第三章六、自感現(xiàn)象渦流

1、第三章 六、自感現(xiàn)象 渦流走在大街上，在無軌電車轉(zhuǎn)彎時，常常可以看見電車的弓形拾電器與電線接觸的位置打出火花來，這種現(xiàn)象是怎么產(chǎn)生的？學(xué)過這節(jié)課你就能找到答案。圖3.6-1自感使電車拾電器產(chǎn)生電火花自感現(xiàn)象在做圖3.1-5的實驗時我們已經(jīng)知道，由于線圈A中電流的變化，它產(chǎn)生的磁通量發(fā)生變化，磁通量的變化在線圈B中激發(fā)了感應(yīng)電動勢。我們很自然地會想到，變化的磁通量是不是也會在線圈A本身激發(fā)感應(yīng)電動勢？實際情況的確如此。即使沒有線圈B的存在，線圈A中電流的變化引起的磁通量變化，也會在它自身激發(fā)感應(yīng)電動勢，這個電動勢叫做自感電動勢，這種現(xiàn)象叫做自感現(xiàn)象（self-induction phenomen

2、on）。自感現(xiàn)象對電路有什么影響？我們觀察兩個演示實驗。演示開關(guān)閉合時的自感現(xiàn)象按圖3.6-2連接電路，燈泡A2與變阻器R串聯(lián)，燈泡A1與帶鐵芯的線圈L串聯(lián)，它們都連到同一個電源上。閉合開關(guān)，調(diào)整變阻器使兩個燈泡亮度相同，然后斷開開關(guān)。圖3.6-2由于線圈的自感，開關(guān)閉合時電燈A1不能馬上達到正常亮度。重新閉合開關(guān)，注意觀察開關(guān)閉合瞬間兩燈亮度的差異。開關(guān)閉合時，A1不能馬上達到正常亮度。這是由于與A1串聯(lián)的線圈L的影響。燈泡A1的亮度是逐漸增加的，由此可以判斷，線圈L的自感電動勢阻礙電流的增加。當(dāng)電路斷開時，自感電動勢對電路有什么影響？演示開關(guān)斷開時的自感現(xiàn)象按圖3.6-3連接電路。開關(guān)閉合

3、時，電流分為兩個支路，一路流過線圈L，另一路流過燈泡A。燈泡A正常發(fā)光。圖3.6-3開關(guān)斷開時，線圈中的自感電動勢使得燈泡閃亮。把開關(guān)斷開，注意觀察燈泡的亮度。開關(guān)斷開時，燈泡沒有立即熄滅，如果線圈選得合適，燈泡甚至?xí)芰恋亻W一下再熄滅。這也是由于線圈自感的作用。燈泡沒有馬上熄滅，說明自感電動勢阻礙線圈中電流的減小。在開關(guān)斷開的一瞬間，線圈內(nèi)有自感電動勢，它作為一個臨時電源為燈泡供電。綜合以上兩種情況我們可以說，電路中自感的作用是阻礙電流的變化。電感器在許多電路中都有線圈，它們叫做電感器（inductance）。電感器的性能用自感系數(shù)（self-induction coefficient）來描

4、述，簡稱自感。線圈越大、匝數(shù)越多，它的自感系數(shù)越大。給線圈中加入鐵芯，自感系數(shù)比沒有鐵芯時大得多。交流是不斷變化的電流。交流通過電感器時，由于線圈中的自感電動勢總是阻礙電流的變化，所以電感器對交流有阻礙作用。上節(jié)學(xué)到的變壓器，實際上也是電感器，為了與自感線圈相區(qū)別，有時說變壓器是一種互感器。自感現(xiàn)象在電工技術(shù)和電子技術(shù)中有廣泛的應(yīng)用。圖3.6-4是日光燈電子鎮(zhèn)流器的照片，可以看到它里面有電阻器、電容器、電感器。圖3.6-4日光燈電子鎮(zhèn)流器，其中有電阻器、電容器、電感器。自感現(xiàn)象有時也會帶來危害。無軌電車的弓形拾電器如果瞬間跳離電線，由于車內(nèi)電動機的線圈實際是個自感系數(shù)很大的電感器，這時很大的自

5、感電動勢會在拾電器與電線之間產(chǎn)生電弧。在自感系數(shù)很大、電流很強的電路中，切斷電源的瞬間都會產(chǎn)生很大的自感電動勢，使開關(guān)兩端出現(xiàn)很高的電壓，形成電弧（圖3.6-5）。電弧不僅會燒蝕開關(guān)，有時還會危及人員的安全。因此，在需要切斷高壓電源的電路中，現(xiàn)在都要采用特制的安全開關(guān)，以防止產(chǎn)生電弧，保障安全。圖3.6-5有自感的電路被切斷時可能產(chǎn)生有害的電弧渦流及其應(yīng)用在學(xué)習(xí)變壓器時你可能注意到，變壓器的鐵芯是用硅鋼片疊合而成的。為什么不用整塊的鐵做鐵芯呢？圖3.6-6硅鋼片是一種很好的軟磁性材料通過上面的學(xué)習(xí)我們認識到，變壓器原線圈中的電流不僅在副線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，還會在原線圈自身產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。其實

6、，變壓器鐵芯也是導(dǎo)體，變化的磁通量也會在鐵芯中產(chǎn)生感應(yīng)電流。一般說來，只要空間有變化的磁通量，其中的導(dǎo)體中就會產(chǎn)生感應(yīng)電流，我們把這種感應(yīng)電流叫做渦流（eddy current）。渦流同其他電流一樣，通過電阻時會產(chǎn)生熱。利用渦流的熱效應(yīng)可以制成一種新型爐灶電磁爐（圖3.6-7）。在電磁爐的爐盤下有一個線圈，里面通過交變電流，它能使?fàn)t盤上面的金屬中產(chǎn)生渦流，從而生熱。圖3.6-7電磁爐金屬探測器也是利用渦流工作的，常用于飛機場、火車站的安全檢查，以及掃雷、探礦等工作。圖3.6-8用于安全檢查的“門”。導(dǎo)線沿著“門框”繞成線圈，金屬物品通過“門”時產(chǎn)生渦流，渦流的磁場又反過來影響線圈中的電流，引發(fā)

7、報警。渦流的熱效應(yīng)在許多場合是有害的。例如，在電機、變壓器中，為了增強磁場，它們的繞組都繞在鐵芯上。當(dāng)繞組中通過交流時，在鐵芯中會產(chǎn)生渦流，這會使鐵芯過熱，消耗電能，破壞絕緣。為了減少渦流，鐵芯都用電阻率很大的硅鋼片疊成。硅鋼片的表面要經(jīng)過處理，生成不導(dǎo)電的氧化層，可以進一步減小渦流。問題和練習(xí)1一根鐵棒套上匝數(shù)不同的兩個線圈，如果給一個線圈通以交變電流，在另一個線圈上能產(chǎn)生感應(yīng)電動勢嗎？為什么？2一個滑動變阻器由幾百匝密繞的電阻絲組成，電阻絲外涂著絕緣漆。如果其中相鄰的兩匝短路了，這個變阻器仍然可以正常工作。一個電感器（例如變壓器）的線圈由幾百匝導(dǎo)線繞成，如果其中某兩匝之間短路了，它還能正常

8、工作嗎？為什么？3線圈中插入一根鐵棒，線圈的自感系數(shù)將增加。試說明其中的原因。圖3.6-9感應(yīng)爐4圖3.6-9是一種冶煉金屬的感應(yīng)爐的示意圖，爐內(nèi)裝著需冶煉的金屬。交變電流通過線圈后，爐內(nèi)的金屬中產(chǎn)生了很強的渦流，渦流產(chǎn)生的熱使金屬熔化。在電流有效值相等的情況下，電流頻率的高低對渦流的發(fā)熱將有什么影響？試說明道理。5課文中圖3.6-3，當(dāng)開關(guān)斷開以后，燈泡還可以延長發(fā)光，甚至于還會閃亮一下。某同學(xué)對此困惑不解：“開關(guān)斷開后電源已經(jīng)不工作了，燈泡繼續(xù)發(fā)光，豈不是說能量可以創(chuàng)生？”對此，你怎么解釋？STS“大面積停電”引發(fā)的思考美、加、英發(fā)生重大停電事故8月14日，美國東北部和加拿大部分地區(qū)發(fā)生大

9、面積停電事件，紐約市當(dāng)晚發(fā)生60起火災(zāi)。長達29小時的停電使紐約損失10.5億美元。8月28日傍晚，英國倫敦和英格蘭東南部部分地區(qū)也發(fā)生兩個多小對的重大停電事故，約25萬人被困在地鐵中。12月20日晚，美國加利福尼亞州的舊金山市又出現(xiàn)大面積停電，導(dǎo)致全城約三分之一的用戶斷電。城市的運轉(zhuǎn)依靠強大的電力以上是新華社評出的2003年十大國際新聞中的第五條。下面是關(guān)于這些地區(qū)停電情景的新聞?wù)?。在紐約，成千上萬乘客被困在漆黑的地鐵隧道里。辦公樓內(nèi)電梯停運、空調(diào)無法運轉(zhuǎn)，許多上班的人和商場內(nèi)的顧客陷入恐慌，不顧一切地沖到曼哈頓的各條大街上。公路堵塞，公共汽車無法運營。當(dāng)時氣溫高達33，但由于公路被堵，他

10、們只好忍耐酷熱步行回家。想給家人通告一下吧，可是移動電話網(wǎng)絡(luò)也中斷了，原因很簡單，成千上萬的人同時用手機打電話！總之，紐約生活的方方面面都已經(jīng)被完全打亂，全市在很長一段時間內(nèi)沒有汽車、火車、地鐵在運行。停電后，紐約摩天大樓失去往日炫目的色彩，只有滾滾車流的燈光映紅道路。危機就是商機，美加大停電給當(dāng)?shù)厝藥砹嘶靵y和恐慌，同時也激活了備用發(fā)電機市場。人們紛紛趕往五金店購買應(yīng)急發(fā)電機，生意立刻紅火起來。大面積停電事故頻繁出現(xiàn)已為各國的電網(wǎng)安全敲響警鐘。美國媒體認為，這次北美洲有史以來最大規(guī)模的停電，暴露了全美電網(wǎng)的脆弱不堪，需要對整個國家供電系統(tǒng)進行全面整修。日本經(jīng)濟新聞的社論認為，美國沒有建立起一旦停電時最低限度的安全防護系統(tǒng)，應(yīng)該考慮發(fā)揮燃料電池及太陽電池等小型、分散電源的作用。這次北美停電事故向全世界表明了完全依靠大規(guī)模電力的現(xiàn)代文明的脆弱的一面。俄報認為美國沒有統(tǒng)一的電力系統(tǒng)和調(diào)度中心，也沒有完善的備用電力系統(tǒng)是造成大面積停電的重要原因。從另一方面看，應(yīng)對突發(fā)事件的預(yù)警方案和相應(yīng)的訓(xùn)練近兩年來得到了重視，這在處理停電事故中發(fā)揮了重大作用。在紐約，警方曾就如何疏散困在地鐵通道和高樓大廈里的人員，進行了幾個月的訓(xùn)練。在克利夫蘭和底特律，休