第 3 課時　互感　自感與渦流
基礎(chǔ)知識歸納
1.互感現(xiàn)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(chǎn)生　感應(yīng)電動勢　的現(xiàn)象叫做互感現(xiàn)象.這種感應(yīng)電動勢叫做互感電動勢.
2.自感現(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.在自感現(xiàn)象中產(chǎn)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(dǎo)體中原來電流的變化　.公式：E自＝L
4.自感系數(shù)
也叫自感或電感，由線圈的大小、形狀、匝數(shù)及是否有鐵芯決定，線圈越長、單位長度的匝數(shù)越多、橫截面積越大，自感系數(shù)越大，若線圈中加有鐵芯，自感系數(shù)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(dǎo)體中都會產(chǎn)生　感應(yīng)電流　，電流在導(dǎo)體內(nèi)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(qū)動
(1)電磁阻尼：當導(dǎo)體在磁場中運動時，感應(yīng)電流會使導(dǎo)體受到安培力，安培力總是阻礙導(dǎo)體的運動，這種現(xiàn)象稱為　電磁阻尼　.
(2)電磁驅(qū)動：磁場相對于導(dǎo)體轉(zhuǎn)動，在導(dǎo)體中會產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流使導(dǎo)體受到安培力，安培力使導(dǎo)體運動，這種作用稱為　電磁驅(qū)動　.
重點難點突破
一、自感現(xiàn)象與互感現(xiàn)象的區(qū)別與聯(lián)系
1.區(qū)別：(1)互感現(xiàn)象發(fā)生在靠近的兩個線圈間，而自感現(xiàn)象發(fā)生在一個線圈導(dǎo)體內(nèi)部；(2)通過互感可以使能量在線圈間傳遞，而自感現(xiàn)象中，能量只能在一個線圈中儲存或釋放.
2.聯(lián)系：兩者都是電磁感應(yīng)現(xiàn)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(xiàn)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(guān)S斷開時，A燈漸漸熄滅
原
因由于開關(guān)閉合時，流過電感線圈的電流迅速增大，使線圈產(chǎn)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(guān)S時，流過線圈L的電流減小，產(chǎn)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(zhuǎn)化情況電能轉(zhuǎn)化為磁場能磁場能轉(zhuǎn)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(yīng)現(xiàn)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(jié)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(chǎn)生機理
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，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(qū)動
電磁阻尼是導(dǎo)體與磁場相對運動時，感應(yīng)電流使導(dǎo)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(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.“磁懸浮列車利用渦流減速”其實也是一種電磁阻尼.
電磁驅(qū)動是導(dǎo)體與磁場相對運動時，感應(yīng)電流使導(dǎo)體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)體中的安培力阻礙導(dǎo)體與磁場間的相對運動而使導(dǎo)體跟著磁場動起來(跟著轉(zhuǎn)動)，這就是電磁驅(qū)動.
典例精析
1.互感現(xiàn)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(dǎo)體環(huán).當A以如圖所示方向繞中心轉(zhuǎn)動的角速度發(fā)生變化時，B中產(chǎn)生如圖所示的方向的感應(yīng)電流，則(　　)
A.A可能帶正電且轉(zhuǎn)速減小 B.A可能帶正電且轉(zhuǎn)速增大
C.A可能帶負電且轉(zhuǎn)速減小 D.A可能帶負電且轉(zhuǎn)速增大
【解析】本題考查楞次定律，解題關(guān)鍵是考慮到產(chǎn)生B中感應(yīng)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(yīng)電流的磁場方向垂直于紙面向外，根據(jù)楞次定律，原磁場的方向與感應(yīng)電流的磁場相同時，磁通量是減少的，環(huán)A應(yīng)該做減速運動，產(chǎn)生逆時針方向的電流，應(yīng)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(jù)電流強度的定義，轉(zhuǎn)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(chǎn)生感應(yīng)電流，再結(jié)合楞次定律可判斷.
2.自感現(xiàn)象
【例2】如圖所示，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，當斷開開關(guān)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(guān)S斷開時，由于通過自感線圈的電流從有變到零，線圈將產(chǎn)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(guān)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(shù)很大的線圈L直流電阻的電路，L兩端并聯(lián)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(yīng)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(chǎn)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(yīng)選B.
3.渦流現(xiàn)象
【例3】著名物理學家弗曼曾設(shè)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(guān)于圓盤的說法中，正確的是(　　)
A.圓盤將逆時針轉(zhuǎn)動
B.圓盤將順時針轉(zhuǎn)動
C.圓盤不會轉(zhuǎn)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(chǎn)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(zhuǎn)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(xiàn)象是電磁感應(yīng)現(xiàn)象的一種特殊情況，實際上是產(chǎn)生了一個旋渦電場，使導(dǎo)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(chǎn)生感應(yīng)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(guān)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(chǎn)生的感應(yīng)電動勢越大，感應(yīng)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(jīng)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(yīng)電流
C.圓環(huán)進入磁場后離平衡位置越近速度越大，感應(yīng)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(chǎn)生感應(yīng)電流，選項B正確；由于金屬圓環(huán)自身存在內(nèi)阻，所以必然有熱量產(chǎn)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(nèi)的磁通量不再發(fā)生變化，無感應(yīng)電流產(chǎn)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(nèi)擺動時，穿過圓環(huán)內(nèi)的磁通量的變化情況，導(dǎo)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(nèi)磁通量發(fā)生變化，所以有感應(yīng)電流產(chǎn)生.同時，金屬圓環(huán)本身有內(nèi)阻，必然有能量的轉(zhuǎn)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(nèi)無磁通量的變化，無感應(yīng)電流產(chǎn)生，無機械能向電能的轉(zhuǎn)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(tǒng)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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