第 3 課時　互感　自感與渦流
基礎知識歸納
1.互感現象
一個線圈中的　電流變化　時，所引起的磁場的變化在另一個線圈中產生　感應電動勢　的現象叫做互感現象.這種感應電動勢叫做互感電動勢.
2.自感現象
由于　導體本身的電流發(fā)生變化　而產生的電磁感應現象.在自感現象中產生的電動勢，叫做　自感電動勢　.
3.自感電動勢的大小和方向
對于同一線圈來說，自感電動勢的大小取決于本身電流變化的快慢，其方向總　阻礙導體中原來電流的變化　.公式：E自＝L
4.自感系數
也叫自感或電感，由線圈的大小、形狀、匝數及是否有鐵芯決定，線圈越長、單位長度的匝數越多、橫截面積越大，自感系數越大，若線圈中加有鐵芯，自感系數會更大.單位：亨利(H).
5.渦流
(1)定義：當線圈中的電流隨時間變化時，線圈附近的任何導體中都會產生　感應電流　，電流在導體內形成閉合回路，很像水的旋渦，把它叫做渦電流，簡稱渦流.
(2)特點：整塊金屬的電阻很小，渦流往往很大.
6.電磁阻尼與電磁驅動
(1)電磁阻尼：當導體在磁場中運動時，感應電流會使導體受到安培力，安培力總是阻礙導體的運動，這種現象稱為　電磁阻尼　.
(2)電磁驅動：磁場相對于導體轉動，在導體中會產生感應電流，感應電流使導體受到安培力，安培力使導體運動，這種作用稱為　電磁驅動　.
重點難點突破
一、自感現象與互感現象的區(qū)別與聯系
1.區(qū)別：(1)互感現象發(fā)生在靠近的兩個線圈間，而自感現象發(fā)生在一個線圈導體內部；(2)通過互感可以使能量在線圈間傳遞，而自感現象中，能量只能在一個線圈中儲存或釋放.
2.聯系：兩者都是電磁感應現象.
二、通電自感和斷電自感的比較
通電自感斷電自感
電路圖
器材要求A1、A2同規(guī)格，R＝RL，L較大L很大(有鐵芯)
現象在S閉合瞬間，A2立即亮起來，A1燈逐漸變亮，最終一樣亮在開關S斷開時，A燈漸漸熄滅
原
因由于開關閉合時，流過電感線圈的電流迅速增大，使線圈產生自感電動勢，阻礙了電流的增大，使流過A1燈的電流比流過A2燈的電流增加得慢斷開開關S時，流過線圈L的電流減小，產生自感電動勢，阻礙了電流的減小，使電流繼續(xù)存在一段時間，在S斷開后，通過L的電流反向通過燈A，A燈不會立即熄滅，若RL＜RA，原來的IL＞IA，則A燈熄前要閃亮一下，若RL≥RA，原來的電流IL≤IA，則A燈逐漸熄滅，不再閃亮一下
能量轉化情況電能轉化為磁場能磁場能轉化為電能
三、斷電實驗中，線圈中的電流有可能比原來的大嗎
不可能.因為電磁感應現象中，自感電動勢也只能阻礙線圈中電流減小，而不能“阻止”，只是減慢了電流減小的速度，但最終結果還是要減小，所以斷電實驗中，線圈中的電流不可能比原來的大.
四、渦流的產生機理
處在磁場中的導體，只要磁場變化就會引起導體中的磁通量的變化，導體中就有感應電動勢，這一電動勢在導體內部構成回路，導體內就有感應電流.因為這種電流像水中的旋渦，所以稱為渦流.在大塊的金屬內部，由于金屬塊的電阻很小，所以渦電流很大，能夠產生很大的熱量.嚴格地說，在變化的磁場中的一切導體內都有渦流產生，只是渦電流的大小有區(qū)別，所以一些微弱的渦電流就被我們忽視了.
五、電磁阻尼和電磁驅動
電磁阻尼是導體與磁場相對運動時，感應電流使導體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.“磁懸浮列車利用渦流減速”其實也是一種電磁阻尼.
電磁驅動是導體與磁場相對運動時，感應電流使導體受到的安培力總是阻礙它們的相對運動，應該知道安培力阻礙磁場與導體的相對運動的方式是多種多樣的.當磁場以某種方式運動時(例如磁場轉動)，導體中的安培力阻礙導體與磁場間的相對運動而使導體跟著磁場動起來(跟著轉動)，這就是電磁驅動.
典例精析
1.互感現象
【例1】如圖所示，兩圓環(huán)A、B置于同一水平面上，其中A為均勻帶電絕緣環(huán)，B為導體環(huán).當A以如圖所示方向繞中心轉動的角速度發(fā)生變化時，B中產生如圖所示的方向的感應電流，則(　　)
A.A可能帶正電且轉速減小 B.A可能帶正電且轉速增大
C.A可能帶負電且轉速減小 D.A可能帶負電且轉速增大
【解析】本題考查楞次定律，解題關鍵是考慮到產生B中感應電流的原因有兩種可能情形，即穿過B環(huán)的磁通量向外減少，或者穿過B環(huán)的磁通量向里增加.由題目所給的條件可以判斷，感應電流的磁場方向垂直于紙面向外，根據楞次定律，原磁場的方向與感應電流的磁場相同時，磁通量是減少的，環(huán)A應該做減速運動，產生逆時針方向的電流，應該帶負電，故選項C是正確的，同理可得B是正確的.
【答案】BC
【思維提升】根據電流強度的定義，轉速變化必將引起A的等效電流變化，從而使B中磁通量發(fā)生改變而產生感應電流，再結合楞次定律可判斷.
2.自感現象
【例2】如圖所示，L為自感系數較大的線圈，電路穩(wěn)定后小燈泡正常發(fā)光，當斷開開關S的瞬間會有(　　)
A.燈A立即熄滅 B.燈A慢慢熄滅
C.燈A突然閃亮一下再慢慢熄滅 D.燈A突然閃亮一下再突然熄滅
【解析】本題中，當開關S斷開時，由于通過自感線圈的電流從有變到零，線圈將產生自感電動勢，但由于線圈L與燈A在S斷開后不能形成閉合回路，故在開關斷開后通過燈A的電流為零，燈立即熄滅.
【答案】A
【思維提升】有自感電動勢并不一定有電流，因為必須要閉合回路才能使電流形成通路.
【拓展1】如圖所示是測定自感系數很大的線圈L直流電阻的電路，L兩端并聯一個電壓表，用來測自感線圈的直流電壓，在測量完畢后，將電路拆開時應先( B )
A.斷開S1 B.斷開S2
C.拆除電流表 D.拆除電阻R
【解析】若先斷開S1，會在電壓表兩端產生一較大自感電動勢，有可能燒毀電壓表，先拆除電流表及電阻R會發(fā)生同樣的情況，故應選B.
3.渦流現象
【例3】著名物理學家弗曼曾設計過一個實驗，如圖所示.在一塊絕緣板上中部安一個線圈，并接有電源，板的四周有許多帶負電的小球，整個裝置支撐起來.忽略各處的摩擦，當電源接通的瞬間下列關于圓盤的說法中，正確的是(　　)
A.圓盤將逆時針轉動
B.圓盤將順時針轉動
C.圓盤不會轉動
D.無法確定圓盤是否會動
【解析】瞬間增強的磁場會在周圍產生一個順時針的旋渦電場，負電荷受到逆時針方向的電場力，帶動圓盤逆時針轉動，而負電荷的這種定向運動則形成了順時針的環(huán)形電流，故選項A正確.
【答案】A
【思維提升】渦流現象是電磁感應現象的一種特殊情況，實際上是產生了一個旋渦電場，使導體中的自由電荷受電場力發(fā)生了定向移動.
【拓展2】如圖所示是利用高頻交流電焊接自行車零件的原理示意圖，其中外圈A是通高頻交變電流的線圈，B是自行車零件，a是待焊接口，焊接時接口兩端接觸在一起.當A中通有交變電流時，B中會產生感應電流，使得接口處金屬熔化焊接起來.
(1)試分析說明，焊接的快慢與交變電流的頻率有什么關系.
(2)試分析說明，為什么焊接過程中，接口a處被熔化而零件的其他部分并不很熱？
【解析】(1)A中交變電流的頻率越高，B中磁通量的變化率越大，產生的感應電動勢越大，感應電流I越大，所以電流熱功率P＝I2R也越大，焊接得越快.
(2)B中各處電流大小相等，但接口a處電阻大，電流熱功率大，而其他部分電阻小，電流熱功率小，所以接口a處已被熔化而零件的其他部分并不很熱.
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4.電磁阻尼
【例4】如圖所示，一閉合金屬圓環(huán)用絕緣細線掛于O點，將圓環(huán)拉離平衡位置并釋放，圓環(huán)擺動過程中經過有界的水平勻強磁場區(qū)域，A、B為該磁場的豎直邊界.若不計空氣阻力，則(　　)
A.圓環(huán)向右穿過磁場后，還能擺至原來的高度
B.在進入和離開磁場時，圓環(huán)中均有感應電流
C.圓環(huán)進入磁場后離平衡位置越近速度越大，感應電流也越大
D.圓環(huán)最終將靜止在平衡位置
【錯解】BD.如圖所示，當圓環(huán)從1位置開始下落，進入和擺出磁場和擺出磁場時(即2位置和3位置)，由于有磁通量變化，圓環(huán)上產生感應電流，選項B正確；由于金屬圓環(huán)自身存在內阻，所以必然有熱量產生(即有能量損失).因此，圓環(huán)不會再擺到4位置，選項A錯誤；當圓環(huán)進入磁場后，穿過環(huán)內的磁通量不再發(fā)生變化，無感應電流產生，選項C錯誤；由于每次通過磁場都有能量損失，所以圓環(huán)最終將靜止在平衡位置，D選項正確.
【錯因】物體有慣性，人的思維也有慣性.這位同學忘記了分析當圓環(huán)僅在勻強磁場內擺動時，穿過圓環(huán)內的磁通量的變化情況，導致選擇錯誤.可見，在分析物理問題時，要嚴格按照物理規(guī)律成立的條件進行.
【正解】如題圖所示，當圓環(huán)從1位置開始下落，進入和擺出磁場時(即2和3位置)，由于圓環(huán)內磁通量發(fā)生變化，所以有感應電流產生.同時，金屬圓環(huán)本身有內阻，必然有能量的轉化，即有能量的損失.因此圓環(huán)不會擺到4位置.隨著圓環(huán)進出磁場，其能量逐漸減少，圓環(huán)擺動的振幅越來越小.當圓環(huán)只在勻強磁場中擺動時，圓環(huán)內無磁通量的變化，無感應電流產生，無機械能向電能的轉化.題意中不存在空氣阻力，擺線的拉力垂直于圓環(huán)的速度方向，拉力對圓環(huán)不做功，所以系統的能量守恒，所以圓環(huán)最終將在A、B間來回擺動.
【答案】B


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