量增大，所以接收线圈中的感应电流的方向不会改变，故B错误；

CD．无金属片通过时，接收线圈中的磁通量由左向右均匀增大，根据楞次定律可知感应电流的方向为逆时针，根据法拉第电磁感应定律可知接收线圈中的感应电动势不变，感应电流不变，故CD错误。

故选A。

二、电磁阻尼和电磁驱动的比较

■方法归纳

电磁阻尼

电磁驱动

不

同

点

成因

由导体在磁场中运动形成的

由磁场运动而形成的

效果

安培力方向与导体运动方向相反,为阻力

安培力方向与导体运动方向相同,为动力

能量

转化

克服安培力做功,其他形式的能转化为电能,最终转化为内能

磁场能转化为电能,通过安培力做功,电能转化为导体的机械能

共同点

两者都是电磁感应现象,导体受到的安培力都是阻碍导体与磁场间的相对运动

提醒：

电磁阻尼、电磁驱动都是电磁感应现象，都遵循楞次定律。

【例2】如图所示，金属球（铜球）下端有通电的线圈，今把金属球向上拉离平衡位置后释放，此后金属球的运动情况是（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

【答案】B

【详解】金属球在通电线圈产生的磁场中运动，金属球中产生涡流，故金属球要受到安培力作用，阻碍它的相对运动，做阻尼振动，振幅不断减小。

B正确，ACD错误。

故选B。

【针对训练2】如图所示，在一蹄形磁铁下面放一个铜盘，铜盘和磁铁均可以绕

′轴自由转动，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

【答案】B

【详解】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，所以铜盘与磁铁同向转动，又由产生电磁感应的条件可知，线圈中能产生电流的条件必须是磁通量发生变化。

故要求铜盘转动方向与磁铁相同而转速小，不能同步转动。

故选B。

【对点检测】

一、随堂检测

1．电子感应加速器基本原理如图所示，上、下为电磁铁两个磁极，磁极之间有一个环形真空室，电子在真空中做圆周运动。

电磁铁线圈电流的大小、方向可以变化。

上图为侧视图，下图为真空室的俯视图，若某一时刻，电磁铁线圈中电流方向与图示方向一致、电子沿逆时针方向，在磁场的约束下运动一周，则下列说法正确的是（　　）

A．电子感应加速器是利用电磁铁间变化的磁场产生感生电场使电子加速的仪器

B．电子感应加速器是利用越来越强的磁场对电子持续增大的洛伦兹力作用使电子加速的仪器

C．电磁铁线圈中电流大小要持续增加，其电流方向可以与图示方向相反

D．当电磁铁线圈中的电流方向与图示方向相反时，要实现对电子加速，电流要越来越小

【答案】A

【详解】AB．根据法拉第电磁感应定律，可知，电子感应加速器是利用电磁铁间变化的磁场产生感生电场使电子加速的仪器，在洛伦兹力约束下做圆周运动，故A正确，B错误；

C．由题知，某一时刻，电磁铁线圈中电流方向与图示方向一致、电子沿逆时针方向，则感应电流沿顺时针方向，根据安培定则可知，感应磁场向下，与原磁场方向相反，即线圈中的磁场增大，故通过电磁铁线圈的电流大小增大，故电流方向不能与图示方向相反，否则产生的感应电流方向就会相反，电子的运动情况也会相反，故C错误；

D．当电磁铁线圈中的电流方向与图示方向相反时，若电流越来越大，根据楞次定律，可知涡旋电场的方向为逆针方向，电子将沿时时针方向做加速运动，故D错误。

故选A。

2．“电磁感应铝箔封口机”被广泛应用在医药、食品、化工等行业的产品封口环节中，其工作原理是当接通电源时，内置线圈产生磁场，当磁感线穿过封口铝箔材料时，瞬间产生大量小涡流，致使铝箔自行快速发热，熔化复合在铝箔上的溶胶，从而粘贴在承封容器的封口处，达到迅速封口的目的。

下列说法中正确的是（　　）

A．该封口机可用干电池等直流电源作为工作电源

B．封口材料不可用普通塑料薄膜来代替铝箔

C．封口过程中温度过高，可适当减小所通电流的周期来解决

D．指针式电流也是由于在电流表内部线圈中产生了涡流而使指针发生偏转

【详解】A．导体放入变化的磁场才能产生涡流现象，而干电池通电后，导线周围产生恒定的磁场，不能产生涡流，A错误；

B．普通塑料薄膜不是导体，不能产生涡流现象，B正确；

C．封口过程中温度过高，可适当增加所通电流的周期，使磁场变化减慢来解决，C错误；

D．指针式电流也是由于在电流表内部线圈中的电流在磁场中受力而使指针发生偏转，D错误。

故选B。

3．如图所示，磁电式电流表的线圈常用铝框作骨架，把线圈绕在铝框上，铝框的两端装有转轴，转轴的两边各有一个螺旋弹簧（绕制方向相反），关于磁电式电流表下列说法正确的是（　　）

A．线圈通电后，由于螺旋弹簧的弹力作用，可以使指针尽快稳定下来

B．线圈通电后，由于铝框中的电磁阻尼作用，可以使指针尽快稳定下来

C．线圈骨架换成塑料，通电后也可以使指针尽快稳定下来

D．在运输时要把正负接线柱用导线连在一起，主要是为了增强铝框中的电磁阻尼作用

【答案】B

【详解】AB．常用铝框做骨架，当线圈在磁场中转动时，导致铝框的磁通量变化，从而产生感应电流，出现安培阻力，使其很快停止摆动，利用了铝框的电磁阻尼作用，故A错误，B正确；

C．塑料做骨架因不能导电则达不到电磁阻尼的作用，故C错误；

D．在运输时要把正负接线柱用导线连在一起，是接通回路能产生铝框中的电磁阻尼作用，而不能增强，故D错误；故选B。

4．如图所示，一铝块静止在光滑水平面上，现让一条形磁铁以一定的速度向右靠近铝块在磁铁靠近铝块的过程，说法正确的是（）

A．若条形磁铁的右端为N极，则铝块会向右以相同的速度运动

B．若条形磁铁的右端为S极，则铝块会向左运动，速度小于磁铁的速度

C．在它们相遇前，铝块一直处于静止状态

D．不论条形磁铁的右端为N极还是S极，铝块都会向右运动，且同一时刻铝块的速度小于磁铁的速度

【答案】D

【详解】不管条形磁铁的右端是N极还是S极，向右靠近铝块时都在铝块中产生涡流，因此会有电磁驱动现象，根据楞次定律阻碍作用的特点，铝块的速度小于磁铁的速度．

A.若条形磁铁的右端为N极，则铝块会向右以相同的速度运动，与结论不相符，选项A错误；

B.若条形磁铁的右端为S极，则铝块会向左运动，速度小于磁铁的速度，与结论不相符，选项B错误；

C.在它们相遇前，铝块一直处于静止状态，与结论不相符，选项C错误；

D.不论条形磁铁的右端为N极还是S极，铝块都会向右运动，且同一时刻铝块的速度小于磁铁的速度，与结论相符，选项D正确；

二、课后检测

5．金属探测器已经广泛应用在考场检测、车站安检等领域，其利用的是电磁感应原理：

探测器内的线圈中通以大小与方向快速变化的电流从而产生快速变化的磁场，该磁场会在金属物体内部感应出“涡流”（感应电流）。

“涡流”会产生磁场，从而影响原始磁场，导致检测器发出蜂鸣声而报警．下列说法正确的是（　　）

A．欲使待检测物体内部产生“涡流”（感应电流），探测器需在待检测物上方不停地晃动

B．探测器静止在待检测物上方，待检测物内部仍然可以产生“涡流”（感应电流）

C．若待检测物为塑料则不能报警，因为检测区域内没有磁通量变化

D．若待检测物为塑料则不能报警，因为待检测物中没有能够自由移动的带电粒子或很少

【答案】BD

【详解】AB．因为金属探测器中通的是大小与方向快速变化的电流，以致产生高速变化的磁场，故即使探测器静止在待检测物的上方，待检测物中依然有感应电流产生，故A错误，B正确；

CD．因为塑料制品近乎于绝缘体，导电性能极差，所以监测区域中并非没有磁通量变化，而是因为塑料内部没有可自由移动的带电粒子或极少，而使得待检测物体中无感应电流或电流太小不能引起报警，故C错误，D正确。

故选BD。

6．如图所示，用导线环绕在一金属块上许多匝，当导线中通以交变电流时，金属块中的磁通量会不断变化从而产生感应电流，这些电流的分布就像水中的漩涡一样，我们把它叫做涡电流，简称涡流。

涡流会消耗电能产生热量，下列判断正确的有（　　）

A．产生感应电动势的非静电力是涡旋电场给电荷的作用力

B．如果想增大涡流发热，可以仅增大金属材料的电阻率

C．如果想增大涡流发热，可以仅增加线圈的匝数

D．如果想增大涡流发热，在线圈电流强度不变的条件下，可以仅增大电流频率

【答案】ACD

【详解】A．产生感应电动势的非静电力是涡旋电场给电荷的作用力，A正确；

B．根据

可知，如果想增大涡流发热，可以仅减小金属材料的电阻率，从而减小电阻，B错误；

C．根据

可知，如果想增大涡流发热，可以仅增加线圈的匝数，从而增加感应电动势，C正确；

D．在线圈电流强度不变的条件下，仅增大电流频率，则产生的感应电动势会变大，从而可增大涡流发热，D正确。

故选ACD。

7．很多高层建筑都会安装减震耗能阻尼器，用来控制强风或地震导致的振动。

上海中心大厦使用重达1000吨的“上海慧眼”作为阻尼器。

阻尼器采用的是电磁原理消能减震的技术其建筑的主体结构在遭遇强风或地震时发生振动，吊挂在结构顶部的阻尼器就会带动磁钢组件在固定的铜板上进行相对移动，从而将系统振动的能量转化为内能。

关于减震耗能阻尼器的工作原理，下来说法正确的是（　　）

A．铜板中产生电涡流的原因是穿过铜板的磁通量在变化

B．磁钢组件摆动得越快，铜板上产生的电涡流越小

C．采用铜板是因为铜的导电性能好，产生的电涡流大、阻尼大

D．阻尼器摆动幅度不受风力大小影响

【答案】AC

【详解】A．产生电涡流的原因与感应电流相同，都是由于穿过导体的磁通量变化而产生的，故A正确；

B．磁钢组件摆动得越快，磁通量变化越快，铜板上产生的电涡流越大，故B错误；

C．采用铜板是因为铜的电阻率低，导电性能好，产生的电涡流大、阻尼大，故C正确；

D．阻尼器摆动幅度受风力大小影响，故D错误。

故选AC。

8．在一水平通电直导线的正下方，有一半圆形光滑圆弧轨道，一导体圆环自轨道左侧的A点无初速度释放，则下列说法中正确的是（　　）

A．圆环中有感应电流产生

B．圆环能滑到轨道右侧与A点等高的C处

C．圆环最终停在轨道的最低点B处

D．安培力始终阻碍圆环的运动，以阻碍圆环中的磁通量变化

【答案】ACD

【详解】A．水平通电直导线周围有磁场，且离导线越远磁感应强度越小，在圆环运动过程中，通过圆环的磁通量变化，故有感应电流产生，A正确；

B．因为圆环在运动的过程中，有感应电流产生，对整个过程由能量守恒定律得，重力势能转化为电能，故不能上滑到轨道右侧与A点等高的C处，B错误；

C．由于圆环运动的过程中，磁通量不断变化，所以机械能不断转化为电能，故圆环的机械能越来越小，最终停在最低点B处，C正确；

D．由能量守恒定律可知，安培力始终对圆环做负功，这样便阻碍了圆环中磁通量的变化，D正确。

故选ACD。

【提升训练】

9．如图是电子感应加速器的示意图，上、下为电磁铁的两个磁极，磁极之间有一个环形真空室，电子在真空室中做圆周运动上图为侧视图，下图为真空室的俯视图，电子从电子枪右端以一定的初速度逸出，沿逆时针方向运动则下列说法中正确的是（　　）

A．若电磁铁线圈的电流大小变化时，真空室中会激发感生电场

B．若电磁铁线圈电流的方向与图示方向一致时，增大电流电子会被加速

C．若电磁铁线圈电流的方向与图示方向一致时，减小电流电子会被加速

D．若电磁铁线圈电流的方向与图示方向相反时，减小电流电子会被减速

【答案】AB

【详解】A．电磁铁线圈的电流大小变化时，其磁场会发生变化，其周围会有感生电场产生，则A正确；

BC．真空室中的磁场方向竖直向上，若线圈中的电流增强，磁场也增强，根据楞次定律，感生电场为顺时针方向，电子沿逆时针方向加速运动，故B正确；C错误；

D．电磁铁线圈电流的方向与图示方向相反时，真空室中的磁场方向竖直向下，若线圈中的电流减小，线圈产生的磁场减弱，则根据楞次定律，感生电场为顺时针方向，即电子会被加速，则D错误；故选AB。

10．健身车的磁控阻力原理如图所示，在铜质飞轮的外侧有一些磁铁（与飞轮不接触），人在健身时带动飞轮转动，磁铁会对飞轮产生阻碍，拉动控制拉杆可以改变磁铁与飞轮间的距离．则（　　）

A．飞轮受到阻力大小与其材料密度有关

B．飞轮受到阻力大小与其材料电阻率无关

C．飞轮转速一定时，磁铁越靠近飞轮，其受到的阻力越大

D．磁铁与飞轮间距离不变时，飞轮转速越大，其受到阻力越大

【答案】CD

【详解】AB.飞轮在磁场中做切割磁感线的运动，所以会产生电源电动势和感应电流，根据楞次定律可知，磁场会对运动的飞轮产生阻力，以阻碍飞轮与磁场之间的相对运动，所以飞轮受到的阻力主要来源于磁铁对它的安培力，而安培力大小与其材料的电阻率有关，与其密度无关，故AB错误；

C.磁铁越靠近飞轮，飞轮处于的磁感应强度越强，所以在飞轮转速一定时，磁铁越靠近飞轮，飞轮上产生的感应电动势和感应电流越大；飞轮受到的阻力越大，故C正确；

D.磁铁和飞轮间的距离一定时，根据法拉第电磁感应定律可知，飞轮转速越大，则飞轮上产生的感应电动势和感应电流越大，那么飞轮受到的阻力越大，故D正确；故选CD．

11．安检门是一个用于安全检查的“门”，“门框”内有线圈，线圈里通有交变电流，交变电流在“门”内产生交变磁场，金属物品通过“门”时能产生涡流，涡流的磁场又反过来影响线圈中的电流，从而引起报警．以下关于这个安检门的说法正确的是（　　）

A．这个安检门也能检查出毒品携带者

B．这个安检门只能检查出金属物品携带者

C．如果这个“门框”的线圈中通上恒定电流，也能检查出金属物品携带者

D．这个安检门工作时，既利用了电磁感应现象，又利用了电流的磁效应

【答案】BD

【详解】AB、安检门利用涡流探测人身上携带的金属物品原理是：

线圈中交变电流产生交变的磁场，会在金属物品产生交变的感应电流，而金属物品中感应电流产生的交变磁场会在线圈中产生感应电流，引起线圈中交变电流发生变化，从而被探测到，不能检测到毒品，故A错误，B正确；

C、如果这个“门框”的线圈中通上恒定电流，只能产生恒定的磁场，则不能使块状金属产生电流，因而不能检查出金属物品携带者，故C错误；

D、根据A的分析可知，安检门工作时，既利用了电磁感应现象，又利用了电流的磁效应，故D正确．

故选BD．

12．高频焊接技术的原理如图3（a）所示.线圈接入图（b）所示的正弦式交流电（以电流顺时针方向为正），圈内待焊接工件形成闭合回路.则（　　）

A．图（b）中电流有效值为I

B．0～t1时间内工件中的感应电流变大

C．0～t1时间内工件中的感应电流方向为逆时针

D．图（b）中T越大，工件温度上升越快

【答案】AC

【详解】

由图知电流的最大值为

I，因为该电流是正弦式交流电，则有效值为I，故A正确.i－t图象切线的斜率等于电流的变化率，根据数学知识可知：

0～t1时间内线圈中电流的变化率减小，磁通量的变化率变小，由法拉第电磁感应定律可知工件中感应电动势变小，则感应电流变小，故B错误.根据楞次定律可知：

0～t1时间内工件中的感应电流方向为逆时针，故C正确.图（b）中T越大，电流变化越慢，工件中磁通量变化越慢，由法拉第电磁感应定律可知工件中产生的感应电动势越小，温度上升越慢，故D错误.