第 2 章 第 3 节 自感现象与涡流

我们知道,当电流通过线圈时,会在线圈的内外激发出磁场。如果线圈中的电流发生变化,会使穿过自身线圈的磁通量发生变化,则该线圈是否也能产生电磁感应?本节我们将学习与自感现象和涡流相关的内容。

1.自感现象

我们先通过实验,探究线圈自身电流变化时产生的电磁感应现象。

实验与探究

开关闭合时小灯泡发光的变化

按图 2-17 连接电路。闭合开关,调节 R0,使小灯泡 1、小灯泡 2 的亮度相同,然后断开开关。再次闭合开关,观察小灯泡 1 和小灯泡 2 发光情况有什么不同。想一想:为什么两只小灯泡的发光情况不同?

2-17 实验示意图

由实验可知,再次闭合开关接通电路时,与变阻器 R0 串联的小灯泡 1 立刻亮了,而与线圈 L 串联的小灯泡 2 却是逐渐亮起来。这是因为在闭合开关接通电路的瞬间,电流由零开始迅速增大,小灯泡 2 所在支路穿过线圈的磁通量也随之增大,线圈中会产生感应电动势。根据楞次定律,这个感应电动势要阻碍线圈中的电流增大,使小灯泡 2 迟一会儿才与小灯泡 1 同样亮。这种由线圈自身的电流变化所产生的电磁感应现象称为自感现象(self-induction)。

开关断开时,是否也会有自感现象产生呢?

实验与探究

开关断开时小灯泡发光的变化

按图 2-18 连接电路。闭合开关,调节 R0,使小灯泡 1、小灯泡 2 的亮度相同。

图 2-18 实验示意图

断开开关,观察小灯泡 1 和小灯泡 2 发光情况有什么不同。想一想:为什么两只小灯泡的发光情况不同?


由实验可知,开关断开时,小灯泡 2 立刻熄灭,但与线圈 L 并联的小灯泡 1 没有立刻熄灭,而是过一会儿后才熄灭。这说明在开关断开的瞬间,线圈 L 与小灯泡 1 所构成的回路中仍然有电动势和电流存在。

为什么会出现这样的情况呢?这是因为在开关断开的瞬间,通过线圈的电流突然减小,穿过线圈的磁通量也随之减小,从而发生电磁感应现象,线圈中产生的感应电动势阻碍电流的减小。这样,线圈 L 和小灯泡 1 所构成的回路中仍然有电流通过,因此小灯泡并不立即熄灭。这说明开关断开时,也会有自感现象产生。

2.自感电动势

上面两个实验中,感应电动势的产生都是由线圈本身电流的变化引起的。这种由线圈自身电流变化所产生的感应电动势称为自感电动势(self-induction electromotive force)。自感电动势与电流变化有什么关系呢?

大量的实验和研究表明:当线圈中的电流增大时,自感电动势阻碍电流的增大,自感电动势方向与原电流方向相反;当线圈中的电流减小时,自感电动势阻碍电流的减小,自感电动势方向与原电流方向相同。因此,自感电动势总是要阻碍导体自身的电流发生变化。

人们在实践中发现,自感电动势的大小与线圈本身的一些特性密切相关,物理学中,用自感系数来表示线圈的这些特性。自感系数简称自感(self-inductance)或电感,是线圈的重要参数。

国际单位制中,自感的单位是亨利,简称亨,符号是 H。常用的较小单位还有毫亨(mH)和微亨(μH),它们和亨(H)的换算关系是

1 mH = 10−3 H,1 μH = 10−6 H

日光灯镇流器的自感大约为几亨,小型收音机所用线圈(图 2-19)的自感大约为几毫亨。

图 2-19 收音机里的自感线圈

线圈的自感与线圈的形状、横截面积、长短、匝数等因素有关。线圈的横截面积越大,单位长度匝数越多,线圈越长,它的自感就越大。此外,将铁芯插入线圈,会使线圈的自感大大增加。

自感现象有着十分广泛的应用。自感线圈是交流电路中的重要元件,在广播电台和电视台的无线电设备中,用它和电容器组成振荡电路来发射电磁波;而在收音机和电视机中,同样也用这样的振荡电路来接收电磁波。

电焊也利用了自感现象(图 2-20)。电焊时,焊条和金属工件分别用导线通过电焊机与电源连接。先把焊条与被焊的工件短暂接触,然后迅速将焊条提起,与工件保持 4 ~ 5 mm 的距离。在焊条突然被提起的瞬间,电流突然减小,电焊机内的大线圈自感产生高压,使焊条与工件之间的空隙产生电弧火花,电弧火花产生的高温将焊条和金属工件局部熔化,冷却后,焊接处就熔为一体了。

图 2-20 电焊

拓展一步

自感电动势公式

根据法拉第电磁感应定律,自感电动势与穿过线圈的磁通量变化率成正比。又因为对于同一线圈磁通量与磁感应强度成正比,磁感应强度又与流过线圈的电流成正比,所以自感电动势应与线圈中的电流变化率成正比,用公式可表示为

E = L \(\frac{{\Delta I}}{{\Delta t}}\)

式中,比例系数 L 就是自感。L 在数值上等于电流变化率为 1 A/s 时产生的自感电动势的大小。如果通过线圈的电流在 1 s 内改变 1 A,产生的自感电动势是 1 V,那么这个线圈的自感就是 1 H。在电流变化率一定时,自感越大,产生的自感电动势就越大。

自感 L 的大小还表示线圈对电流变化阻碍作用的大小,它反映了线圈对电流变化延时作用的强弱。

迷你实验室

一节电池也能产生电火花

取一根长约 1 m 的漆包线绕在一把锉刀上,再让一节干电池的正极与锉刀接触,负极则与导线的一端接触。手执导线的另外一端,让裸露的导线头在锉刀上来回刮动(图 2-21)。你观察到了什么现象?想想看,为什么会发生这一现象?

图 2-21 实验示意图

3.涡流及其应用

电磁感应现象在生产生活中有许多应用,如工业生产中使用的高频感应炉、生活中使用的电磁炉等。它们是怎样利用电磁感应来工作的?我们先来做一个实验。

迷你实验室

涡流加热

如图 2-22 所示,在一个绕有线圈的可拆变压器铁芯上面放一口小铁锅,锅内放少许水,给线圈通入一段时间(通电时间不能过长)的交变电流;再用玻璃杯代替小铁锅,通入相同时间的交变电流。

图 2-22 涡流加热

铁锅和玻璃杯中的水温变化有什么不同?为什么?


实验结果表明,通电后铁锅内的水逐渐变热,而玻璃杯中的水温度却没有变化。为什么会出现这种现象?

将一金属块放在变化的磁场中,穿过金属块的磁通量发生变化,金属块内部就会产生感应电流。这种电流在金属块内部形成闭合回路,就像旋涡一样(图 2-23)。我们把这种感应电流称为涡电流,简称涡流。在上面的实验中,小铁锅的电阻很小,穿过铁锅的磁通量变化时产生的涡流较大,使铁锅很快发热,足以使水温升高;而玻璃杯是绝缘体,不会产生涡电流,所以水温没有明显变化。

图 2-23 涡流产生示意图

现在,不少家庭都有电磁炉。电磁炉的工作原理与涡流有关。当 50 Hz 的交变电流流入电磁炉时,变频装置可将其变为高频电流(20~50 kHz)进入炉内的线圈中(图 2-24)。由于电流的变化频率较高,通过铁质锅底的磁通量变化率较大,根据电磁感应定律可知,产生的感应电动势也较大。铁质锅底是整块导体,能增强磁场,会在锅底产生很强的涡电流,使锅底迅速发热,进而加热食物。

图 2-24 电磁炉内的铜线线圈

涡流也可能给人们的生产生活带来不利影响。例如,变压器、电动机和发电机的铁芯常会因涡流损失大量的电能并导致设备发热。为了减少发热,降低能耗,提高设备的工作效率,一般先把硅钢轧制成很薄的板材,板材外涂以绝缘材料,再把板材叠放在一起,形成铁芯(图 2-25)。这样,涡流被限制在薄片之内,由于回路的电阻很大,涡流大为减弱,涡流导致的发热大大降低。另外,硅钢的电阻率大,也可进一步减少涡流造成的损失。

图 2-25 硅钢片铁芯

素养提升

能理解楞次定律和法拉第电磁感应定律的内涵,了解自感现象和涡流现象;能说明自感现象与涡流现象在生产生活中的应用,能运用电磁感应定律等解释生产生活中的电磁技术应用。具有与电磁感应定律等相关的比较清晰的相互作用观念和能量观念。

通过法拉第电磁感应定律的应用,能体会科学家的不断创造推动了社会的进步;有较强的动手做实验的兴趣,能体会法拉第电磁感应定律等物理定律之美;能体会电磁感应技术的应用对人类生活和社会发展的影响。

——物理观念,科学态度与责任

科学书屋

安检门

乘飞机、高铁的乘客都要通过一道特设的安检门(图 2-26)进行安全检查。如果乘客身上有金属物体,通过安检门时就会发出警报声。原来,安检门的金属探测器利用了电磁感应原理:当交变电流通过线圈时,会产生迅速变化的磁场。这个磁场使金属物体内部产生涡电流,涡电流又会产生磁场,反过来影响原来的磁场,进而引发探测器发出警报声。

 

金属探测器具有探测度广、定位准确、分辨力强、操作简易等特点,广泛用于安检、考古、探矿、寻找废旧金属等,故又被称为“探铁器”或“探宝仪”。

节练习

1.如图所示,用导线制造精密电阻时,往往采用双线绕法。用这种绕法制造的线圈能使自感现象减弱到可忽略不计的程度。请解释这是为什么。

参考解答:采用双线绕法,当电流通过线圈时,使两股导线中的电流方向相反,这两根导线产生的磁场相互抵消。因此,电流通过该线圈时几乎不产生磁场,从而也就没有自感现象产生。

 

2.利用高频交变电流焊接自行车零件的原理如图所示。图中 M 是高频交流线圈,N 是自行车零件,a 是待焊接口。当线圈 M 中通入高频电流时,把 a 的两端相接触,接口便会被自动焊接起来。这是为什么?

参考解答:在线圈 M 中通入高频交变电流时,会产生变化的磁场,整个自行车零件中都有感应电流流过,整个零件各处均有电阻,但 a 处只是接触在一起,电阻较大,故 a 处较其余部分发热功率大、温度较高,只有 a 处在电流的热效应作用下熔化,冷却后即焊接在一起。

 

3.如图所示,LA、LB 是两个电阻值都为 r 的完全相同的小灯泡,小灯泡的电阻值大于定值电阻 R 的电阻值。L 是一个自感很大的线圈,它的电阻值与定值电阻的电阻值相等。由于自感现象,当开关 S 接通或断开时,下列说法正确的是

A.S 接通时,灯泡 LA 先亮,LB 后亮

B.S 接通时,IA = IB

C.S 断开时,LB 立即灭,LA 先闪亮一下再灭

D.S 断开时,IA = IB

参考解答:C

开关接通时,线圈 L 由于产生相反的自感电动势,阻碍 L 上面的电流变大,相当于断路,LA 相当于在干路上,因此 IA > IB,所以 B 灯要比 A 灯暗一些,但它们是同时亮,选项 AB 错误;稳定后,L 电阻较小,相当于短路,A 灯几乎不亮。开关断开瞬间,电路中电流要立即减小到零,但线圈 L 会产生自感电动势,L 与灯泡 LA 构成闭合回路,LA 灯中的电流瞬间变为电感中的大电流通过,故 LA 灯先闪亮一下再逐渐变暗,而 LB 灯立即熄灭,也就是电流为零,选项 C 正确,D 错误。

 

4.如图所示,有一个铜盘,轻轻拨动它,能长时间地绕轴自由转动。如果在转动时把 U 形磁铁放在铜盘边缘,但并不与铜盘接触,则铜盘

A.不受影响,和原先一样转动

B.很快停下来

C.比原先需要更长时间停下来

D.比原先更快地转动

参考解答:B

铜盘转动时切割磁感线,会产生感应电动势,铜盘可以看成许多闭合电路,产生感应电流,同时铜盘处于磁场中受到安培力作用,会阻碍铜盘转动,选项 B 正确,ACD 错误。

 

5.如图所示,电磁炉是利用感应电流(涡流)的加热原理工作的。下列关于电磁炉的说法,正确的是

A.电磁炉面板采用陶瓷材料,发热部分为铁锅底部

B.电磁炉面板采用金属材料,通过面板发热加热锅内食品

C.电磁炉可用陶瓷器皿作为锅具对食品加热

D.可通过改变电子线路的频率来改变电磁炉的功率

参考解答:AD

电磁炉的上表面如果用金属材料制成,使用电磁炉时,上表面材料发生电磁感应要损失电能,因此电磁炉上表面要用绝缘材料制作,发热部分为铁锅底部,选项 A 正确,C 错误;因此电磁炉产生变化的电磁场,导致加热锅底出现涡流,从而产生热量,选项 B 错误;锅体中涡流的强弱与磁场变化的频率有关,选项 D 正确。

 

6.人造卫星绕地球运行时,轨道各处地磁场的强弱并不相同。因此,金属外壳的人造地球卫星运行时,外壳中总有微弱的感应电流。查找资料,了解这一现象产生的原因和能量转化情况,以及对卫星的运行可能会产生怎样的影响。

参考解答:当穿过人造卫星金属外壳的磁通量发生变化时,外壳中会有涡流产生,金属外壳会发熟,此时,机械能转化为电能,所以外壳总有微弱的感应电流。这一现象会导致卫星机械能减少,会使轨道半径减小,造成卫星离地高度下降。

文件下载(已下载 15 次)

发布时间:2022/9/25 20:24:41  阅读次数:2183

2006 - 2024,推荐分辨率1024*768以上,推荐浏览器Chrome、Edge等现代浏览器,截止2021年12月5日的访问次数:1872万9823 站长邮箱

沪ICP备18037240号-1

沪公网安备 31011002002865号