4.7 涡流、流、电磁阻尼和磁阻尼和电磁磁驱动+ + +IBBE+ + +涡旋电场涡旋电场I思考与讨论思考与讨论 电动机和变压器的工作原理都电动机和变压器的工作原理都跟电磁感应现象有关，内部都有跟电磁感应现象有关，内部都有铁芯结构，为什么电动机和变压铁芯结构，为什么电动机和变压器等的铁芯都不是整块金属，而器等的铁芯都不是整块金属，而是用许多相互绝缘的薄硅钢片叠是用许多相互绝缘的薄硅钢片叠合而成？合而成？一、涡流一、涡流一、涡流一、涡流( ( ( (eddy currenteddy currenteddy currenteddy current) ) ) )1 1、定义：、定义：、定义：、定义：块状金属块状金属块状金属块状金属在变化的磁场中或在磁场中运动时在变化的磁场中或在磁场中运动时在变化的磁场中或在磁场中运动时在变化的磁场中或在磁场中运动时, ,金金金金属块内产生的自成闭合回路的感应电流属块内产生的自成闭合回路的感应电流属块内产生的自成闭合回路的感应电流属块内产生的自成闭合回路的感应电流，叫涡电流，简称，叫涡电流，简称，叫涡电流，简称，叫涡电流，简称涡流。涡流。涡流。涡流。2 2、如图所示，绝缘导线绕在金属块上，当通以交变电流、如图所示，绝缘导线绕在金属块上，当通以交变电流、如图所示，绝缘导线绕在金属块上，当通以交变电流、如图所示，绝缘导线绕在金属块上，当通以交变电流时，磁通量不断变化，将产生涡流，由于金属块电阻小产时，磁通量不断变化，将产生涡流，由于金属块电阻小产时，磁通量不断变化，将产生涡流，由于金属块电阻小产时，磁通量不断变化，将产生涡流，由于金属块电阻小产生涡流很强，使铁芯发热浪费电能。生涡流很强，使铁芯发热浪费电能。生涡流很强，使铁芯发热浪费电能。生涡流很强，使铁芯发热浪费电能。3 3、如图所示，薄硅、如图所示，薄硅、如图所示，薄硅、如图所示，薄硅钢片使涡流被限制在钢片使涡流被限制在钢片使涡流被限制在钢片使涡流被限制在狭窄的薄片之内，使狭窄的薄片之内，使狭窄的薄片之内，使狭窄的薄片之内，使电阻增大，减弱涡流，电阻增大，减弱涡流，电阻增大，减弱涡流，电阻增大，减弱涡流，减小损失。且硅钢片减小损失。且硅钢片减小损失。且硅钢片减小损失。且硅钢片比普通钢片电阻率大，比普通钢片电阻率大，比普通钢片电阻率大，比普通钢片电阻率大，其涡流损失只有普通其涡流损失只有普通其涡流损失只有普通其涡流损失只有普通钢的钢的钢的钢的1/51/41/51/4。III二、涡流的利用二、涡流的利用二、涡流的利用二、涡流的利用1、如图所示的高频感应炉，利用涡流的热、如图所示的高频感应炉，利用涡流的热效应来熔化金属。交流电的频率越高，金效应来熔化金属。交流电的频率越高，金属熔炉中的感应电动势就越大，金属材料属熔炉中的感应电动势就越大，金属材料的电阻率越小，产生的涡流热效应就越强。的电阻率越小，产生的涡流热效应就越强。2、高频感应炉优点：、高频感应炉优点： 速度快，温度易控制，速度快，温度易控制，整个过程在真空中进行，整个过程在真空中进行，能避免有害杂质混入被冶能避免有害杂质混入被冶炼的金属中，适于冶炼特炼的金属中，适于冶炼特种合金和特种钢。种合金和特种钢。高频焊接机原理高频焊接机原理高频焊接机原理高频焊接机原理：线圈中通以高频电流，内部焊：线圈中通以高频电流，内部焊：线圈中通以高频电流，内部焊：线圈中通以高频电流，内部焊接工件由于电磁感应产生感应电流，频率越高，接工件由于电磁感应产生感应电流，频率越高，接工件由于电磁感应产生感应电流，频率越高，接工件由于电磁感应产生感应电流，频率越高，产生的感应电流越大。由于焊接缝处接触电阻很产生的感应电流越大。由于焊接缝处接触电阻很产生的感应电流越大。由于焊接缝处接触电阻很产生的感应电流越大。由于焊接缝处接触电阻很大，放出的热量很多，致使温度升高将金属熔化，大，放出的热量很多，致使温度升高将金属熔化，大，放出的热量很多，致使温度升高将金属熔化，大，放出的热量很多，致使温度升高将金属熔化，焊接在一起。应用于焊接自行车车架。焊接在一起。应用于焊接自行车车架。焊接在一起。应用于焊接自行车车架。焊接在一起。应用于焊接自行车车架。二、涡流的利用二、涡流的利用二、涡流的利用二、涡流的利用二、涡流的利用二、涡流的利用二、涡流的利用二、涡流的利用 生活中的生活中的电磁炉电磁炉，也是利用电磁感应中，也是利用电磁感应中的涡流的热效应来烧菜做饭的。的涡流的热效应来烧菜做饭的。二、涡流的利用二、涡流的利用二、涡流的利用二、涡流的利用线圈线圈 探雷器探雷器的长柄的长柄线圈中，通有变化线圈中，通有变化的电流，在其周围的电流，在其周围就产生变化的磁场，就产生变化的磁场，埋在地下的金属物埋在地下的金属物品，由于电磁感应品，由于电磁感应而形成涡流，涡流而形成涡流，涡流的磁场反过来又作的磁场反过来又作用于线圈，使仪器用于线圈，使仪器报警。报警。二、涡流的利用二、涡流的利用二、涡流的利用二、涡流的利用 机场、车站及机场、车站及重要场所的重要场所的安检门安检门及工作人员手上的及工作人员手上的探测器探测器，也是利用，也是利用与探雷器类似的电与探雷器类似的电磁感应原理使仪器磁感应原理使仪器报警，来探测进出报警，来探测进出人员身上携带的金人员身上携带的金属物品。属物品。三、涡流的防止三、涡流的防止三、涡流的防止三、涡流的防止 变压器和电动机的铁芯不采用整块金属，而是变压器和电动机的铁芯不采用整块金属，而是变压器和电动机的铁芯不采用整块金属，而是变压器和电动机的铁芯不采用整块金属，而是由许多由许多由许多由许多相互绝缘相互绝缘相互绝缘相互绝缘的的的的电阻率很大电阻率很大电阻率很大电阻率很大的的的的薄硅钢片薄硅钢片薄硅钢片薄硅钢片叠合而成，叠合而成，叠合而成，叠合而成，目的就是为了减弱铁芯中由于电磁感应而产生的涡目的就是为了减弱铁芯中由于电磁感应而产生的涡目的就是为了减弱铁芯中由于电磁感应而产生的涡目的就是为了减弱铁芯中由于电磁感应而产生的涡流的热效应，从而减少电能的损耗，同时避免破坏流的热效应，从而减少电能的损耗，同时避免破坏流的热效应，从而减少电能的损耗，同时避免破坏流的热效应，从而减少电能的损耗，同时避免破坏绝缘层，对电器起到了保护的作用。绝缘层，对电器起到了保护的作用。绝缘层，对电器起到了保护的作用。绝缘层，对电器起到了保护的作用。思考与讨论思考与讨论思考与讨论思考与讨论为什么磁电式电表的线圈要用铝框做骨架呢？为什么磁电式电表的线圈要用铝框做骨架呢？绕有线圈绕有线圈绕有线圈绕有线圈的铝框的铝框的铝框的铝框 电学测量仪器要求指针的摆动很快停下来，也是电学测量仪器要求指针的摆动很快停下来，也是电学测量仪器要求指针的摆动很快停下来，也是电学测量仪器要求指针的摆动很快停下来，也是利用了铝框中产生的涡流，从而通过磁场对这个涡流利用了铝框中产生的涡流，从而通过磁场对这个涡流利用了铝框中产生的涡流，从而通过磁场对这个涡流利用了铝框中产生的涡流，从而通过磁场对这个涡流的作用力阻碍它们的摆动，使指针能很快地指到示数的作用力阻碍它们的摆动，使指针能很快地指到示数的作用力阻碍它们的摆动，使指针能很快地指到示数的作用力阻碍它们的摆动，使指针能很快地指到示数的位置上。的位置上。的位置上。的位置上。2 2、应用：磁电式电表中、应用：磁电式电表中安装的使指针很快地停下安装的使指针很快地停下的铝框；电气机车内部可的铝框；电气机车内部可使机车快速停下的电磁制使机车快速停下的电磁制动器等动器等四、电磁阻尼四、电磁阻尼四、电磁阻尼四、电磁阻尼( ( ( (eletromagnetic eletromagnetic eletromagnetic eletromagnetic dampingdampingdampingdamping) ) ) )1 1、电磁阻尼现象：当导体在磁场中运、电磁阻尼现象：当导体在磁场中运动时，感应电流会使导体受到安培力，动时，感应电流会使导体受到安培力，安培力的方向总是阻碍导体的运动，这安培力的方向总是阻碍导体的运动，这种现象称为电磁阻尼。种现象称为电磁阻尼。思考与讨论思考与讨论思考与讨论思考与讨论 用手晃动微安表的表壳，发现指针来回振动用手晃动微安表的表壳，发现指针来回振动用手晃动微安表的表壳，发现指针来回振动用手晃动微安表的表壳，发现指针来回振动后，会因超出刻度所标的偏转范围而卡住，而在后，会因超出刻度所标的偏转范围而卡住，而在后，会因超出刻度所标的偏转范围而卡住，而在后，会因超出刻度所标的偏转范围而卡住，而在车辆长途运输微安表时，都要用导线把微安表两车辆长途运输微安表时，都要用导线把微安表两车辆长途运输微安表时，都要用导线把微安表两车辆长途运输微安表时，都要用导线把微安表两个接线柱连在一起，这又是为什么？个接线柱连在一起，这又是为什么？个接线柱连在一起，这又是为什么？个接线柱连在一起，这又是为什么？ 微安表是一种高灵敏度，微安表是一种高灵敏度，微安表是一种高灵敏度，微安表是一种高灵敏度，高精度电流表，高精度电流表，高精度电流表，高精度电流表，表内的指针因表内的指针因表内的指针因表内的指针因振动会产生摇摆，剧裂摇摆会振动会产生摇摆，剧裂摇摆会振动会产生摇摆，剧裂摇摆会振动会产生摇摆，剧裂摇摆会使微安表造成指针打偏、降低使微安表造成指针打偏、降低使微安表造成指针打偏、降低使微安表造成指针打偏、降低灵敏度、或失灵等。故在运输灵敏度、或失灵等。故在运输灵敏度、或失灵等。故在运输灵敏度、或失灵等。故在运输中，用导线短路两接线柱，使中，用导线短路两接线柱，使中，用导线短路两接线柱，使中，用导线短路两接线柱，使内部表头线圈闭合产生磁阻，内部表头线圈闭合产生磁阻，内部表头线圈闭合产生磁阻，内部表头线圈闭合产生磁阻，大大降低因外界的摇摆、振动大大降低因外界的摇摆、振动大大降低因外界的摇摆、振动大大降低因外界的摇摆、振动对表头的影响。对表头的影响。对表头的影响。对表头的影响。 五、电磁驱动五、电磁驱动2 2、应用：交流感应电动机，家用电度表，、应用：交流感应电动机，家用电度表，车内的速度计等。车内的速度计等。1 1、电磁驱动：磁场相对于导、电磁驱动：磁场相对于导体转动，在导体中产生感应电体转动，在导体中产生感应电流，感应电流使导体受到安培流，感应电流使导体受到安培力，安培力使导体跟着磁场转力，安培力使导体跟着磁场转动，这种现象称为电磁驱动。动，这种现象称为电磁驱动。1 1、下列哪些措施是为了防止涡流的危害（、下列哪些措施是为了防止涡流的危害（ ）A A、电磁炉所用的锅要用平厚底金属锅、电磁炉所用的锅要用平厚底金属锅B B、磁电式电表的线圈常常用铝框做骨架，、磁电式电表的线圈常常用铝框做骨架，把线圈绕在铝框上把线圈绕在铝框上C C、变压器的铁芯不做成整块，而是用许多、变压器的铁芯不做成整块，而是用许多电阻率很大的硅钢片叠合而成电阻率很大的硅钢片叠合而成D D、变压器的铁芯每片硅钢片表面有不导电、变压器的铁芯每片硅钢片表面有不导电的氧化层的氧化层CD课堂练习课堂练习 2 2 2 2、在水平放置的光滑导轨上，沿导轨固定一个、在水平放置的光滑导轨上，沿导轨固定一个、在水平放置的光滑导轨上，沿导轨固定一个、在水平放置的光滑导轨上，沿导轨固定一个条形磁铁，如图。现有铁、铝和有机玻璃制成的条形磁铁，如图。现有铁、铝和有机玻璃制成的条形磁铁，如图。现有铁、铝和有机玻璃制成的条形磁铁，如图。现有铁、铝和有机玻璃制成的滑块甲、乙、丙，使它们从导轨上的滑块甲、乙、丙，使它们从导轨上的滑块甲、乙、丙，使它们从导轨上的滑块甲、乙、丙，使它们从导轨上的A A A A点以某一点以某一点以某一点以某一初速度向磁铁滑去。各物块在碰上磁铁前的运动初速度向磁铁滑去。各物块在碰上磁铁前的运动初速度向磁铁滑去。各物块在碰上磁铁前的运动初速度向磁铁滑去。各物块在碰上磁铁前的运动情况是情况是情况是情况是( ( ( ( ) ) ) ) A A A A、都做匀速运动、都做匀速运动、都做匀速运动、都做匀速运动 B B B B、甲做加速运动、甲做加速运动、甲做加速运动、甲做加速运动 C C C C、乙做匀速运动、乙做匀速运动、乙做匀速运动、乙做匀速运动 D D D D、丙做匀速运动、丙做匀速运动、丙做匀速运动、丙做匀速运动BD课堂练习课堂练习注意：铁磁化相吸，铝电磁感应产生涡流，注意：铁磁化相吸，铝电磁感应产生涡流，注意：铁磁化相吸，铝电磁感应产生涡流，注意：铁磁化相吸，铝电磁感应产生涡流，故铁加速，铝减速故铁加速，铝减速故铁加速，铝减速故铁加速，铝减速 电磁阻尼，使金属盘，磁铁和金属球电磁阻尼，使金属盘，磁铁和金属球快速停下，机械能转化为电能以热的形快速停下，机械能转化为电能以热的形式散发到周围的空气中。式散发到周围的空气中。电磁感应的其他一些应用电磁感应的其他一些应用电磁感应的其他一些应用电磁感应的其他一些应用vv动圈式话筒动圈式话筒 话筒话筒就是利用电磁感应，把声音信号就是利用电磁感应，把声音信号转变为电信号的装置。转变为电信号的装置。磁带录音机磁带录音机 录音录音录音录音：声音使话筒中产生随声音变化原感应电：声音使话筒中产生随声音变化原感应电：声音使话筒中产生随声音变化原感应电：声音使话筒中产生随声音变化原感应电流流流流音频电流，经放大后，进入录音磁头的线圈音频电流，经放大后，进入录音磁头的线圈音频电流，经放大后，进入录音磁头的线圈音频电流，经放大后，进入录音磁头的线圈中，在磁头的缝隙产生随音频电流变化的磁场，磁中，在磁头的缝隙产生随音频电流变化的磁场，磁中，在磁头的缝隙产生随音频电流变化的磁场，磁中，在磁头的缝隙产生随音频电流变化的磁场，磁带在紧贴磁头缝隙运动，磁带上的磁粉层被磁化，带在紧贴磁头缝隙运动，磁带上的磁粉层被磁化，带在紧贴磁头缝隙运动，磁带上的磁粉层被磁化，带在紧贴磁头缝隙运动，磁带上的磁粉层被磁化，从而录下声音的磁信号。从而录下声音的磁信号。从而录下声音的磁信号。从而录下声音的磁信号。延时继电器延时继电器原理原理原理原理：合上：合上：合上：合上S S S S时，电流时，电流时，电流时，电流恒定，恒定，恒定，恒定，A A A A中线圈磁极上中线圈磁极上中线圈磁极上中线圈磁极上端为端为端为端为N N N N极，吸住衔铁极，吸住衔铁极，吸住衔铁极，吸住衔铁D D D D，使使使使D D D D与触头与触头与触头与触头C C C C接通；当接通；当接通；当接通；当S S S S断开时，电流减小，断开时，电流减小，断开时，电流减小，断开时，电流减小，B B B B线圈电磁感应，阻碍电线圈电磁感应，阻碍电线圈电磁感应，阻碍电线圈电磁感应，阻碍电流减小，产生顺时针电流减小，产生顺时针电流减小，产生顺时针电流减小，产生顺时针电流，再吸住流，再吸住流，再吸住流，再吸住D D D D一段时间一段时间一段时间一段时间后才使后才使后才使后才使D D D D与与与与C C C C断开。断开。断开。断开。 超导材料由于它的抗磁性，已被应用于磁悬超导材料由于它的抗磁性，已被应用于磁悬超导材料由于它的抗磁性，已被应用于磁悬超导材料由于它的抗磁性，已被应用于磁悬浮高速列车。如图是磁悬浮的原理，图中浮高速列车。如图是磁悬浮的原理，图中浮高速列车。如图是磁悬浮的原理，图中浮高速列车。如图是磁悬浮的原理，图中P P P P是圆是圆是圆是圆柱形磁铁，柱形磁铁，柱形磁铁，柱形磁铁，Q Q Q Q是用高温超导材料制成的超导圆环，是用高温超导材料制成的超导圆环，是用高温超导材料制成的超导圆环，是用高温超导材料制成的超导圆环，将将将将Q Q Q Q水平放在磁铁水平放在磁铁水平放在磁铁水平放在磁铁P P P P上，它就能在磁力作用下悬浮上，它就能在磁力作用下悬浮上，它就能在磁力作用下悬浮上，它就能在磁力作用下悬浮在磁铁在磁铁在磁铁在磁铁P P P P的上方空中。的上方空中。的上方空中。的上方空中。（1 1 1 1）在）在）在）在Q Q Q Q放入磁场过程中，放入磁场过程中，放入磁场过程中，放入磁场过程中，Q Q Q Q中有无感应电流？中有无感应电流？中有无感应电流？中有无感应电流？（2 2 2 2）根据题中提供的信息，）根据题中提供的信息，）根据题中提供的信息，）根据题中提供的信息，Q Q Q Q的的的的N N N N极指极指极指极指向如何？向如何？向如何？向如何？（3 3 3 3）根据（）根据（）根据（）根据（2 2 2 2）的结论，）的结论，）的结论，）的结论，Q Q Q Q中的电流方中的电流方中的电流方中的电流方向如何？向如何？向如何？向如何？（4 4 4 4）稳定后，感应电流消失吗？）稳定后，感应电流消失吗？）稳定后，感应电流消失吗？）稳定后，感应电流消失吗？磁悬浮的原理磁悬浮的原理磁悬浮的原理磁悬浮的原理N NP PQ Q 如果把永磁体圆片置于超导体上方，靠近超如果把永磁体圆片置于超导体上方，靠近超如果把永磁体圆片置于超导体上方，靠近超如果把永磁体圆片置于超导体上方，靠近超导体时，下方的超导体如同一块和上方的永磁体导体时，下方的超导体如同一块和上方的永磁体导体时，下方的超导体如同一块和上方的永磁体导体时，下方的超导体如同一块和上方的永磁体同极相对的磁铁一样，使永磁体受到向上的斥力。同极相对的磁铁一样，使永磁体受到向上的斥力。同极相对的磁铁一样，使永磁体受到向上的斥力。同极相对的磁铁一样，使永磁体受到向上的斥力。当斥力和重力平衡时，永磁体便悬浮在超导体上当斥力和重力平衡时，永磁体便悬浮在超导体上当斥力和重力平衡时，永磁体便悬浮在超导体上当斥力和重力平衡时，永磁体便悬浮在超导体上方某一高度不动了。方某一高度不动了。方某一高度不动了。方某一高度不动了。磁悬浮列车磁悬浮列车 与此相似，若在车辆底部与此相似，若在车辆底部与此相似，若在车辆底部与此相似，若在车辆底部安装超导磁体，在轨道两旁埋安装超导磁体，在轨道两旁埋安装超导磁体，在轨道两旁埋安装超导磁体，在轨道两旁埋设一系列闭合铝环，整个列车设一系列闭合铝环，整个列车设一系列闭合铝环，整个列车设一系列闭合铝环，整个列车由埋在底下的线性同步电动机由埋在底下的线性同步电动机由埋在底下的线性同步电动机由埋在底下的线性同步电动机来驱动。运行时，列车凌空浮来驱动。运行时，列车凌空浮来驱动。运行时，列车凌空浮来驱动。运行时，列车凌空浮起，使车与轨道间的摩擦减为起，使车与轨道间的摩擦减为起，使车与轨道间的摩擦减为起，使车与轨道间的摩擦减为零。零。零。零。2 2、到、到19791979年，磁悬浮列车已经创造年，磁悬浮列车已经创造517km/h517km/h的速度记录，每小时的能耗仅为飞机的的速度记录，每小时的能耗仅为飞机的1/31/3。1 1、中国：在上海，拥有一条时速超过、中国：在上海，拥有一条时速超过400km400km的高速列车线的高速列车线“横空出世横空出世”从浦东机场从浦东机场到陆家嘴长达到陆家嘴长达40km40km的磁悬浮示范线。的磁悬浮示范线。3 3、德国：拥有一条、德国：拥有一条31.5km31.5km的载人磁悬浮的载人磁悬浮专线。专线。4 4、日本：、日本：18.4km18.4km的电动超导磁悬浮试验线的电动超导磁悬浮试验线也已建好，时速达也已建好，时速达550km550km。磁悬浮列车磁悬浮列车