人教版高中物理选修3-2 4．7涡流、电磁阻尼和电磁驱动（共46张PPT）

(共46张PPT)
涡流、电磁阻尼和电磁驱动
教学目标
了解涡流是怎样产生的
了解涡流现象的利用和危害
通过对涡流实例的分析，了解涡流现象在生活和生产中的应用
了解电磁阻尼和电磁驱动
教学重点
教学难点
涡流的概念及其应用
电磁阻尼和电磁驱动的实例分析
电磁阻尼和电磁驱动的实例分析
没有火苗，也没有看到烟，而且锅底也没有变黑，水为什么这么快烧开了？
是电加热吗？
为什么一个大大的线圈就可以让电磁炉工作，能使锅子里面的水烧开了呢？
电磁感应？
用高考探测仪对一个学生（找一个可能带手机的学生）进行探测，结果探出了该同学带着手机，学生很惊奇，这个东西为什么能报警呢？
感生电场是如何产生的？
能在周围空间激发电场，这种电场叫感生电场。
放在感生电场中的导体内是否有感生电流？
磁场变化产生感生电场，导体放在感生电场中，其中的自由电荷在感生电场力方向运动，产生感应电流，电流的分布与感生电场线分布类似。
变化的磁场
知识回顾
知道涡流的概念
知道涡流的热效应
知道真空冶炼的优点
知道高频焊接如何增加热效应及焊点电阻特点
知道电磁炉工作原理
涡流的热效应
当磁场发生变化时，在它周围的空间就会产生感生电场
当如图所示的磁场变化时，导体中的自由电子就会在此电场力的作用下定向移动从而产生感应电流，这种感应电流是像
?
?
?
一样的
?
?
?
?
?
?
?
?
，我们把它叫
?
?
?
?
?
。
旋涡
闭合的曲线
涡电流
涡电流
定义：
当线圈中的电流随时间变化时,这个线圈附近的任何导体中都会产生感应电流-----涡流。
本质：
电磁感应现象
条件：
①穿过金属块的磁通量发生变化
②金属块本身可自行构成闭合回路
涡流
根据涡流的产生条件，你能想出产生涡流的几种情况吗？
①把块状金属放在变化的磁场中
②让块状金属进出磁场或在非匀强磁场中运动
涡流的反思
实验：
如图线圈接入220V交变电源，块状铁芯插入线圈中，让一名学生感知铁芯的变化。
现象：几分钟后学生感到铁芯变热
涡流的热效应
如何解释铁芯发热的现象？
原来把块状的金属放在变化的磁场中或让它在磁场中运动时，金属块内产生涡流
①金属块中的涡流也要产生热量,如果金属的电阻率小，则涡流很强，产生的热量也很多。
②涡流是整块导体发生的电磁感应现象，同样遵守电磁感应定律。由于
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
。
整块金属的电阻通常很小，故涡流常常很大
涡流热效应的解释
涡流在我们的生产生活中有什么应用？又如何防止呢？
知道涡流的危害
知道减小涡流的方法
知道金属探测仪的工作原理
涡流的应用与防止
高频感应炉
交流电的频率越高，金属熔炉中的感应电动势就越大
金属材料的电阻率越小，产生的涡流热效应就越强
利用涡流的热效应来熔化金属
涡流的利用
高频感应炉的优点：
①速度快，温度易控制
②整个过程在真空中进行，能避免有害杂质混入被冶炼的金属中
③适于冶炼特种合金和特种钢
涡流的利用
高频焊接机原理：
频率越高，产生的感应电流越大
由于焊接缝处接触电阻很大，放出的热量很多，致使温度升高将金属熔化，焊接在一起。应用于焊接自行车车架。
线圈中通以高频电流，内部焊接工件由于电磁感应产生感应电流
涡流的利用
电磁炉
电磁灶的台面下布满了金属导线缠绕的线圈
当通上交替变化极快的交流电时，在台板与铁锅底之间产生强大的交变的磁场
磁感线穿过锅体，使锅底产生强涡流，当涡流受材料电阻的阻碍时，就放出大量的热量，将饭菜煮熟
涡流的利用
探雷器的长柄线圈中，通有变化的电流，在其周围就产生变化的磁场
埋在地下的金属物品，由于电磁感应而形成涡流
涡流的磁场反过来又作用于线圈，使仪器报警
探雷器
涡流的利用
安检门
机场的安检门可以探测人身携带的金属物品，道理和探雷器是一样的
门框
线圈
涡流的利用
电动机和变压器的工作原理都跟电磁感应现象有关，内部都有铁芯结构，为什么电动机和变压器等的铁芯都不是整块金属，而是用许多相互绝缘的薄硅钢片叠合而成？
电动机、变压器的线圈都绕在铁芯上．线圈中流过变化的电流，在铁芯中产生的涡流使铁芯发热，浪费了能量，还可能损坏电．
涡流的防止
怎样减少涡流损耗？
①增大铁芯材料的电阻率，常用的材料是硅钢
②用互相绝缘的硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢片
涡流的防止
如图，一个单匝线圈落入磁场中，分析它在图示位置时感应电流的方向和所受安培力的方向。
安培力对线圈的运动有什么影响？
安培力
?
?
?
线圈的运动
阻碍
知道电磁阻尼现象的原理
知道电磁阻尼的几个应用
电磁阻尼
磁电式仪表的线圈常常用铝框做骨架，把线圈绕在铝框上
假定仪表工作时指针向右转动，铝框中感应电流沿什么方向？
从上向下看逆时针
由于铝框转动时其中有感应电流，铝框要受到安培力。安培力是沿什么方向的？
线框左边的安培力向下线框右边的安培力向上
安培力对铝框的转动产生什么影响？
阻碍线框的转动
铝框
电表线圈骨架的作用
为什么磁电式电表的线圈要用铝框做骨架呢？
电学测量仪器要求指针的摆动很快停下来，也是利用了铝框中产生的涡流，从而通过磁场对这个涡流的作用力
?
?
?
它们的摆动，使指针能很快地指到示数的位置上。
阻碍
电表线圈骨架的作用
电磁阻尼现象：
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，这种现象称为电磁阻尼。
电磁阻尼摆
电磁阻尼
为什么灵敏的电流表在运输时总要用导体把两个接线柱连在一起？
微安表是一种高灵敏度，高精度电流表，表内的指针因振动会产生摇摆，剧裂摇摆会使微安表造成指针打偏、降低灵敏度、或失灵等。
故在运输中，用导线短路两接线柱，使表头线圈闭合产生电磁阻尼，大大降低因外界的摇摆、振动对表头的影响。
电磁阻尼
如图所示，弹簧下端悬挂一根磁铁，将磁铁托起到某高度后释放，磁铁能振动较长时间才停下来。如果在磁铁下端放一固定线圈，磁铁会很快停下来。这种现象说明了什么？
说明电磁阻尼作用较大
电磁阻尼
有一个铜盘，轻轻拨动它，能长时间地绕轴自由转动。如果在转动时把蹄形磁铁的两极放在铜盘边缘，但并不与铜盘接触，铜盘就能在较短的时间内停止。分析这个现象产生的原因。
当铜盘在磁极间运动时，由于发生电磁感应现象，在铜盘中产生感应电流，使铜盘受到安培力作用，而安培力的方向阻碍导体的运动，所以铜盘很快就停了下来
问题与练习
如图所示，弹簧上端固定，下端悬挂一个磁铁。将磁铁托起到某一高度后放开，磁铁能上下振动较长时间才停下来。如果在磁铁下端放一个固定的闭合线圈，使磁极上下振动时穿过它，磁铁就会很快地停下来。分析这个现象的产生原因，并说明此现象中能量转化的情况。
无论条形磁铁怎样运动，都将受到线圈中感应电流磁场的阻碍作用，所以条形磁铁较快地停了下来。
在此过程中，弹簧和磁铁的机械能均将转化为线圈中的电能。
问题与练习
在科技馆中常看到这样的表演：一根长1m左右的空心铝管竖直放置（甲图），把一枚磁性很强的小圆柱形永磁体从铝管上端放入管口，圆柱直径略小于铝管的内径。根据一般经验，小圆柱自由落下1m左右的时间不会超过0.5s，但把小圆柱从上端馆口放入管中后，过了许久它才从铝管下端落出。小圆柱在管内运动时，没有感觉到它跟铝管内壁发生摩擦，把小圆柱靠着铝管，也不见它们相互吸引。是什么原因使小圆柱在铝管中缓慢下落呢？如果换用一条有裂缝的铝管（图乙），圆柱在铝管中的下落就变快了。这又是为什么？
没有缺口的铝管中的磁通量发生变化，所以铝管中将产生感应电流，感应电流的磁场将对下落的小圆片产生阻力作用，小圆片在铝管中缓慢下落；如果小圆片在有缺口的铝管中下落，尽管感应电流的磁场将对下落的小圆片也产生阻力作用，但这时的阻力非常小，所以小圆片在铝管中下落得比较快。
问题与练习
人造卫星绕地球运行时，轨道各处的地磁场的强弱并不相同，因此，金属外壳的人造地球卫星运行时，外壳中总有微弱的感应电流。分析这一现象中的能量转化情形。它对卫星的运动可能产生怎样的影响？
这些微弱的感应电流，将使卫星受到地磁场的安培力作用。因为克服安培力作用，卫星的一部分动能转化为电能，这样卫星机械能减小，运动轨道距离地面高度会逐渐降低。
问题与练习
如下装置，使磁场相对于导体转动，则线圈会如何动？
磁铁的旋转使线圈跟着转动
知道电磁驱动的原理
知道异步电动机的工作原理
知道异步电动机的线圈转速低于磁场转速
电磁驱动
电磁驱动：
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
，在导体中产生
?
?
?
?
?
?
，感应电流使导体受到
?
?
?
?
，安培力使导体跟着磁场转动，这种现象称为电磁驱动。
磁场相对于导体转动
感应电流
安培力
电磁驱动
在电磁驱动的这个小实验中，线圈转动的速度与磁铁转动的速度相比有何关系？在此运动过程中，安培力起阻力还是动力作用？
线圈转动与磁铁同向，但转速小于磁铁，即同向异步。
安培力对以地为参照物来说，是动力。但对相对磁体的运动来说，是阻力。
电磁驱动的反思
交流感应电动机就是利用电磁驱动的原理工作的
连接到三相电源时能产生旋转的磁场
一种交流感应电动机的结构
电磁驱动的应用
电磁阻尼和电磁驱动有何区别和联系？
电磁阻尼
电磁驱动
产生电流的原因
安培力方向
区别
联系
由于导体在磁场中运动
由于磁场相对于导体运动，导体中产生感应电流
安培力方向与导体运动方向相反，阻碍导体运动
导体受安培力方向与导体运动方向相同，推动导体运动
都属于电磁感应现象，安培力的作用效果都是阻碍导体与磁场间发生相对运动
电磁驱动和电磁阻尼
如图，水平放置的绝缘桌面上有一个金属圆环，圆心的正上方有一个竖直的条形磁铁。请通过分析形成以下结论：把条形磁铁向水平方向移动时，金属圆环将受到水平方向运动的驱动力，驱动力的方向跟条形磁铁运动的方向相同。
当条形磁铁向右移动时，金属圆环中的磁通量减小，圆环中将产生感应电流，金属圆环将受到条形磁铁向右的作用力。这个力实际上就是条形磁铁的磁场对感应电流的安培力。这个安培力将驱使金属环向右运动。
问题与练习
当
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
随时间变化时,这个线圈附近的任何
?
?
?
中都会产生感应电流，我们把它叫做涡流
涡流的防止
①增大铁芯材料的
?
?
?
?
?
,常用的材料是硅钢。
②用互相绝缘的硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯。
当
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
时，感应电流会使导体受到
?
?
?
?
，安培力的方向总是
?
?
?
导体的运动，这种现象称为电磁阻尼。
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
，在导体中产生
?
?
?
?
?
?
，感应电流使导体受到
?
?
?
?
?，安培力使导体跟着磁场转动，这种现象称为电磁驱动。
线圈中的电流
导体
电阻率
导体在磁场中运动
安培力
阻碍
磁场相对于导体转动
感应电流
安培力
总结
【分析】
【解答】
【点评】
练习
【分析】
【解答】
【点评】
练习
【分析】
【解答】
【点评】
练习
【分析】
【解答】
【点评】
练习