互感和自感渦流

1、互感和自感、渦流【學(xué)習(xí)目標(biāo)】1、知道什么是互感現(xiàn)象和自感現(xiàn)象.2、知道自感系數(shù)是表示線圈本身特征的物理量,知道它的單位及其大小的決定因素.3、能夠通過電磁感應(yīng)局部知識(shí)分析通電、斷電自感現(xiàn)象的原因.4、知道渦流是如何產(chǎn)生的,知道渦流對(duì)人類有利和有害的兩方面,以及如何利用渦流和預(yù)防渦流.【要點(diǎn)梳理】要點(diǎn)一、互感現(xiàn)象兩個(gè)線圈之間沒有導(dǎo)線相連,但當(dāng)一個(gè)線圈中的電流變化時(shí),它所產(chǎn)生的變化的磁場會(huì)在另一個(gè)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢,這種現(xiàn)象稱為互感,產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢叫互感電動(dòng)勢.要點(diǎn)詮釋：(1)互感現(xiàn)象是一種常見的電磁感應(yīng)現(xiàn)象,它不僅發(fā)生于繞在同一鐵芯上的兩個(gè)線圈之間,而且可以發(fā)生于任何相互靠近的電路之間.(2

2、)互感現(xiàn)象可以把能量從一個(gè)電路傳到另一個(gè)電路.變壓器就是利用互感現(xiàn)象制成的.(3)在電子電路中,互感現(xiàn)象有時(shí)會(huì)影響電路的正常工作,應(yīng)設(shè)法減小電路間的互感.要點(diǎn)二、自感現(xiàn)象1 .實(shí)驗(yàn)如圖甲所示,首先閉合S后調(diào)節(jié)R,使A、A2亮度相同,然后斷開開關(guān).再次閉合S,燈泡A2馬上發(fā)光,而跟線圈L串聯(lián)的燈泡A卻是逐漸亮起來的.如圖乙所示電路中,選擇適當(dāng)?shù)臒襞軦和線圈L,使燈泡A的電阻大于線圈L的直流電阻.斷開S時(shí),燈A并非立即熄滅,而是閃亮一下再逐漸熄滅.圖甲實(shí)驗(yàn)叫通電自感.在閉合開關(guān)S的瞬間,通過線圈L的電流發(fā)生變化而引起穿過線圈L的磁通量發(fā)生變化,線圈L中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢,這個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢阻礙線圈中電流的

3、增大,通過燈泡A的電流只能逐漸增大,所以A只能逐漸變亮.圖乙實(shí)驗(yàn)叫斷電自感.斷開S的瞬間,通過線圈L的電流減弱,穿過線圈的磁通量很快減小,線圈L中出現(xiàn)感應(yīng)電動(dòng)勢.雖然電源斷開,但由于線圈L中有感應(yīng)電動(dòng)勢,且和A組成閉合電路,使線圈中的電流反向流過燈A,并逐漸減弱.由于L的直流電阻小于燈A的電阻,其原電流大于通過燈A的原電流,故燈閃亮一下后才逐漸熄滅.2 .結(jié)論由于通過線圈自身的電流發(fā)生變化時(shí),線圈本身產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢的現(xiàn)象叫自感現(xiàn)象.由于自感而產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)熱叫自感電動(dòng)勢.要點(diǎn)詮釋：1 .自感電動(dòng)勢的作用：總是阻礙導(dǎo)體中原電流的變化,即總是起著推遲電流變化的作用.2 .自感電動(dòng)勢的方向：自感電動(dòng)

4、勢總是阻礙導(dǎo)體中原來電流的變化,當(dāng)原來電流增大時(shí),自感電動(dòng)勢與原來電流方向相反；當(dāng)原來電流減小時(shí),自感電動(dòng)勢與原來電流方向相同.3 .自感電動(dòng)勢大?。篍自=L,大小由電流變化的快慢和自感系數(shù)L決定.要點(diǎn)三、自感系數(shù)自感系數(shù)是表示線圈產(chǎn)生自感電動(dòng)勢本領(lǐng)大小的物理量,簡稱為自感或電感,用L表示.要點(diǎn)詮釋：(1)大?。壕€圈長度越長,線圈橫截面積越大,單位長度上匝數(shù)越多,線圈的自感系數(shù)越大；線圈有鐵芯比無鐵芯時(shí)自感系數(shù)大得多.(2)物理意義：表征線圈產(chǎn)生自感電動(dòng)勢本領(lǐng)大小的物理量,數(shù)值上等于通過線圈的電流在1s內(nèi)改變1A時(shí)產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢的大小.(3)單位：亨利(符號(hào)H),1亨=103毫亨=106微亨

5、(1H=103mH=106NH).要點(diǎn)四、自感現(xiàn)象的應(yīng)用和預(yù)防1 .應(yīng)用：電感線圈可以把電能轉(zhuǎn)化為磁場能儲(chǔ)存起來,也可以把儲(chǔ)存的磁場能轉(zhuǎn)化為電能；當(dāng)自感系數(shù)很大時(shí),可以產(chǎn)生自感電動(dòng)勢,增大電路的瞬時(shí)電壓.電感線圈可以延續(xù)電流的變化時(shí)間,起到一定的穩(wěn)定電流的作用,在交流電路中,常用電感線圈來通直流阻交流,通低頻阻高頻.電感線圈在各種電器設(shè)備和無線電技術(shù)中應(yīng)用廣泛,如日光燈電路中的鎮(zhèn)流器、LC振蕩電路等.2 .危害和預(yù)防：在切斷自感系數(shù)很大、電流很強(qiáng)的電路的瞬間,會(huì)產(chǎn)生很高的自感電動(dòng)勢,形成電弧,危及工作人員和設(shè)備平安,在這類電路中應(yīng)采用特別的開關(guān)；制作精密電阻時(shí),采用雙線繞法來消除自感現(xiàn)象.要點(diǎn)

6、五、電感和電阻的比擬1 .阻礙作用：電阻R對(duì)電流有阻礙彳用,電感L對(duì)電流的變化有阻礙作用.2 .大小因素：電阻越大,對(duì)電流的阻礙越大,產(chǎn)生的電勢差越大；電感越大,對(duì)電流的阻礙作用越大,產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢越大.3 .決定因素：電阻R決定于導(dǎo)體長度、橫截面積、材料電阻率；電感L決定于線圈長度、橫截面積、匝數(shù)、有無鐵芯等.4 .聯(lián)系：電感和電阻都是反映導(dǎo)體本身性質(zhì)的物理量.要點(diǎn)六、線圈對(duì)變化電流的阻礙作用與對(duì)穩(wěn)定電流的阻礙作用的比擬1 .兩種阻礙作用產(chǎn)生的原因不同線圈對(duì)穩(wěn)定電流的阻礙作用,是由繞制線圈的導(dǎo)線的電阻決定,對(duì)穩(wěn)定電流阻礙作用的產(chǎn)生原因,是金屬對(duì)定向運(yùn)動(dòng)電子的阻礙作用.而線圈對(duì)變化電流的阻礙

7、作用,是由線圈的自感現(xiàn)象引起的,當(dāng)通過線圈中的電流變化時(shí),穿過線圈的磁通量發(fā)生變化,產(chǎn)生自感電動(dòng)勢,阻礙線圈中電流變化.2 .兩種阻礙作用產(chǎn)生的效果不同在通電線圈中,電流穩(wěn)定值為E/Rl,由此可知,線圈的穩(wěn)態(tài)電阻決定了電流的穩(wěn)定值.L越大,電流由零增大到穩(wěn)定值的時(shí)間越長,也就是說,線圈對(duì)變化電流的阻礙作用越大,電流變化的越慢.總之,穩(wěn)態(tài)電阻決定了電流所能到達(dá)的穩(wěn)定值,對(duì)變化電流的阻礙作用決定了要到達(dá)穩(wěn)定值所需的時(shí)間.要點(diǎn)七、在斷電自感中,燈泡是否閃亮一下的判斷方法如下圖電路中,當(dāng)開關(guān)S斷開后,燈泡A是否會(huì)閃亮一下閃亮一下的條件是什么?L設(shè)開關(guān)閉合時(shí),電源路端電壓為U,線圈的電阻為Rl,燈泡的電

8、阻為Ra,那么通過線圈的電流為Il=U,通過燈泡的電流為Ia=U.當(dāng)開關(guān)斷開后,線圈和燈泡組成的回路RlRa中的電流從Il開始減弱.假設(shè)Ra>Rl,有Ia<Il,在斷開開關(guān)的瞬間,通過燈泡的電流會(huì)瞬間增大,燈泡會(huì)閃亮一下.假設(shè)RaMR,有Ia之Il,斷開開關(guān)后,通過燈泡的電流減小,燈泡不會(huì)閃亮一下.要點(diǎn)八、電路中電流大小變化的判斷方法在進(jìn)行分析計(jì)算時(shí),要注意：如果電感線圈的直流電阻為零,那么電路穩(wěn)定時(shí)可認(rèn)為線圈短路；在電流由零增大的瞬間可認(rèn)為線圈斷路.如下圖,S閉合穩(wěn)定后,假設(shè)不考慮線圈的直流電阻,那么燈泡不亮,流過線圈的電流I較大.在S斷開的瞬間,燈泡和線圈構(gòu)成了閉合回路,其中線

9、圈中電流的流向不變,其大小只能在原來大小的根底上減弱.要點(diǎn)九、渦流當(dāng)線圈中的電流隨時(shí)間變化時(shí),線圈附近的任何導(dǎo)體中都會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流,電流在導(dǎo)體內(nèi)自成閉合回路,很像水中的旋渦,把它叫做渦電流,簡稱渦流.要點(diǎn)詮釋：1 .渦流產(chǎn)生的原因：渦流是一種特殊的電磁感應(yīng)現(xiàn)象,當(dāng)把塊狀金屬放在變化的磁場中,或者讓它在非均勻磁場中運(yùn)動(dòng),金屬塊內(nèi)就產(chǎn)生感應(yīng)電流,由于金屬塊本身可自行構(gòu)成閉合回路,且塊狀金屬導(dǎo)體的電阻一般情況下很小,所以產(chǎn)生的渦流通常是很強(qiáng)的.2 .渦流的預(yù)防：電動(dòng)機(jī)、變壓器的線圈中有變化的電流,因而在鐵芯中產(chǎn)生了渦流,不僅浪費(fèi)了能量,還可能損壞電器,因此,要想方法減小渦流.為了到達(dá)減小渦流的目的,

10、采用了電阻率大的硅鋼做鐵芯的材料,并把硅鋼做成彼此絕緣的薄片,這樣,就大大減小了渦流.3 .渦流的利用：用來冶煉合金鋼的真空冶煉爐,爐外有線圈,線圈中通入反復(fù)變化的電流,爐內(nèi)的金屬中就產(chǎn)生渦流.渦流產(chǎn)生的熱量使金屬到達(dá)很高的溫度并熔化.利用渦流冶煉金屬的優(yōu)點(diǎn)是整個(gè)過程能在真空中進(jìn)行,這樣就能預(yù)防空氣中的雜質(zhì)進(jìn)入金屬,可以冶煉高質(zhì)量的合金.要點(diǎn)十、電磁阻尼當(dāng)導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí),如果導(dǎo)體中出現(xiàn)渦流,即感應(yīng)電流,那么感應(yīng)電流會(huì)使導(dǎo)體受到安培力作用,安培力的方向總是阻礙導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng),這種現(xiàn)象叫做電磁阻尼.要點(diǎn)詮釋：電磁阻尼在實(shí)際中有很多應(yīng)用,課本上講的使電學(xué)儀表的指針很快的停下來,就是電磁阻尼作用.電磁

11、阻尼還常用于電氣機(jī)車的電磁制動(dòng)器中.要點(diǎn)H一、電磁驅(qū)動(dòng)如果磁場相對(duì)于導(dǎo)體運(yùn)動(dòng),在導(dǎo)體中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流,感應(yīng)電流使導(dǎo)體受到安培力的作用,安培力使導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)起來,這種作用叫做電磁驅(qū)動(dòng).電磁驅(qū)動(dòng)的原因分析：如下圖,當(dāng)蹄形磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),穿過線圈的磁通量發(fā)生變化,由楞次定律知,線圈中有感應(yīng)電流產(chǎn)生,以阻礙磁通量變化,線圈會(huì)跟著一起轉(zhuǎn)動(dòng)起來.要點(diǎn)詮釋：(1)線圈轉(zhuǎn)動(dòng)方向和磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同,但轉(zhuǎn)速小于磁鐵轉(zhuǎn)速,即同向異步.(2)下一章要介紹的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、家庭中用的電能表、汽車上用的電磁式速度表,就是利用這種電磁驅(qū)動(dòng).【典型例題】類型一、互感現(xiàn)象產(chǎn)生的條件例1.如下圖,水平放置的兩條光滑軌道上有可自由移動(dòng)的金屬棒

12、PQ、MN,當(dāng)PQ在外力作用下運(yùn)動(dòng)時(shí),MN在磁場力作用下向右運(yùn)動(dòng),那么PQ所做的運(yùn)動(dòng)可能是A.向右勻加速運(yùn)動(dòng)C.向右勻減速運(yùn)動(dòng)B.向左勻加速運(yùn)動(dòng)D.向左勻減速運(yùn)動(dòng)【答案】BC舉一反三【變式】如下圖,金屬球銅球下端有通電的線圈,今把小球拉離平衡位置后釋放,此后關(guān)于小球的運(yùn)動(dòng)情況是：不計(jì)空氣阻力A.做等幅振動(dòng)；C.振幅不斷增大;【答案】BB.做阻尼振動(dòng);D,無法判定.類型二、斷電自感現(xiàn)象例2.如下圖的a、b兩個(gè)電路中,電阻R和自感線圈L的電阻值都小,且小于燈泡A的電阻,接通開關(guān)S,使電路到達(dá)穩(wěn)定,燈泡A發(fā)光,那么A.在電路a中,斷開S后,A將逐漸變暗B.在電路a中,斷開S后,A將先變得更亮,然后逐

13、漸變暗C.在電路b中,斷開S后,A將逐漸變暗D.在電路b中,斷開S后,A將先變得更亮,然后逐漸變暗【答案】AD舉一反三【變式】圖為一演示實(shí)驗(yàn)電路圖,圖中L是一帶鐵心的線圈,A是一燈泡,電鍵K處于閉合狀態(tài),電路是接通的.現(xiàn)將電鍵K翻開,那么在電路切斷的瞬間,通過燈泡A的電流方向是從端到端.這個(gè)實(shí)驗(yàn)是用來演示現(xiàn)象的.b【答案】a,b,自感類型三、通電自感現(xiàn)象例3.如下圖,電路中電源的內(nèi)阻不能忽略,R的阻值和L的自感系數(shù)都很大,A、B為兩個(gè)完全相同的燈泡,當(dāng)S閉合時(shí),以下說法正確的選項(xiàng)是A. A比B先亮,然后A滅B. B比A先亮,然后B逐漸變暗C. A、B一起亮,然后A滅D. A、B一起亮,然后B滅

14、【答案】B類型四、正確理解自感電動(dòng)勢例4.如下圖,L為自感系數(shù)較大的線圈,電路穩(wěn)定后小燈泡正常發(fā)光,當(dāng)斷開開關(guān)S的瞬間會(huì)有A.燈A立即熄滅B.燈A慢慢熄滅C.燈A忽然閃亮一下再慢慢熄滅D.燈A忽然閃亮一下再忽然熄滅【答案】A舉一反三【變式】如下圖的電路中,AB兩燈電阻均為R,且Rr,L為純電感線圈,原先6、均斷開,那么rA十A. S閉合瞬間,A燈先亮,B燈后亮,以后兩燈一樣亮B. §閉合后,再閉合S2,兩燈亮度不變C. §、S2均閉合后,再斷開s,B燈立即熄滅,A燈閃亮一下才熄滅D. §、$2均閉合后,先斷開S2,再斷開§,A燈立即熄滅,B燈閃亮一下才熄

15、滅【答案】AC類型五、自感現(xiàn)象在電路中的應(yīng)用S斷開時(shí),將出現(xiàn)的現(xiàn)例5.在如下圖的電路中,L為電阻很小的線圈,Gi和G2為零點(diǎn)在表盤中央的相同的電流表.當(dāng)開關(guān)S閉合時(shí),電流表G/旨針偏向右方,那么當(dāng)開關(guān)象是A. Gi和G2指針都立即回到零點(diǎn)B. G1指針立即回到零點(diǎn),而G2指針緩慢地回到零點(diǎn)C. Gi指針緩慢回到零點(diǎn),而G2指針先立即偏向左方,然后緩慢地回到零點(diǎn)D. Gi指針先立即偏向左方,然后緩慢地回到零點(diǎn),而G2指針緩慢地回到零點(diǎn)類型六、自感現(xiàn)象的應(yīng)用和預(yù)防例6.在如下圖的四個(gè)日光燈的接線圖中,S1為啟動(dòng)器,S2為開關(guān),L為鎮(zhèn)流器.能使日光燈正常發(fā)光的是【答案】AC舉一反三【變式】如下圖是一

16、種延時(shí)開關(guān),當(dāng)S1閉合時(shí),電磁鐵F將銜鐵D吸下,C線路接通.當(dāng)S1斷開時(shí),由于電磁感應(yīng)作用,D將延遲一段時(shí)間才被釋放.對(duì)于這個(gè)延時(shí)開關(guān)的工作情況,以下說法中正確的選項(xiàng)是A.由于A線圈的電磁感應(yīng)作用,才產(chǎn)生延時(shí)釋放D的作用B.由于B線圈的電磁感應(yīng)作用,才產(chǎn)生延時(shí)釋放D的作用C.如果斷開B線圈的電鍵S2,無延時(shí)作用D.如果斷開B線圈的電鍵S2,延時(shí)將變長【答案】BC例7.在制作精密電阻時(shí),為了消除使用過程中由于電流變化而引起的自感現(xiàn)象,采用雙線并繞的方法,如下圖.其原理是A.當(dāng)電路中的電流變化時(shí),兩股導(dǎo)線產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢相互抵消B.當(dāng)電路中的電流變化時(shí),兩股導(dǎo)線產(chǎn)生的感應(yīng)電流相互抵消C.當(dāng)電路中的

17、電流變化時(shí),兩股導(dǎo)線中原電流的磁通量相互抵消D.以上說法都不對(duì)【答案】C舉一反三【變式】在無線電儀器中,常需要在距離較近處安裝兩個(gè)線圈,并要求當(dāng)一個(gè)線圈中有電流變化時(shí),對(duì)另一個(gè)線圈中的電流的影響盡量小.那么圖中兩個(gè)線圈的相對(duì)安裝位置最符合該要求的是=類型七、渦流的應(yīng)用例8.如下圖是高頻焊接原理示意圖,線圈中通以高頻交變電流時(shí),待焊接的金屬工件中就產(chǎn)生感應(yīng)電流,由于焊縫處的接觸電阻很大,放出的焦耳熱很多,致使溫度升得很高,將金屬熔化,焊接在一起.我國生產(chǎn)的自行車車架就是用這種方法焊接的.試定性地說明：為什么交變電流的頻率越高,焊縫處放出的熱量越多.焊健處高頻電源三待焊接工件線凰導(dǎo)線【答案】見解析

18、例9.如下圖是冶煉金屬用的高頻感應(yīng)爐.請說明其工作原理.<3提升頻交疝電源真空冶煉爐【答案】見解析類型八、電磁阻尼的分析和應(yīng)用例10.彈簧上端固定,下端懸掛一根磁鐵.將磁鐵托起到某一高度后放開,磁鐵能上下振動(dòng)較長時(shí)間才停下來.如果在磁鐵下端放一個(gè)固定的閉合線圈,使磁鐵上下振動(dòng)時(shí)穿過它如下圖,磁鐵就會(huì)很快地停下來,解釋這個(gè)現(xiàn)象,并說明此現(xiàn)象中能量轉(zhuǎn)化的情況.【答案】見解析舉一反三【變式】如下圖,abcd是一閉合的小金屬線框,用一根絕緣的細(xì)桿掛在固定點(diǎn)O,使金屬線框在豎直平面內(nèi)往返擺動(dòng)的過程穿過水平方向的勻強(qiáng)磁場區(qū)域,磁感線方向跟線框平面垂直,假設(shè)懸點(diǎn)摩擦和空氣阻力不計(jì),那么A.線框進(jìn)入或離開磁場區(qū)域時(shí),都產(chǎn)生感應(yīng)電流,而且電流的方向相反B,線框進(jìn)入磁場區(qū)域后,越靠近OO'線時(shí)速度越大,因而產(chǎn)生的感應(yīng)電流也越大C.線框開始擺動(dòng)后,擺角會(huì)越來越小,擺角小到某一值后將不再減小D.線框擺動(dòng)過程中,機(jī)械能完全轉(zhuǎn)化為線框電路中的電能【答案】AC例11.在科技館中?？吹竭@樣的表演:乙1m左右的時(shí)間一根長1m左右的空心鋁管豎直放置如圖甲所示,把一枚磁性很強(qiáng)的小圓片從鋁管上端放入管口,圓片直徑略小于鋁管的內(nèi)徑.從一般經(jīng)驗(yàn)來看,小圓片自由落下不應(yīng)超過0.5s,但把小圓片從上端管口放入管中后,過了許久才從鋁管下端落出.小圓片在管內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí),沒有感覺到它跟鋁管內(nèi)壁發(fā)生摩