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第三章 电磁感应
第三章 电磁感应
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第六节 自感现象 涡流
1.了解什么是自感现象、自感系数和涡流，知道影响自感系数大小的因素．(重点＋难点) 2.了解自感现象和涡流的利用及其危害的防止．(重点) 3.初步了解日光灯、电磁炉等家用电器的工作原理.
, [学生用书P54])
一、自感现象
1．定义：由于导体回路中的电流发生变化而在自身回路引起的电磁感应现象称为自感现象．
2．本质：自身电流的变化，导致其自身产生的磁场发生变化，从而使通过自身的磁通量发生变化，最终产生电磁感应现象．
3. 通电自感：如图所示，开关闭合时我们观察到的现象是：灯泡A1逐渐变亮，灯泡A2立即变亮，这是由于线圈L的影响，由此可以判断线圈L的自感电动势阻碍电流的增加．
4．断电自感：如图所示，开关断开时，灯泡A没有立即熄灭，这是由于线圈的自感作用，说明自感电动势阻碍线圈中电流的减小．
5．自感的作用：阻碍电路中电流的变化．
1．断电自感现象中，灯泡在开关断开后，仍然亮一会，是否违背能量守恒定律？
提示：不违背．断电时，储存在线圈内的磁场能转化为电能用以维持回路保持一定时间的电流．
二、电感器
1．定义：电路中的线圈叫做电感器．
2．描述电感器性能的物理量：自感系数，简称自感．
3．决定线圈自感系数的因素：线圈的形状、长短、匝数、线圈中是否有铁芯．线圈越粗、越长，匝数越多，它的自感系数就越大，另外有铁芯时的自感系数比没有铁芯时大．
4．应用：自感现象在我们的生活中有利也有弊，利用自感现象，如：日光灯镇流器；需要克服自感现象，如：断电时产生的电弧．
三、涡流及其应用
1．定义：只要空间有变化的磁通量，其中的导体中就会产生感应电流，我们把这种感应电流叫做涡流．
2．应用：涡流通过电阻时可以生热，金属探测器和电磁炉就利用了涡流．但在电动机、变压器中涡流是有害的．
2．互相绝缘的硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯就能减小涡流，请试着说出原因．
提示：绝缘硅钢片之间是绝缘的，能增大回路中的电阻，并阻断涡流的回路从而减小了涡流．
自感现象的分析[学生用书P55]
自感电动势总是要阻碍引起自感的电流的变化，就好像感应电流的磁场总是要阻碍引起感应电流的磁通量的变化一样．自感电动势阻碍的对象是“电流的变化”，而不是电流本身．如图所示，当电流处于稳定状态时，流过L的电流为I1＝(电源内阻不计)，方向由a→b；流过灯泡A的电流I2＝.断开S的瞬间，I2立即消失，而由于线圈的自感，I1不会马上消失，随着I1的减小，线圈上产生一个b端为正、a端为负的自感电动势，与灯泡组成abcd回路，因此流过A的电流大小由I2变成I1，方向由d→c变成c→d.可见通过A的电流大小与方向都发生了变化．
发生断电自感时，如果要判定电路中的灯泡是否闪亮一下，方法是判断灯泡中的电流是突然变大，还是突然变小，为此要比较原电路中I1、I2的大小，若R＞r，I1＞I2，灯泡会闪亮一下再熄灭；若R≤r，灯泡会逐渐变暗至熄灭．
如图所示的电路中，L为电感线圈，电阻不计，A、B为两灯泡，则( )
A．合上S时，A先亮，B后亮
B．合上S时，B先亮，A后亮
C．合上S后，A变亮，B亮后逐渐熄灭
D．断开S时，A、B同时熄灭
[关键提醒] 分析自感现象的核心问题就是明确自感电动势的作用(相当于电源还是电阻)，并且要弄清电路的整体结构．
[解析] 合上S后，A变亮，B亮后慢慢熄灭，因为B被短路了；断开S后，A立即熄灭，B亮一下再熄灭，故选C.
[答案] C
对涡流的进一步理解[学生用书P56]
1．涡流的产生
把块状金属放在变化的磁场中，或者让它在非均匀磁场中运动，金属块内就会产生感应电流，因为金属块本身可自行构成闭合回路，且整块金属导体的电阻一般情况下很小，所以产生的涡流通常是很强的．
2．涡流的应用
(1)利用涡流的热效应：应用涡流在回路中产生的热量冶炼金属的高频感应炉．
(2)利用涡流的磁效应：电磁阻尼和电磁驱动．
(3)利用涡流现象的小型装置：在车站、机场进行安检的探测器，用来探测旅客是否带有金属制品，像刀、枪之类的危险物品等．
3．涡流的危害与防止
(1)在各种电机、变压器中，涡流是非常有害的，首先它会使铁芯的温度升高，从而危及线圈绝缘材料的寿命，严重时会使材料报废；其次涡流发热要消耗额外的能量，使电机、变压器的效率降低．
(2)为了减小涡流，变压器、电机里的铁芯不是由整块的钢铁制成，而是用薄薄的硅钢片叠合而成．一方面硅钢片的电阻率比一般钢铁的要大，从而减少损耗；另一方面，每层硅钢片之间都是绝缘的，阻断了涡流的通路，进一步地减少了涡流的发热．
(多选)如图所示是高频焊接原理示意图．线圈中通以高频变化的电流时，待焊接的金属工件中就产生感应电流，感应电流通过焊缝产生大量热量，将金属熔化，把工件焊接在一起，而工件其他部分发热很少，以下说法中正确的是( )
A．电流变化的频率越高，焊缝处的温度升高得越快
B．电流变化的频率越低，焊缝处的温度升高得越快
C．工件上只有焊缝处温度升得很高是因为焊缝处的电阻小
D．工件上只有焊缝处温度升得很高是因为焊缝处的电阻大
[思路点拨] 由电磁感应现象判断电流频率高低对电流大小的影响，由焊缝处和工件其他部分串联电流一样，判断焊缝处的电阻的大小．
[解析] 线圈中通以高频变化的电流时，待焊接的金属工件中就产生感应电流，感应电流的大小与感应电动势有关，电流变化的频率越高，电流变化得越快，感应电动势就越大．A选项正确．工件上焊缝处相对于其他位置而言电阻大，电流产生的热量就多，D选项也正确．
[答案] AD
能量守恒在涡流中的应用[学生用书P56]
(多选)如图所示，闭合金属环从曲面上h高处滚下，又沿曲面的另一侧上升，设环的初速度为零，摩擦不计，曲面处在图示磁场中，则( )
A．若是匀强磁场，环滚上的高度小于h
B．若是匀强磁场，环滚上的高度等于h
C．若是非匀强磁场，环滚上的高度等于h
D．若是非匀强磁场，环滚上的高度小于h
[思路点拨] 本题应从涡流的产生及能量守恒的角度考虑．
[解析] 若是匀强磁场，滚动过程中金属环的磁通量不变，没有电磁感应现象发生，机械能守恒，环滚上的高度等于h；若是非匀强磁场，滚动过程中金属环的磁通量变化，有感应电流产生，金属环克服安培力做功，消耗机械能，环滚上的高度小于 h.
[答案] BD
eq \a\vs4\al()
(1)涡流产生是电磁感应现象中的一种，当通过导体的磁通量变化时才会发生．
(2)判断题目中共涉及几种形式的能量，各种能量之间是如何转化的是应用能量守恒定律的前提．
[随堂检测] [学生用书P57]
1．关于线圈的自感系数，下列说法正确的是( )
A．自感电动势越大，线圈的自感系数越大
B．线圈中的电流等于零时，自感系数也等于零
C．线圈中电流变化越快，自感系数越大
D．线圈的自感系数由线圈本身的因素及有无铁芯决定
解析：选D.线圈的自感系数与线圈的形状、长短、匝数、有无铁芯有关，与线圈的电流、电动势等因素无关．
2．下列关于自感现象的说法，正确的有( )
A．自感现象不是电磁感应现象
B．自感电动势不是感应电动势
C．自感电动势总是阻碍电流的通过
D．自感电动势总是阻碍电流的变化
解析：选D.自感现象是由于自身电流变化，引起磁通量变化而产生的电磁感应现象，故A、B错；自感的作用是阻碍电流的变化，电流增大时自感电动势阻碍电流的增大，电流减小时自感电动势阻碍电流的减小，而不是阻碍电流的通过．所以C错，D对．
3．(多选)变压器的铁芯是利用彼此绝缘的薄硅钢片叠加而成的，而不是采用一整块硅钢，这是为了( )
A．增大涡流，提高变压器的效率
B．减小涡流，提高变压器的效率
C．增大铁芯的电阻，以产生更多的热量
D．增大铁芯的电阻，以减小发热量
解析：选BD.不使用整块硅钢而是采用很薄的硅钢片，这样做的目的是增大铁芯中的电阻，减小涡流，从而减少电能转化成铁芯的内能，提高效率．故选项B、D正确．
4.如图所示，L为自感系数较大的线圈，电路稳定后小灯泡正常发光，当断开开关S的瞬间会有( )
A．灯A立即熄灭
B．灯A慢慢熄灭
C．灯A突然闪亮一下再慢慢熄灭
D．无法判定
解析：选A.当开关S断开时，由于通过自感线圈的电流从有变到零，线圈将产生自感电动势，但由于线圈L与灯A串联，在S断开后，不能形成闭合回路，因此灯A在开关断开后，电源供给的电流为零，灯就立即熄灭．因此正确选项为A.
5．如图所示，在O点正下方有一个具有理想边界的磁场，铜球在A点由静止释放，向右摆至最高点B，不考虑空气阻力，则下列说法正确的是( )
A．A、B两点在同一水平线
B．A点高于B点
C．A点低于B点
D．铜球将做等幅摆动
解析：选B.铜球在进入和穿出磁场的过程中，产生涡流，损耗机械能，故A点高于B点．故选B.
[课时作业] [学生用书P105(单独成册)]
一、单项选择题
1．关于线圈中自感电动势的大小，下列说法中正确的是( )
A．电感一定时，电流变化越大，电动势越大
B．电感一定时，电流变化越快，电动势越大
C．通过线圈的电流为零的瞬间，电动势为零
D．通过线圈的电流为最大值的瞬间，电动势最大
解析：选B.在电感一定的情况下电流变化越快即变化率越大电动势越大，A项错、B项对；电流为零的瞬间电流的变化率不一定为零，电流的值最大时电流的变化率不一定最大，所以C、D项错．
2．下列说法中正确的是( )
A．电路中电流越大，自感电动势越大
B．电路中电流变化越大，自感电动势越大
C．线圈中电流均匀增大，线圈的自感系数也将均匀增大
D．线圈中电流为零时，自感电动势不一定为零
解析：选D.电流大的时候电流的变化率不一定大，电流变化大的时候电流的变化率也不一定大，故A、B错，D对；线圈的自感系数与电流无关，C错．
3. 如图所示，在一个绕有线圈的可拆变压器铁芯上分别放一小铁锅水和一玻璃杯水．给线圈通入电流，一段时间后，一个容器中水温升高，则通入的电流与水温升高的是( )
A．恒定直流、小铁锅
B．恒定直流、玻璃杯
C．变化的电流、小铁锅
D．变化的电流、玻璃杯
解析：选C.通入恒定直流时，所产生的磁场不变，不会产生感应电流，通入变化的电流，所产生的磁场发生变化，在导体内产生涡流，电能转化为内能，使水温升高；涡流是由变化的磁场在导体内产生的，所以玻璃杯中的水不会升温．
4.制作精密电阻时，为了消除在使用中由于电流变化引起的自感现象，用电阻丝绕制电阻时采用如图所示的双线绕法．其道理是( )
A．电路中电流变化时，两根线中产生的自感电动势互相抵消
B．电路中电流变化时，两根线中产生的自感电流相互抵消
C．电路中电流变化时，两根线中电流产生的磁场相互抵消，合磁场穿过线圈的磁通量为零
D．以上说法均不正确
解析：选C.由于采用双线绕法，当电流通过时，方向相反，不管电流怎样变化，任何时刻电流都是等大反向的，由电流产生的磁场相互抵消，总磁场为零，故不会产生电磁感应现象，也就消除了自感，故选项A、B、D错误，选项C正确．
5．如图所示的电路中，两个电流表G1和G2的零点都在刻度盘中央，当电流从“－”接线柱流入时，指针向右摆，当电流从“＋”接线柱流入时，指针向左摆，当电路接通并达到稳定时再断开的瞬间，下列哪个说法符合实际( )
A．G1指针向左摆，G2指针向右摆
B．G1指针向右摆，G2指针向左摆
C．G1、G2的指针都向左摆
D．G1、G2的指针都向右摆
解析：选A.S断开的瞬间，LRG2G1组成了一个新的回路，新回路的电源是L，L阻碍回路中向右的电流的减小，所以回路中还有顺时针方向的电流．
6.如图所示是测定自感系数很大的线圈L直流电阻的电路，L两端并联一只电压表，用来测量自感线圈的直流电压，在测量完毕后，将电路解体时应( )
A．先断开S1
B．先断开S2
C．先拆除电流表
D．先拆除电阻R
解析：选B.S1断开瞬间，L中产生很大的自感电动势，若此时S2闭合，则可能将电压表烧坏，故应先断开S2.
7．如图所示，当交流电源电压恒为220 V，频率恒为50 Hz时，三只灯泡LA、LB、LC的亮度相同，若将交流电的频率改为100 Hz，则( )
A．LA灯最暗
B．LB灯最暗
C．LC灯最暗
D．三只灯泡的亮度依然相同
解析：选A.当交变电流的频率增大时，线圈的感抗变大，电容器的容抗变小，所以LA灯变暗，LB灯变亮，LC灯亮度不变，故A正确．
8.有一铜盘可以在支架上无摩擦地自由转动，在其转动过程中逐渐把一蹄形磁体靠近它，铜盘将( )
A．仍按原速度转动
B．转动速度加快
C．转动速度变慢后再匀速转动
D．慢慢停下来
解析：选D.磁铁靠近铜盘时，在铜盘中产生涡流，由于发热，损失系统的机械能．
二、多项选择题
9．下列应用与涡流有关的是( )
A．家用电磁炉 B．家用微波炉
C．真空冶炼炉 D．探雷器
解析：选ACD.家用电磁炉和真空冶炼炉利用涡流的热效应工作，探雷器利用涡流的磁效应工作，而微波炉利用高频电磁波工作．
10.如图所示为冶炼钢铁的电路的示意图，它是根据涡流的原理工作的，则下列说法中不正确的是( )
A．需接交流电源，且电流频率越高，发热效果越好
B．需接交流电源，且电流频率越低，发热效果越好
C．需接直流电源，且电流越大，发热效果越好
D．需接直流电源，且电流越小，发热效果越好
解析：选BCD.根据涡流产生的原理可知，需要接交流电源，且交流电的频率越高，钢铁中产生的感应电流(涡流)越大，发热效果就越好，故A选项正确，B、C、D错误．
三、非选择题
11.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，试分析此后小球的运动情况(不计空气阻力)．
解析：小球在通电线圈产生的磁场中运动，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，小球上下振动的幅度越来越小，最后静止．
答案：见解析
12．如图所示的电路中，电源电动势E＝6 V，内电阻不计，L1、L2两盏灯均标有“6 V 0.3 A”，电阻R与电感线圈的直流电阻RL阻值相等，均为20 Ω.试分析：S闭合和断开的瞬间，求L1、L2两灯的亮度变化．
解析：在电键闭合的瞬间，电感支路相当于断路．计算可知：I1＝0.1 A，I2＝0.2 A．即电键闭合的瞬间，两灯同时亮，L2灯较L1灯更亮．稳定后，两灯亮度相同．电键断开时，L1立即熄灭，L2逐渐熄灭．
答案：电键闭合的瞬间两灯同时亮，电键断开时，L1立即熄灭，L2逐渐熄灭
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