4.7涡流-电磁阻尼和电磁驱动

1、导 入 新 课,上一节课我们学习了两种特殊的电磁感应现象互感和自感，现在我们继续来学习另一种特殊的电磁感应现象涡流。,涡流在实际生活中有许多应用，比如：发电机、电动机和变压器等。当然涡流也有利和弊两个方面，我们如何去加以利用？如何去防止呢？,这节课我们就学习这方面的知识,第七节 涡流 电磁阻尼和电磁驱动,1.知识与技能 知道涡流是如何产生的。 知道涡流的利与弊，以及如何利用和防止涡流。,教 学 目 标,2.过程与方法 用实验的方法引入新课激发学生的求知欲。 通过旧知识分析新问题弄清涡流的产生原因。 利用理论联系实际的方法加深理解涡流 。,3.情感态度与价值观 体验实验的乐趣，引发学生去分析问题，解决问题，提高其学习掌握知识的能力。 通过理论与实际相结合，提高学习情趣，培养其用理论知识解决实际问题的能力。,教学重、难点,教学重点 涡流的产生原因和涡流的作用。 教学难点 涡流的产生原因。,1.涡流 2.电磁阻尼 3.电磁驱动,本 节 导 航,1.涡流,前面我们讲过，根据麦克斯韦电磁场理论，当如右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

2、是像旋涡一样的闭合的曲线，我们把它叫涡电流。,定义,变压器在工作时，除了在原、副线圈产生感应电动势外，变化的磁通量也会在铁芯中产生感应电流。 一般来说，只要空间有变化的磁通量，其中的导体就会产生感应电流，我们把这种感应电流叫做涡流。,定义由来,实验1： 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。 解释：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，金属块内将产生感应电流，这种电流在金属块内自成闭合电路，很像水的漩涡，因此叫做涡电流，简称涡流。,注意,（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。 （3）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！,应用,（1）真空冶炼炉，高频焊接,冶炼金属的高频感应电炉就是利用高频交流电，通过线圈使装入冶炼炉内的金属中产生很强的涡流，从而产生大量的热使金属熔化。,焊接原理： 线圈中通以高频交流时，待焊接的金属工件中就产生感

3、应电流，由于焊接缝处的接触电阻很大，放出的焦耳热很多，致使温度升得很高，将金属熔化，焊接在一起.,电源,焊 接 处,待焊接元件,线圈导线,，,交变电流的频率越高，它产生的磁场的变化就越快，根据法拉第电磁感应定律，在待焊接工件中产生的感应电动势就越大，感应电流就越大.而放出的电热与电流的平方成正比，所以交变电流的频率越高焊接处放出的热量越多.,生活中的物理：电磁灶的工作原理,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。,（2）探雷器,自制金属探测器,这种探雷器可以用来探测金属壳的地雷或有较大金属零件的地雷。,探测地雷的探雷器是利用涡流工作的，士兵手持一个长柄线圈在地面上扫过，线圈中有变化的电流。,探雷器是利用涡流制成的,探雷器,如果地下埋着金属物品，金属中感应涡流，涡流的磁场反过来影响线圈中的电流，使仪器报警。,探雷器,（3）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。,其它应用,新型炉灶电磁炉。 金属探测器

4、：飞机场、火车站安全检查、扫雷、探矿。,电磁炉,危害,导体在产生涡流的过程中，涡流也会产生热量这样的话会造成很多的能源浪费，还可能烧坏电器！（例如在电动机和变压器里面）,问题：里面铁芯的作用？,变压器、电机的铁芯都不是整块金属，而是由许多相互绝缘的电阻率很大的薄硅钢片叠合而成的，以减少涡流和电能的损耗，同时避免破坏绝缘层。,铁芯的作用,用硅钢片做变压器的铁芯,防止,原因：上面的实验中，把块状铁芯换成硅钢片铁芯，再接通电源，几分钟后，通过学生感知，温度没有明显变化。,解释：涂有绝缘的薄硅钢片叠加的铁芯，在变化的磁场中，产生的涡流被限制在狭窄的薄片之内，回路的电阻很大，涡流大为减弱，又因为硅钢片比普通的电阻大，可以进一步减小涡流损失，电动机和变压器的铁芯都不是整块金属。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,还可能损坏电器。,（1）增大铁芯材料的电阻率,常用的材料是硅钢。,减少涡流的途径,（2）用互相绝缘的硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯。,知识拓展,涡流损耗,导体在非均匀磁场中移动或处在随时间变化的磁场中时，因涡流而导致能量损耗称为涡流损耗。 涡流损耗的大小与磁

5、场的变化方式、导体的运动、导体的几何形状、导体的磁导率和电导率等因素有关。涡流损耗的计算需根据导体中的电磁场的方程式，结合具体问题的上述诸因素进行。,涡流检测,涡流检测适用于导电材料探伤，常见的金属材料可分为两大类：非铁磁性材料和铁磁性材料。后者为铜、铝、钛及其合金和奥氏体不锈钢；前者为钢、铁及其合金。它们的本质差别是材质磁导率约为1或远大于1 。在发电厂，除復水器等少量管道使用铜、钛、奥氏体不锈钢非铁磁性材料外，大量管道都采用钢管等铁磁性材料，典型的应用有省煤器、水冷壁等。,新型技术,脉 冲 涡 流 检 测,原理：脉冲涡流通常是以一定占空比的方波作为激励信号施加于初级线圈，当载有方波电信号的初级线圈接近导电材料或试件时，在导体中感应产生瞬变的涡流和再生磁场。瞬时涡流的大小、衰减状况与导体的电磁特性、几何形状及耦合状况相关，次级线圈（或电磁传感器）接收到的涡流再生磁场包含有被检测对象导电率、磁导率及形状尺寸的相关信息，据此可实现脉冲涡流的检测与评价。,原理图：,2.电磁阻尼,分析电表线圈骨架的作用,如图（图一）所示，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

6、方向，安培力对线圈的运动有什么影响？,图一,磁电式仪表的线圈常常用铝框做骨架，把线圈绕在铝框上（图二）。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？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？安培力对铝框的转动产生什么影响？使用铝框做线圈骨架有什么好处？,图二,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-电磁阻尼。,讨论: (1)为什么用铝框做线圈骨架？,(2)微安表的表头在运输时为何应该把两个接线柱连在一起？,连接两个接线柱的导线,3.电磁驱动,如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-电磁驱动。,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,动画：涡流,动画：电磁阻尼摆,动画：阻尼电子仪器,课 堂 小 结,1.块状金属放在变化磁场中，或者让它在磁场中运动时，金属块内产生的感应电流叫涡流。 2.涡流的防止 增大铁芯材料的电阻率,常用的材料是硅钢。 用互相绝缘的硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯。

7、 3.涡流的利用 真空冶炼炉，高频焊接 探雷器和安检门都是利用涡流制成的 电磁灶,课 堂 练 习,1.用来冶炼合金钢的真空_ ，炉外有_ ，线圈中通入_电流，炉内的金属中产生_ 涡流产生的_使金属熔化并达到很高的温度。 2.利用涡流冶炼金属的优点是整个过程能在_中进行，这样就能防止_进入金属，可以冶炼高质量的_ 。,冶炼炉,线圈,周期性变化的,涡流,热量,真空,空气中的杂质,合金,3.同样大小的整块金属和叠合的硅钢片铁芯放在同一变化的磁场中相比较（ ） A 金属块中的涡流较大，热功率也较大 B 硅钢片中涡流较大，热功率也较大 C 金属块中涡流较大，硅钢片中热功率较大 D 硅钢片中涡流较大，金属块中热功率较大,A,课后习题答案,1.解答：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，而安培力方向阻碍导体的运动，所以铜盘很快就停了下来。 2.解答：当条形磁铁的N极靠近线圈时，线圈中向下的磁通量增加，根据楞次定律可得，线圈中感应电流的磁场应该向上，再根据右手螺旋定则，判断出线圈中的感应电流的方向为逆时针方向（自上而下看）。感应电流的磁场对条形磁铁N极的

8、作用力向上，阻碍条形磁铁向下运动。,当条形磁铁的N极远离线圈时，线圈中向下的磁通量减小，根据楞次定律可得，线圈中感应电流的磁场应该向下，再根据右手螺旋定则，判断出线圈中的感应电流的方向为顺时针方向（自上而下看）。感应电流的磁场对条形磁铁N极的作用力向下，阻碍条形磁铁向上运动。因此，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，所以条形磁铁较快的停了下来，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。,3.解答：在磁性很强的小圆片下落的过程中，没有缺口的铝管中的磁通量发生变化（小圆片上方铝管中的磁通量减小，下方铝管中的磁通量增加）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碍作用，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，尽管铝管中也会产生感应电流，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，所以小圆片在旅馆中下落的比较快。,4.解答：这些微弱的感应电流，将使卫星受到地磁场的安培力作用。因为克服安培力的作用，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。 5.解答：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圆环向右运动。,

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