3 涡流 电磁阻尼 电磁驱动
基础过关练
题组一 涡流及其应用
1.(多选题)当线圈中的电流随时间变化时,由于电磁感应,附近的另一个线圈中会产生感应电流。实际上,这个线圈附近的任何导体中都会产生感应电流,看起来就像水中的漩涡,所以把它叫作涡电流,简称涡流。下列关于涡流的应用说法正确的是( )
图1 图2
图3 图4
A.图1中炉外有线圈,线圈中通以高频交变电流,利用涡流产生的热量使金属熔化
B.图2中为了减小涡流,利用相互绝缘的硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯
C.图3中,当探雷器遇见金属时,金属中涡流产生的磁场反过来影响线圈中电流,使仪器报警
D.图4中,两个磁性很强的小圆柱形永磁体同时从铝管上端管口落入,无论铝管有无裂缝,它们都同时到达铝管下端管口
2.如图所示是一种焊接方法的原理示意图。将圆形待焊接金属工件放在线圈中,然后在线圈中通以某种电流,待焊接工件中会产生感应电流,感应电流在焊缝处产生大量的热量将焊缝两边的金属熔化,待焊接工件就焊接在一起了。我国生产的自行车车轮圈就是用这种方法焊接的。下列说法中正确的是( )
A.这种焊接方法的原理是电流的磁效应
B.线圈中通入的交流电频率越高,焊缝处温度升高得越快
C.线圈中的电流是很强的恒定电流
D.待焊接工件中的感应电流方向与线圈中的电流方向总是相反的
题组二 电磁阻尼和电磁制动
3.电磁阻尼现象演示装置如图所示,钢锯条上端固定在支架上,下端固定有强磁铁,将磁铁推开一个角度释放,它会在竖直面内摆动较长时间;若在其正下方固定一钢块(不与磁铁接触),则摆动很快停止。下列说法正确的是( )
A.如果将磁铁的磁极调换,重复实验将不能观察到电磁阻尼现象
B.用铜块替代钢块,重复实验将不能观察到电磁阻尼现象
C.在固定钢块的情况下,磁铁下摆和上摆过程中磁铁和钢锯条组成的系统机械能均减少
D.在固定钢块的情况下,磁铁在摆动过程中与钢块没有相互作用力
4.台风“烟花”登陆上海后,上海中心大厦上的阻尼器开始出现摆动,给大楼进行减振。如图所示,该阻尼器首次采用了涡电流技术,带有永磁铁的质量块附着在阻尼器的底部。质量块在摆动中通过导体板上方时,导体板内产生涡电流。关于阻尼器,下列说法正确的是( )
A.阻尼器摆动时产生的涡电流源于电磁感应现象
B.阻尼器摆动时产生的涡电流源于外部电源供电
C.阻尼器将电能转化为机械能
D.质量块通过导体板上方时,导体板的涡电流大小与质量块的速率无关
5.汽车使用的电磁制动原理示意图如图所示,当导体在固定通电线圈产生的磁场中运动时,会产生涡流,使导体受到阻碍运动的制动力。下列说法正确的是( )
A.制动过程中,导体不会发热
B.制动力的大小与导体运动的速度无关
C.改变线圈中的电流方向,导体就可获得动力
D.制动过程中导体获得的制动力逐渐减小
题组三 电磁驱动
6.(经典题)如图甲所示为探究电磁驱动的实验装置。某个铝框置于U形磁铁的两个磁极间,铝框可以绕支点自由转动。开始时,铝框和磁铁均静止,转动磁铁,会发现铝框也会跟着发生转动。下列说法正确的是( )
甲
乙
A.铝框是因为受到安培力而转动的
B.铝框转动的速度大小和方向与磁铁转动的速度相同
C.磁铁从图乙位置开始转动时,铝框截面abcd中的感应电流的方向为a→d→c→b→a
D.当磁铁停止转动后,如果忽略空气阻力和摩擦阻力,铝框将保持匀速转动
7.车速表是用来测量车辆瞬时速度的一种装置,其工作原理如图所示。永久磁铁固定在驱动轴上,当车运动时,驱动轴会带动磁铁转动,由于电磁感应,由金属做成的速度盘也会随之转动,从而带动指针指示出相应的速度。则下列说法正确的是( )
A.速度盘和磁铁将以相同的角速度同时转动
B.在速度盘转动过程中,穿过整个速度盘的磁通量发生了变化
C.速度盘中产生感应电流而受到安培力,驱使速度盘转动
D.速度盘中的感应电流是速度盘中的自由电子随圆盘转动形成的
能力提升练
题组一 涡流的产生及应用
1.如图是检测仪在管道内运动及其工作原理剖面示意图,当激励线圈中通以正弦式交流电时,金属管道壁内会产生涡流,涡流的磁场会影响检测线圈中的电流。以下有关涡流内检测仪的说法正确的是( )
A.检测线圈的消耗功率等于激励线圈的输入功率
B.在管道内某处检测时,如果只增大激励线圈中交流电的频率,检测线圈中电流大小不变
C.在管道内某处检测时,如果只增大激励线圈中交流电的频率,检测仪消耗的功率将变大
D.当检测仪从金属管道完好处进入到破损处检测时,管道壁中将产生更强的涡流
题组二 电磁阻尼和电磁制动的应用
2.(经典题)扫描隧道显微镜(STM)可用来探测样品表面原子尺度上的形貌。为了有效隔离外界振动对STM的扰动,在圆底盘周边沿其径向对称地安装若干对紫铜薄板,并施加磁场来快速衰减其微小振动,如图所示。无扰动时,按下列四种方案对紫铜薄板施加恒定磁场;出现扰动后,对于紫铜薄板上下及左右振动的衰减最有效的方案是( )
A B
C D
3.太空单车是一种利用电磁阻尼的体育锻炼器材。某同学根据电磁学的相关知识,设计了这样的单车原理图:在铜质轮子的外侧有一些磁铁(磁铁与轮子间的距离可以改变,磁铁与轮子不接触),人在健身时带动轮子转动,磁铁会对轮子产生阻碍,则下列说法正确的是( )
A.轮子受到的阻力大小与其材料电阻率无关
B.若轮子用绝缘材料替换,也能保证相同的效果
C.轮子受到的阻力主要来源于铜制轮内产生的感应电流受到的安培力
D.磁铁与轮子间距离不变时,轮子转速越大,受到的阻力越小
题组三 电磁驱动的应用
4.著名物理学家弗曼曾设计过一个实验,如图所示,在一块绝缘圆盘上中部安一个线圈,并接有电源,圆盘的四周固定有许多带负电的小球,将整个装置支撑起来。忽略各处的摩擦,当电源接通的瞬间,整个圆盘将(从上往下看)( )
A.顺时针转动
B.静止不动
C.电路稳定情况下,断开电源瞬间圆盘的转动方向与开关接通瞬间圆盘转动方向相反
D.不管圆盘上小球的电性如何,接通电源瞬间,圆盘转动方向都是一样的
答案与分层梯度式解析
基础过关练
1.ABC 2.B 3.C 4.A 5.D 6.A 7.C
1.ABC 题图1中,当线圈中通以周期性变化的高频电流时,高频感应炉中的金属产生涡流,利用涡流生热使金属熔化,A正确。题图2中,利用相互绝缘的硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯,减小产生的涡流,降低涡流造成的损耗,B正确。题图3中,探雷器遇见金属时,金属中会感应出涡流,涡流产生的磁场反过来影响线圈中电流,使仪器报警,C正确。小圆柱形永磁体在无裂缝铝管中下落时,铝管中会产生涡流,涡流产生的磁场阻碍磁体与铝管间的相对运动;小圆柱形永磁体在有裂缝的铝管中下落时,铝管中也产生涡流,但涡流对小圆柱形永磁体产生向上的阻力较小,所以磁体穿越无缝铝管的时间比穿越有缝铝管的时间长,故D错误。
2.B 高频焊接利用高频交变电流产生高频交变磁场,在待焊接的金属工件中就产生感应电流,根据法拉第电磁感应定律分析可知,电流变化的频率越高,磁通量变化频率越高,产生的感应电动势越大,感应电流越大,焊缝处的温度升高得越快,A、C错误,B正确;若磁通量减少,待焊接工件中的感应电流方向与线圈中的电流方向相同,D错误。
3.C 如果将磁铁的磁极调换,重复实验时,穿过钢块的磁通量仍会变化,从而产生电磁感应现象,即钢块内产生涡流,进而将观察到电磁阻尼现象,A错误;用铜块替代钢块,重复实验时,在铜块中仍会产生涡流,仍能观察到电磁阻尼现象,B错误;在固定钢块的情况下,磁铁下摆和上摆过程中,钢块里均能产生涡流,钢块的内能均增大,而钢块增大的内能源于磁铁和钢锯条组成的系统的机械能,所以磁铁和钢锯条组成的系统机械能均减少,C正确;在固定钢块的情况下,根据楞次定律的推论“来拒去留”,可知磁铁在摆动过程中与钢块间存在相互作用力,D错误。
4.A 阻尼器摆动时产生的涡电流源于电磁感应现象,A正确,B错误;阻尼器摆动时将机械能转化为电能,C错误;质量块通过导体板上方时,导体板的涡电流大小与质量块的速率有关,速率越大,磁通量变化越快,产生的感应电动势越大,涡电流越大,D错误。故选A。
5.D 制动过程中,导体中会产生涡流,根据电流的热效应可知导体会发热,A错误;导体运动速度越大,穿过导体中回路的磁通量的变化率越大,产生的涡流越大,则所受安培力即制动力越大,可知制动力的大小与导体运动的速度有关,B错误;根据楞次定律可知,原磁场对涡流的安培力总是要阻碍导体的相对运动,即改变线圈中的电流方向,导体受到的安培力仍然为阻力,C错误;制动过程中,导体的速度逐渐减小,穿过导体中回路的磁通量的变化率变小,产生的涡流变小,则所受安培力即制动力变小,D正确。
6.A 磁铁开始转动时,通过铝框的磁通量发生变化,产生感应电流,铝框中的感应电流在磁铁的磁场中受到安培力作用,导致铝框转动,A正确;根据楞次定律可知,铝框的转动会阻碍磁通量增加,则铝框与磁铁转动方向相同,但快慢不相同,铝框的转速一定比磁铁的转速小,B错误;磁铁从题图乙位置开始转动时,通过铝框向里的磁通量增加,根据楞次定律结合安培定则可知,感应电流方向为a→b→c→d→a,C错误;当磁铁停止转动后,如果忽略空气阻力和摩擦阻力,由于铝框转动的过程中仍然能产生感应电流,所以铝框会受到安培力作用逐渐减速直到停止运动,D错误。
7.C 由电磁驱动原理知,当磁铁开始转动时,速度盘也会随磁铁发生转动,但会略有滞后,故A错误;在速度盘转动的过程中,穿过整个速度盘的磁通量不发生变化,故B错误;当磁铁转动时,速度盘中会产生感应电流,在磁铁产生的磁场中受到安培力,安培力驱使速度盘转动,故C正确;速度盘中的感应电流是由电磁感应产生的,不是速度盘中的自由电子随圆盘转动形成的,故D错误。
能力提升练
1.C 2.A 3.C 4.C
1.C 由于检测时管道壁中产生涡流,有一定的热功率,故激励线圈的输入功率大于检测线圈消耗的功率,A错误;增大激励线圈中交流电的频率,金属管道壁内产生的涡流的大小及变化频率会增大,通过检测线圈的磁通量的变化率变大,产生的感应电动势变大,则检测线圈中的电流变大,B错误;增大激励线圈中交流电的频率,检测线圈的功率和管道产生的热功率变大,则检测仪消耗的功率将变大,C正确;当检测仪从金属管道完好处进入到破损处检测时,金属管道的厚度减小,则管道壁中产生的涡流变小,D错误。
2.A 由于要求有效衰减紫铜薄板的上下及左右的微小振动,则在紫铜薄板发生微小的上下或左右振动时,通过紫铜薄板横截面的磁通量应均能发生变化,由图可以看出,只有A图方案才能使两方向上的微小振动得到有效衰减。
导师点睛 该装置的原理是电磁阻尼。薄板出现扰动时,穿过薄板表面的磁通量如果发生变化,就会产生感应电流,薄板就会受到安培力作用,安培力总是阻碍薄板相对磁场的运动,从而使薄板尽快停下来。
3.C 轮子(导体)在磁场中做切割磁感线运动,会产生感应电动势和感应电流,因此不能用绝缘材料替换,B错误;根据楞次定律可知,磁场会对运动的轮子产生阻力,以阻碍轮子与磁场之间的相对运动,所以轮子受到的阻力主要来源于磁铁对它的安培力,而安培力的大小与材料的电阻率有关,A错误,C正确;磁铁与轮子间的距离不变时,轮子转速越大,产生的感应电流越大,轮子受到的阻力越大,D错误。
4.C 当电源接通的瞬间,由安培定则可知,线圈内的磁场方向向上,线圈中的电流增大将产生增强的磁场,变化的磁场会产生电场,根据楞次定律和安培定则可知,线圈周围产生顺时针方向的电场(俯视),负电荷受到的电场力与电场方向相反,则带负电的小球会受到逆时针方向的电场力(俯视),故圆盘将沿逆时针方向运动;若小球带正电,小球将受到顺时针方向的电场力(俯视)而转动,故A、B、D错误。当断开开关时,线圈内的向上的磁场减弱,根据楞次定律和安培定则可知,线圈周围产生逆时针方向的电场(俯视),带负电的小球会受到顺时针方向的电场力(俯视),故圆盘将沿顺时针方向转动,与电源接通瞬间圆盘的转动方向相反,C正确。
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3 涡流 电磁阻尼 电磁驱动
涡流
1.概念:由于电磁感应,在大块金属中产生的像漩涡一样的感应电流,称为涡电流,简称涡流。
2.特点:大块金属沿涡流路径的电阻一般很小,不大的感应电动势能在其内部形成强大的涡电流,释
放出大量的焦耳热。
3.防止:变压器、电动机等设备中因涡流产生的热不但会消耗很多能量,也容易损坏电器。为
此,变压器和电机中的铁芯都不用整块金属,而是用许多相互绝缘的薄硅钢片叠合而成的。
4.应用:高频感应炉应用涡流的热效应冶炼金属,电磁炉应用涡流的热效应加热物体。
必备知识 清单破
知识点 1
易错警示 块状金属在匀强磁场中运动时,穿过金属块的磁通量不变,金属块中不产生涡
流。
电磁阻尼和电磁制动 电磁驱动
1.电磁阻尼
(1)概念:当闭合电路中的一部分导体在磁场中做切割磁感线的运动时,导体中会产生感应电
流,感应电流使导体受到安培力,安培力总是阻碍导体的运动,这种现象叫作电磁阻尼。
(2)应用:磁电式电表中利用电磁阻尼使指针迅速停止到读数位置,便于读数;在运输电表时用
导线把正、负接线柱连在一起,以阻碍表针摆动。
2.电磁制动
(1)概念:电动列车在要进行制动时,电动机与电源断开,并把电动机的线圈与制动电路连接成
闭合回路,列车前进时带动电动机线圈转动,而产生感应电流,磁场对它的安培力起着制动的
作用。
(2)优点:减少机械磨损,列车前进的动能转化为电能,给蓄电池充电。
知识点 2
3.电磁驱动
(1)概念:磁场相对导体运动时,导体中产生感应电流,感应电流受到安培力的作用使导体运动
起来,这种现象称为电磁驱动。
(2)应用:感应电动机。
1.如图所示,线圈中的电流随时间变化时,导体中有感应电流吗 如果有,它的形状像什么
2.用导线把微安表的两个接线柱连在一起后,在磁场中晃动微安表时,表针摆动的幅度为什么
比没连接接线柱时小
3.如图所示,一个铝框放在蹄形磁体的两个磁极间,可以绕支点自由转动。转动磁体时,铝框
如何运动 为什么会发生这种现象
知识辨析
一语破的
1.有。变化的电流产生变化的磁场,变化的磁场产生感生电场,使导体中的自由电子发生定向
移动,产生感应电流,它的形状像水的漩涡,所以把它叫作涡电流,简称涡流。
2.用导线把微安表的两个接线柱连接起来后,就形成了闭合回路,产生感应电流,表针受到的
安培力阻碍表针的摆动,即发生电磁阻尼现象。
3.转动磁体时,铝框会跟着磁体运动起来,但转速要低于磁体的转速。原因是:磁体转动时,铝
框中会产生感应电流,磁场对感应电流的安培力阻碍它与磁体的相对运动,因而铝框跟着磁
体转动起来。
对涡流的理解
1.涡流的本质
涡流的本质是由于电磁感应而产生的感应电流,与一般导体或线圈的最大区别是金属块内自
成闭合回路,但它同样遵循法拉第电磁感应定律。
关键能力 定点破
定点 1
导师点睛 磁场变化越快 ,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。产生感应电流的条件是穿过闭合回路的磁通量发生变化,产生涡流时,金属块
并没有接入闭合回路,但穿过金属块的磁通量变化时,金属块内部自成闭合回路,所以能产生
感应电流。
2.产生涡流的两种情况
(1)把金属块放在变化的磁场中;
(2)让金属块进出磁场或者在非匀强磁场中运动。
3.能量变化
伴随着涡流现象,其他形式的能转化成电能,并最终在金属块中转化为内能。
(1)如果把金属块放在变化的磁场中,则磁场能转化为电能并最终转化为内能。
(2)如果让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
转化为电能并最终转化为内能。
项目 电磁阻尼 电磁驱动
电磁阻尼和电磁驱动的比较
定点 2
不同点 成因 由于导体在磁场中运动而产生感应电流,从而使导体受到安培力 由于磁场运动引起磁通量的变化而产生感应电流,从而使导体受到安培力
效果 安培力的方向与导体运动方向相反,阻碍导体运动 导体受安培力的方向与导体运动方向相同,推动导体运动
能量 转化 导体克服安培力做功,其他形式的能转
化为电能,最终转化为内能 由于电磁感应,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,从而对外做功
相同点 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电流的导体与磁场
间的相对运动
典例 零刻度在表盘正中间的电流计非常灵敏,通入电流后,线圈所受安培力和螺旋弹簧的弹
力作用达到平衡时,指针在示数附近摆动很难停下,使读数变得困难。在指针转轴上装上扇
形铝框或扇形铝板【1】,在合适区域加上磁场,可以解决此困难【2】。下列方案合理的是 ( )
D
思路点拨 当闭合导体与磁场发生相对运动时,两者之间产生电磁阻尼,阻碍相对运动。
信息提取 【1】铝框为闭合回路,铝板为闭合导体;
【2】利用电磁阻尼使其快速停下。
解析 A、C选项中,当指针向左偏转时,铝框或铝板可能会离开磁场,产生不了感应电流,不
会产生电磁阻尼现象,指针不能很快停下,A、C不符合题意;B选项中,磁场在铝框中间,当指
针偏转角度较小时,铝框不能切割磁感线,不能产生感应电流,不会产生电磁阻尼现象,指针不
能很快停下,B不符合题意;D选项中,磁场在铝板中间,不论指针偏转角度大小,铝板上都会产
生涡流,会产生电磁阻尼现象(由【1】【2】得到),指针很快停下,便于读数,D符合题意。故
选D。
