互感和自感 渦流 電磁阻尼和電磁驅(qū)動【人教版】【學(xué)案】

課時33互感和自感渦流電磁阻尼和電磁驅(qū)動

課前導(dǎo)航

上課時，老師拿來了一個如圖33－1甲所示的老式日光燈的鎮(zhèn)流器，并用兩節(jié)干電池作電源，按圖33－1乙所示連接好電路．接著，老師問誰敢上來用手抓a、b兩個接線頭．膽大的李明心想：這有什么可怕的！兩節(jié)干電池串起來，也不過是3V的電壓．于是他大膽地走上講臺，按照老師的指點，用兩手分別抓住a、b兩個接線頭．老師問他有什么感覺，李明笑著說：“什么感覺也沒有．”于是，老師斷開開關(guān)S，只聽見李明“哎喲”地尖叫了一聲，并立即松開手．

圖33－1

請你思考：

1．李明發(fā)出尖叫聲的原因是什么？

2．鎮(zhèn)流器在日光燈電路中的作用是什么？

基礎(chǔ)梳理基本要求1．知道互感現(xiàn)象是一種常見的電磁感應(yīng)現(xiàn)象2．知道自感現(xiàn)象是由于通過導(dǎo)體自身的電流發(fā)生變化而產(chǎn)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，知道自感系數(shù)的單位3．了解渦流產(chǎn)生的原因，知道渦流的本質(zhì)是感應(yīng)電流4．了解電磁阻尼和電磁驅(qū)動現(xiàn)象發(fā)展要求1．理解自感電動勢的作用，會解釋自感現(xiàn)象2．知道決定自感系數(shù)的因素3．了解自感現(xiàn)象的利弊以及對應(yīng)的利用和防止4．了解渦流的應(yīng)用和減小渦流危害的方法

知識精析

一、互感現(xiàn)象

1．現(xiàn)象：一個線圈中的電流變化時，所產(chǎn)生的變化的磁場使另一線圈中的磁通量變化而產(chǎn)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象．

2．應(yīng)用：變壓器、無線電接收等．

3．防止：相互靠近的兩個電路之間的互感會影響各自的正常工作，需設(shè)法減小或消除．

二、自感

1．現(xiàn)象：由于導(dǎo)體本身的電流發(fā)生變化而產(chǎn)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，叫自感現(xiàn)象．

2．原理當(dāng)通過導(dǎo)體線圈(或回路)自身的電流發(fā)生變化時，該電流的磁場也發(fā)生變化，因而線圈內(nèi)磁通量發(fā)生變化，產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象．因此，自感現(xiàn)象只是電磁感應(yīng)現(xiàn)象的一種特殊情形，仍遵循電磁感應(yīng)規(guī)律．

3．自感電動勢：正比于自感電動勢、正比于電流的變化式ε=

4．自感系數(shù)(L)：由線圈的匝數(shù)、大小、形狀和鐵芯決定．單位：亨利，1H＝1V·s/A

1H＝103

mH＝106

μH

5．特點：自感電動勢總是阻礙線圈中電流的變化．

6．通電自感如圖33－2所示，電路中兩燈泡L1、L2完全相同，閉合開關(guān)S后，調(diào)節(jié)R可使L1、L2的亮度相同．?dāng)嚅_開關(guān)S，重新閉合后發(fā)現(xiàn)燈泡L2立即發(fā)光，而燈泡L1則是逐漸亮起來的．圖33－2開關(guān)S閉合的瞬間，燈泡L2的兩端立即有電壓，L2立即發(fā)光；而燈泡L1與線圈L串聯(lián)，在接通電路的瞬間，電路中電流增大，穿過線圈L的磁通量隨之增大，根據(jù)電磁感應(yīng)的知識可知，線圈中將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，這個感應(yīng)電動勢阻礙線圈中電流的增大．由于這種阻礙作用使通過L1的電流逐漸增大，故燈泡L1是逐漸亮起來的．

7．?dāng)嚯娮愿腥鐖D33－3所示，燈泡L1、L2正常發(fā)光．?dāng)嚅_開關(guān)S的瞬間，燈泡L2立即熄滅，燈泡L1沒有立即熄滅，反而會比原來更亮地閃一下(L的電阻小于L1的電阻時才會閃一下，為什么？)再慢慢變暗．

圖33－3斷開開關(guān)S的瞬間，通過線圈的電流減弱，穿過線圈的磁通量減少，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢阻礙原電流的減小，使原電流逐漸減小，這一電流經(jīng)過L1所在的回路，使L1不會立即熄滅，而是比原來更亮地閃一下后再逐漸熄滅．

三、渦流

1．渦流的產(chǎn)生機(jī)理：處在磁場中的導(dǎo)體，只要磁場變化就會引起導(dǎo)體中的磁通量的變化，導(dǎo)體中就有感應(yīng)電動勢，這一電動勢在導(dǎo)體內(nèi)部構(gòu)成回路，導(dǎo)體內(nèi)就有感應(yīng)電流，因為這種電流像水中的旋渦，所以稱為渦流．在大塊的金屬內(nèi)部，由于金屬塊的電阻很小，所以渦電流很大，能夠產(chǎn)生很大的熱量．嚴(yán)格地說，在變化的磁場中的一切導(dǎo)體內(nèi)都有渦流產(chǎn)生，只是渦電流的大小有區(qū)別，以至一些微弱的渦電流就被我們忽視了．

2．渦流的利用：利用高頻真空冶煉爐冶煉高純度的金屬；用探測器探測地雷、探測地下電纜也是利用渦流的工作原理；利用渦電流可以治療疾病；利用渦流探傷技術(shù)可以檢測導(dǎo)電物體上的表面和近表面缺陷、涂鍍層厚度和熱處理質(zhì)量(如淬火透入深度、硬化層厚度、硬度等)；還有上海的磁懸浮列車是利用渦電流減速的……

3．渦流的防止：防止渦流的主要途徑是增大在變化的磁場中使用的金屬導(dǎo)體的電阻，一是選用電阻率大的材料，二是把導(dǎo)體制作成薄片，薄片與薄片之間用絕緣材料相隔，這樣增大電阻減小因渦電流損失的能量．

四、電磁阻尼導(dǎo)體與磁場相對運動時，感應(yīng)電流受到的安培力總是阻礙它們的相對運動，利用安培力阻礙導(dǎo)體與磁場間的相對運動就是電磁阻尼，磁電式儀表的指針能夠很快停下，就是利用了電磁阻尼．“磁懸浮列車?yán)脺u電流減速”其實也是一種電磁阻尼．

五、電磁驅(qū)動

導(dǎo)體與磁場相對運動時，感應(yīng)電流受到的安培力總是阻礙它們的相對運動，應(yīng)該知道安培力阻礙磁場與導(dǎo)體的相對運動的方式是多種多樣的．當(dāng)磁場以某種方式運動時(例如磁場轉(zhuǎn)動)，導(dǎo)體中的安培力為阻礙導(dǎo)體與磁場間的相對運動使導(dǎo)體跟著磁場動起來(跟著轉(zhuǎn)動)，這就是電磁驅(qū)動．其實不管是“電磁阻尼”還是“電磁驅(qū)動”，都是利用了楞次定律中的“阻礙”兩個字．

方法探究

一、自感問題

例1

如圖33－4所示，電阻R的阻值和電感線圈的自感系數(shù)都較大，電感線圈的電阻不計，Q1、Q2是兩只完全相同的燈泡，當(dāng)開關(guān)S閉合時，下列情況可能發(fā)生的是(

)

圖33－4

A．Q2比Q1先亮，然后Q2熄滅

B．Q1比Q2先亮，然后Q1熄滅

C．Q1、Q2一起亮，然后Q1熄滅

D．Q1、Q2一起亮，然后Q2熄滅

解析

當(dāng)S閉合的瞬間，L支路中的電流從無到有發(fā)生變化，因此在L中產(chǎn)生自感電動勢阻礙電流增加．由于自感系數(shù)很大，對電流的阻礙作用很強(qiáng)，所以在接通S后極短的時間里L(fēng)中的電流幾乎為零，可以將L支路看成斷路，故Q1、Q2同時發(fā)光．由于L中的電流從無到有很快穩(wěn)定，感應(yīng)電動勢消失，L相當(dāng)于一根無電阻的導(dǎo)線將Q2短路，所以最終Q2燈熄滅．故選項D正確．

答案

D

點評

通過自感線圈的電流增大，自感電動勢的方向與電流的方向相反，阻礙電流增大．

例2

在如圖33－5甲、乙所示的電路中，電阻R和自感線圈L的電阻都小于燈泡的電阻，閉合S使電路達(dá)到穩(wěn)定，燈泡Q發(fā)光．下列說法正確的是(

)

圖33－5

A．在電路甲中，斷開S后，Q將漸漸變暗

B．在電路甲中，斷開S后，Q將先變得更亮，然后漸漸變暗

C．在電路乙中，斷開S后，Q將漸漸變暗

D．在電路乙中，斷開S后，Q將先變得更亮，然后漸漸變暗

解析

在電路甲中，設(shè)通過線圈L的電流為IL甲，通過Q及R的電流為IQ甲和IR甲，同理，設(shè)電路乙中通過L、Q、R的電流分別為IL乙、IQ乙、IR乙．很明顯，IL甲＝IQ甲，IL乙＞IQ乙．當(dāng)斷開S時，線圈L相當(dāng)于電源，產(chǎn)生了自感電動勢，在L、R、Q組成的回路中產(chǎn)生自感電流．在電路甲中，自感電流從IL甲逐漸減小，燈泡Q逐漸變暗；在電路乙中，自感電流從IL乙逐漸減小，因為IL乙＞IQ乙，所以燈泡Q先變得更亮，再漸漸變暗．選項A、D正確．

答案

AD

點評

要考慮到甲、乙兩電路的區(qū)別．甲電路中燈泡Q和自感線圈L串聯(lián)在一起，通過兩者的電流大小一樣；而乙電路中穩(wěn)定時，通過L的電流要大于通過燈泡Q的電流．當(dāng)斷開S時，L中產(chǎn)生自感電動勢，L、Q、R組成新的回路．在這個回路中，對甲、乙兩電路而言，因線圈的始態(tài)電流不同，自感電動勢不同，所以燈泡上電流的變化情況也不同．

變式訓(xùn)練

在如圖33－6所示的電路中，三個相同的燈泡Q1、Q2、Q3和電感L1、L2與直流電源連接，電感的電阻忽略不計．開關(guān)S從閉合狀態(tài)突然斷開時，下列判斷正確的有[2008年高考·江蘇物理卷](

)

圖33－6

A．Q1先變亮，然后逐漸變暗

B．Q2先變亮，然后逐漸變暗

C．Q3先變亮，然后逐漸變暗

D．Q2、Q3都逐漸變暗

解析

本題重點考查自感現(xiàn)象．開關(guān)S閉合時，設(shè)通過每個燈泡的電流都為I，則通過電感L1的電流為2I，通過電感L2的電流為I；斷開開關(guān)S的瞬間，電感中的電流i突然減小，三個燈泡均處于回路中，故通過Q2、Q3的電流由i逐漸減小，選項B、C均錯誤，D正確．每個電感線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢均加載于燈泡Q1，所以選項A正確．

答案

AD

二、渦流、電磁阻尼與電磁驅(qū)動

例3

如圖33－7所示，a是一正方形小金屬片，用一根絕緣細(xì)桿將其掛在固定點O，使其繞O點來回擺動，穿過水平方向的勻強(qiáng)磁場區(qū)域．已知磁感線方向跟線框平面垂直，若懸點摩擦和空氣阻力均不計，則(

)圖33－7

A．金屬片進(jìn)入或離開磁場區(qū)域時，都產(chǎn)生感應(yīng)電流，而且電流方向相反

B．金屬片進(jìn)入磁場區(qū)域后越靠近OO′時速度越大，因而產(chǎn)生的感應(yīng)電流也越大

C．金屬片開始擺動后，擺角會越來越小，擺角小到某一值后將不再減小

D．金屬片在擺動過程中，機(jī)械能會完全轉(zhuǎn)化為金屬片的電能

解析

金屬片進(jìn)出磁場區(qū)域時，由楞次定律知，產(chǎn)生的渦流為逆時針方向，金屬片從磁場中出來時產(chǎn)生順時針方向的渦流．金屬片完全進(jìn)入磁場中后磁通量不再變化，故無渦流產(chǎn)生．故選項A正確、B錯誤．金屬片進(jìn)出磁場的過程，機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能再轉(zhuǎn)化為熱能，故擺動幅度逐漸減?。?dāng)金屬片全部在磁場區(qū)域內(nèi)部擺動時，沒有感應(yīng)電流產(chǎn)生，故機(jī)械能守恒，振幅不變．

答案

AC

互動平臺

粗心同學(xué)和細(xì)心同學(xué)關(guān)于自感系數(shù)的對話

粗心：自感現(xiàn)象中自感系數(shù)的大小決定了自感電動勢的大小．

細(xì)心：自感現(xiàn)象中，對同一線圈，自感電動勢的大小完全由電流變化的快慢(即)決定；對不同的線圈，在電流變化快慢相同的情況下，產(chǎn)生的自感電動勢不同，電學(xué)中用自感系數(shù)L反映線圈的這種特性．

粗心：那L與哪些因素有關(guān)呢？與有關(guān)系嗎？

細(xì)心：自感系數(shù)是線圈本身的特性量(類似電阻器的電阻、電容器的電容)，它與外界因素是無關(guān)的，只與線圈本身的形狀、長短、匝數(shù)及有無鐵芯等因素有關(guān)．線圈的橫截面積越大，線圈越長，匝數(shù)越多，它的自感系數(shù)就越大．另外，對同一線圈，有鐵芯的比無鐵芯的自感系數(shù)大很多．

粗心：還是你理解得全面，真佩服你！育才老師和細(xì)心同學(xué)關(guān)于電磁爐的對話

細(xì)心：上次去火鍋城吃飯，發(fā)現(xiàn)湯鍋放在一非金屬平臺上，接電后不但見不著火，連鍋下的平臺都不處于高溫狀態(tài)，為何鍋內(nèi)的湯一會兒就沸騰？

育才：電磁爐作為廚具市場的一種新型灶具打破了傳統(tǒng)的明火烹調(diào)方式，而采用磁感應(yīng)電流(又稱為渦流)的加熱原理．電磁爐是通過電子線路板產(chǎn)生交變磁場．當(dāng)用含鐵質(zhì)的鍋具底部放置爐面時，鍋底的磁通量周期性變化使得鍋具底部金屬部分產(chǎn)生渦流，渦流使鍋具鐵分子高速無規(guī)則運動，分子互相碰撞、摩擦而產(chǎn)生熱能(故：電磁爐煮食的熱源來自鍋具底部而不是電磁爐本身發(fā)熱傳導(dǎo)給鍋具，所以熱效率要比所有炊具的效率均高出近1倍)使器具本身自行高速發(fā)熱，用來加熱和烹飪食物，從而達(dá)到煮食的目的．

電磁爐具有升溫快、熱效率高、無明火、無煙塵、無有害氣體、對周圍環(huán)境不產(chǎn)生熱輻射、體積小巧、安全性好和外觀美觀等優(yōu)點，能完成家庭的絕大多數(shù)烹飪?nèi)蝿?wù)．因此，在電磁爐較普及的一些國家里，人們譽之為“烹飪之神”和“綠色爐具”．

細(xì)心：哦，明白了！高中物理與我們的生活聯(lián)系真緊密．

互動訓(xùn)練

1．如圖所示，在光滑絕緣的水平面上有一鋁質(zhì)圓形金屬球以一定的初速度通過有界勻強(qiáng)磁場，則從球開始進(jìn)入磁場到完全穿出磁場過程中（磁場寬度大于金屬球的直徑)，小球(

)

A．整個過程都做勻速運動

B．進(jìn)入磁場過程中做減速運動,穿出過程中做加速運動

C．整個過程都做勻減速運動

D．穿出時的速度一定小于初速度

解析鋁球中產(chǎn)生渦流，球的能量要損失．由于沿磁鐵中線運動，因此感應(yīng)電流所受安培力不會使球的運動方向發(fā)生偏離，只是進(jìn)入的過程和出來的兩小段過程做減速運動．

答案

D

2．在如圖甲、乙所示的電路中，R和自感線圈L的電阻都很小，接通開關(guān)S，使電路達(dá)到穩(wěn)定，燈泡L1發(fā)光．下列說法正確的是(

)

A．在電路甲中，斷開S，L1將漸漸變暗

B．在電路甲中,斷開S，L1