高中物理第1章电磁感应与现代生活6涡流现象与电磁灶课件 51张PPT

(共51张PPT)
1.6　涡流现象与电磁灶
　　　　　　　　
一、探究涡电流现象
1.定义:由于金属导体内_______发生变化,从而在金属
导体内产生的_______的电流。
2.涡流的特点:金属导体电阻小,涡流_____。
磁通量
涡旋状
很大
3.防止及应用:
(1)防止:变压器和镇流器的铁心,通常由多层涂有___
_____的薄硅钢片叠压而成。
(2)应用:电磁灶、感应式电能表等。
绝
缘漆
二、无火之灶——电磁灶
1.工频电磁灶:
(1)结构:由烹调锅、灶面板及工频励磁器构成。工频
励磁器由_________和_________构成。
(2)工作原理:在两组线圈中分别通过50
Hz的电流iA和
iB,从而在锅体中产生涡流,涡流的_____在锅体中转化
为热能以加热食品。
励磁线圈
励磁铁心
电能
2.高频电磁灶:
(1)结构:由_________、_______、_____________三部
分组成。
(2)工作原理:50
Hz的交流电经过整流和滤波变为___
___,然后通过电子开关的迅速导通和截止,使加热线圈
中产生频率为20～50
kHz的_____________,从而产生
高频磁场,使锅内产生涡流,加热食品。
加热线圈
灶面板
控制保护电路
直
流
高频振荡电流
3.涡电流的其他应用:
(1)利用涡电流转化的热能,还可_________。
(2)利用涡电流在磁场中受到的电磁力,可制成_____
_____设备和_________设备。
提炼金属
电磁
驱动
电磁阻尼
【思考辨析】
(1)涡流跟平时常见的感应电流一样,都是因为穿过导体的磁通量变化而产生的。
(　　)
(2)涡流有热效应,但没有磁效应。
(　　)
(3)电磁炉是在金属锅体中产生热效应,从而达到加热和烹饪食物的目的。
(　　)
提示:(1)√。涡流本质上是感应电流,是自身构成的回路,是在穿过导体的磁通量变化时产生的。
(2)×。涡流既有热效应,又有磁效应。
(3)√。电磁炉是在金属锅体中产生热效应,是典型的涡流现象的应用,通过这种方式,可以达到加热和烹饪食物的目的。
一　对涡流的理解
【典例】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,在空间产生感生电场。铁锅是导体,感生电场在导体内产生涡流,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。
【核心归纳】
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)金属块放在了变化的磁场中,则磁场能转化为电能,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,则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。
【特别提醒】涡流问题的三点注意
(1)涡流是整块导体发生的电磁感应现象,同样遵循法
拉第电磁感应定律。
(2)金属能够自身形成闭合回路,形成涡流。
(3)磁场变化越快(
越大),导体的横截面积S越大,
导体材料的电阻率越小,形成的涡流就越强。
【过关训练】
1.(多选)下列应用哪些与涡流有关
(　　)
A.高频感应冶炼炉
B.汽车的电磁式速度表
C.家用电表
D.闭合线圈在匀强磁场中转动,切割磁感线产生的电流
【解析】选A、B、C。真空冶炼炉,炉外线圈通入交变电流,使炉内的金属中产生涡流;汽车速度表是电磁式电流表,指针摆动时,铝框骨架中产生涡流;家用电表(转盘式)的转盘中会有涡流产生;闭合线圈在磁场中转动产生感应电流,不同于涡流,选项D错误。
2.(多选)变压器的铁芯是利用薄硅钢片叠压而成,而不采用一块整硅钢,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.增大涡流,减小铁芯的发热量
D.减小涡流,减小铁芯的发热量
【解析】选B、D。涡流的主要效应之一就是热效应,而变压器的铁芯发热,是我们不希望看见的,所以不采用整块硅钢,而采用薄硅钢片叠压在一起,目的是减小涡流,减小铁芯的发热量,进而提高变压器的效率。故选项B、D正确。
【补偿训练】
1.高频感应炉是用来熔化金属对其进行冶炼的,如图所示为冶炼金属的高频感应炉的示意图,炉内放入被冶炼的金属,线圈通入高频交变电流,这时被冶炼的金属就能被熔化,这种冶炼方法速度快,温度易控制,并能避免有害杂质混入被冶炼金属中,因此适于冶炼特种金属。该炉的加热原理是
(　　)
A.利用线圈中电流产生的焦耳热
B.利用线圈中电流产生的磁场
C.利用交变电流的交变磁场在炉内金属中产生的涡流
D.给线圈通电的同时,给炉内金属也通了电
【解析】选C。高频感应炉的原理:给线圈通以高频交变电流后,线圈产生高频变化的磁场,磁场穿过金属,在金属内产生涡流,由于电流的热效应,可使金属熔化。故只有C正确。
2.如图所示,A、B两图是把带绝缘层的线圈绕在软铁上,C、D两图是把带绝缘层的线圈绕在有机玻璃上,则能产生涡流的是
(　　)
【解析】选A。只有穿过整个导体的磁通量发生变化,才产生涡流,B是直流电源不能产生涡流,C、D不是导体,故只有A能产生涡流。
二　电磁阻尼和电磁驱动的比较
【典例】(2017·全国卷Ⅰ)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
(　　)
【解析】选A。装置的原理是利用电磁阻尼。当薄板进出磁场时产生感应电流,薄板受安培力,安培力总是阻碍导体相对磁场的运动,从而使薄板尽快停下来。选项中,B项无法有效阻碍上下振动,C项无法有效阻碍上下左右振动,D项无法有效阻碍上下振动。只有A项阻碍上下左右振动最有效。
【核心归纳】
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
安培力方向与磁场运动方向相同,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
【过关训练】
1.
(多选)如图所示是电表中的指针和电磁阻尼器,下列说法中正确的是
(　　)
A.2是磁铁,1中产生涡流
B.1是磁铁,2中产生涡流
C.该装置的作用是使指针能够转动
D.该装置的作用是使指针能很快地稳定下来
【解析】选A、D。当指针摆动时,1随之转动,2是磁铁,那么在1中产生涡流,2对1的安培力将阻碍1的转动。总之,不管1向哪个方向转动,2对1的效果总是起到阻碍作用,所以它能使指针很快地稳定下来。
2.如图所示,在光滑绝缘水平面上,有一铝质圆形金属球以一定的初速度通过有界匀强磁场,则从球开始进入磁场到完全穿出磁场过程中(磁场宽度大于金属球的直径),则小球
A.整个过程做匀速运动
B.进入磁场过程中小球做减速运动,穿出过程中做加速运动
C.整个过程做匀减速运动
D.穿出时的速度一定小于初速度
【解析】选D。金属球进入和穿出磁场时,金属球切割磁感线产生感应电流,从而产生阻碍金属球运动的安培力,故两过程均做减速运动;当全部进入磁场时,磁通量不变,没有感应电流产生,金属球做匀速直线运动,故A、B、C均错误,只有D正确。
【补偿训练】
　　
如图所示,在蹄形磁铁的两极间有一可以自由转动的铜盘(不计各种摩擦),现让铜盘转动。下面对观察到的现象描述及解释正确的是
(　　)
A.铜盘中没有感应电动势、没有感应电流,铜盘将一直转动下去
B.铜盘中有感应电动势、没有感应电流,铜盘将一直转动下去
C.铜盘中既有感应电动势又有感应电流,铜盘将很快停下
D.铜盘中既有感应电动势又有感应电流,铜盘将越转越快
【解析】选C。铜盘转动时,根据法拉第电磁感应定律及楞次定律知,盘中有感应电动势,也产生感应电流,并且受到阻尼作用。机械能很快转化为电能进而转化为焦耳热,铜盘将很快停下,故C正确,A、B、D错误。
【拓展例题】考查内容:电磁感应的综合应用
【典例】如图所示,水平地面上方矩形区域内存在垂直
纸面向里的匀强磁场,两个边长相等的单匝闭合正方形
线圈Ⅰ和Ⅱ,分别用相同材料、不同粗细的导线绕制
(Ⅰ为细导线)。两线圈在距磁场上界面h高处由静止开
始自由下落,再进入磁场,最后落到地面。运动过程中,
线圈平面始终保持在竖直平面内且下边缘平行于磁场
上边界。设线圈Ⅰ、Ⅱ落地时的速度大小分别为v1、v2,在磁场中运动时产生的热量分别为Q1、Q2。不计空气阻力,则
(　　)
A.v1B.v1=v2,Q1=Q2
C.v1Q2
D.v1=v2,Q1【正确解答】选D。设边长为L,匝数为n,密度为ρ,导
线的电阻率为ρ0,导线的横截面积为S,则导线的电阻
R=ρ0
;线圈的质量m=ρV=ρ·4nL·S,设刚要进入
磁场时的速度为v0,则由机械能守恒定律可得:mgh=
m
,v0=
。以该时刻线圈为研究对象,进行受
力分析,线圈受重力和安培力作用,由牛顿第二定律可得:
a=
=g-
=g-
=g-
,
对两个线圈来说,它们的加速度与横截面积无关,时刻
相同,所以在穿过磁场的过程中速度的变化是相同的,
由于初速度相同,所以末速度也是相同的。当线圈完全
进入磁场后,又做加速度同为g的匀加速运动,所以最终
速度相同,即v1=v2。根据功能关系,Q=|WF|,所以Q=
F安2L=
=
=
,所以横截面积大的
线圈Ⅱ产生的热量大,即Q1物理思想方法——电磁感应与力和能量综合问题
【案例示范】如图所示,一矩形金属
框架与水平面成θ=37°角,宽L=
0.4
m,上、下两端各有一个电阻R0
=2
Ω,框架的其他部分电阻不计,框
架足够长,垂直于金属框架平面的方向有一向上的匀
强磁场,磁感应强度B=1.0
T。ab为金属杆,与框架良好接触,其质量m=0.1
kg,电阻r=1.0
Ω,杆与框架间的动摩擦因数μ=0.5。杆由静止开始下滑,在速度达到最大的过程中,上端电阻R0产生的热量Q0=0.5
J(g取10
m/s2,
sin
37°=0.6,cos37°=0.8)。求:
(1)流过R0的最大电流;
(2)从开始运动到速度达到最大的过程中ab杆沿框架下滑的距离。
【解析】(1)当速度达到最大时,杆受力平衡,有BImL+μmgcosθ=mgsinθ,此时ab杆中有最大电流,则
Im=
=
A=0.5
A
流过R0的最大电流I0=
=0.25
A。
(2)由题得Q总=4Q0=2
J,Em=ImR总=0.5×2
V=1.0
V
此时杆的速度
vm=
=
m/s=2.5
m/s
由动能定理得
mgssinθ-μmgscosθ-Q总=
m
-0
解得杆下滑的距离
s=
=
m
≈11.56
m。
答案:(1)0.25
A　(2)11.56
m
【方法技巧】分析电磁感应与力和能量综合问题的思
路
(1)电磁感应中的力和运动,导体切割磁感线时,感应电
动势E=BLv,与物体的速度v有关,而E影响I→I影响安培
力F安→安培力影响合力F(或加速度a)→合力影响运动
的速度v……,周而复始,相互牵连,最后达到恒定速度
(收尾速度)时导体处于平衡状态,受到平衡力的作用。
因此涉及电磁感应的力和运动往往都是动态变化,正确的运动分析和受力分析是解决问题的关键。
(2)电磁感应中的功和能,电磁感应的过程总量伴随着能量的转化,而且克服安培力做多少功,就有多少电能产生。对于某些电磁感应问题,我们可以从能量转化的观点出发,运用能量转化和守恒定律或功能关系分析解决。