第五節渦流現象及其應用1．認識什么是渦流，理解渦流的成因及本質。2．了解渦流加熱、渦流制動、渦流探測在生產、生活和科技中的應用。3．了解在生產、生活中避免或減少渦流的方法。知識點一渦流現象1．渦流：整塊導體內部因發生電磁感應而產生旋渦狀的感應電流。2．影響渦流大小的因素：導體的外周長越長，交變磁場的頻率越高，渦流就越大。知識點二渦流現象的應用1．渦流的熱效應(1)電磁爐：電磁爐是渦流現象在生活中的應用，采用了磁場感應渦流的加熱原理。(2)高頻感應爐：在感應爐中，有產生高頻交變電流的大功率電源和產生交變磁場的線圈，其工作原理也是渦流加熱。2．渦流的機械效應(1)電磁驅動：當磁場相對導體運動時，導體中產生的渦流使導體受到安培力，安培力使導體運動起來的現象。(2)電磁阻尼：當導體相對磁場運動時，導體中產生的渦流使導體受到安培力，并且安培力總是阻礙導體的運動。3．渦流的磁效應渦流探測：通有交變電流的探測線圈，產生交變磁場，當靠近金屬物時，在金屬物中激起渦流，隱蔽金屬物的等效電阻、電感也會反射到探測線圈中，改變通過探測線圈電流的大小和相位，從而探知金屬物。1．思考判斷(正確的畫“√”，錯誤的畫“×”)(1)渦流有熱效應，但沒有磁效應。 (×)(2)把金屬塊放在變化的磁場中可產生渦流。 (√)(3)渦流不是感應電流，而是一種有別于感應電流的特殊電流。 (×)(4)金屬探測器是利用渦流現象。 (√)(5)電表線圈用鋁框作線圈骨架不是利用渦流現象。 (×)2．如圖所示，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，此后關于小球的運動情況是(不計空氣阻力)()A．做等幅振動B．做阻尼振動C．振幅不斷增大D．無法判定B[小球在通電線圈磁場中運動，小球中產生渦流，故小球要受到安培力作用阻礙它的相對運動，做阻尼振動，故振幅越來越小，A、C、D錯誤，B正確。]3．下列做法中可能產生渦流的是()A．把金屬塊放在勻強磁場中B．讓金屬塊在勻強磁場中做勻速直線運動C．讓金屬塊在勻強磁場中做勻變速直線運動D．把金屬塊放在變化的磁場中D[渦流就是整個金屬塊中產生的感應電流，所以產生渦流的條件就是在金屬塊中產生感應電流的條件，即穿過金屬塊的磁通量發生變化。而A、B、C中穿過金屬塊的磁通量不變化，所以A、B、C錯誤；把金屬塊放在變化的磁場中時，穿過金屬塊的磁通量發生了變化，有渦流產生，所以D正確。]1．如圖，將通有變化電流的導線繞在鐵塊上。(1)請問鐵塊中有感應電流嗎？如果有，它的形狀像什么？(2)在上述過程中伴隨著哪些能量轉化？提示：(1)有。變化的電流產生變化的磁場，根據楞次定律可知鐵塊中產生感應電流，它的形狀像水中的旋渦，所以把它叫作渦電流，簡稱渦流。(2)導線電能轉化為磁場能，磁場能轉化為鐵塊中電能，最終轉化為內能。2．一個閉合線圈放在蹄形磁鐵的兩磁極之間，如圖所示，蹄形磁鐵和閉合線圈都可以繞OO′軸轉動。當蹄形磁鐵順時針轉動時線圈也順時針轉動，當磁鐵逆時針轉動時線圈也逆時針轉動。試分析線圈轉動起來的動力是什么力？線圈的轉動速度與磁鐵的轉動速度相同嗎？提示：線圈內產生感應電流受到安培力的作用，安培力作為動力使線圈轉動起來。線圈的轉速小于磁鐵的轉速。對渦流的理解1．對渦流的理解本質電磁感應現象條件穿過金屬塊的磁通量發生變化，并且金屬塊本身可自行構成閉合回路特點整個導體回路的電阻一般很小，感應電流很大，發熱功率很大2．能量轉化伴隨著渦流現象，常見以下兩種能量轉化。(1)如果金屬塊放在了變化的磁場中，則磁場能轉化為電能，最終轉化為內能；(2)如果是金屬塊進出磁場或在非勻強磁場中運動，則由于克服安培力做功，金屬塊的機械能轉化為電能，最終轉化為內能。3．渦流的應用與防治(1)應用：高頻感應爐、金屬探測器、安檢門等。(2)防治：為了減小電動機、變壓器鐵芯上的渦流，常用電阻率較大的硅鋼做材料，而且用相互絕緣的硅鋼片疊成鐵芯來代替整塊硅鋼鐵芯。【典例1】(多選)如圖所示為用來冶煉合金鋼的真空冶煉爐，爐外有線圈，將金屬材料置于冶煉爐中，當線圈中通以電流時用感應加熱的方法使爐內金屬發熱。下列說法中正確的是()A．線圈中通以恒定電流，金屬材料中也能產生感應電流B．線圈中通以隨時間變化的電流，在金屬材料中會產生感應電流C．感應加熱是利用金屬材料中的渦流冶煉金屬的D．感應加熱是利用線圈電阻產生的焦耳熱冶煉金屬的BC[通過線圈的電流是隨時間變化的電流，從而在金屬材料中產生感應電流，故A選項錯誤，B選項正確；爐內金屬中會產生感應電流，這種電流叫渦流，感應加熱是利用金屬材料中的渦流冶煉金屬的，故C選項正確；爐內金屬中會產生渦流，金屬中的自由電子在渦流產生的電場中高速運動，受到阻礙從而產生熱量，故D選項錯誤。]渦流現象的分析方法(1)渦流是整塊導體中發生的電磁感應現象，分析渦流一般運用楞次定律和法拉第電磁感應定律。(2)導體內部可以等效為許多閉合電路。(3)導體內部發熱的原理是電流的熱效應。[跟進訓練]1．電磁爐是利用電磁感應原理加熱食物的，下列關于電磁爐的說法正確的是()A．電磁爐內部產生了感應電流B．電磁爐可以加熱陶瓷鍋內的食物C．電磁爐只能加熱鐵鍋內的食物D．電磁爐加熱食物利用了電流的熱效應D[電磁爐是在金屬鍋體內產生感應電流而產生熱的，電磁爐內部不產生感應電流；陶瓷鍋內不能產生感應電流，就不會產生熱，因此不可以加熱陶瓷鍋內的食物，A、B錯誤；只要是屬于金屬鍋底的鍋都可以用電磁爐加熱鍋內的食物，只是鐵鍋加熱的效果會更好些，C錯誤；電磁爐是在金屬鍋體內產生大量渦流而產生的熱來加熱食物的，是利用了電流的熱效應，D正確。]電磁阻尼與電磁驅動電磁阻尼與電磁驅動的比較比較項電磁阻尼電磁驅動不同點成因由于導體在磁場中運動而產生感應電流由于磁場運動引起磁通量的變化而產生感應電流效果安培力的方向與導體運動方向相反，阻礙導體運動導體受安培力的方向與導體運動方向相同，推動導體運動能量轉化導體克服安培力做功，其他形式的能轉化為電能，最終轉化為內能由于電磁感應，磁場能轉化為電能，通過安培力做功，電能轉化為導體的機械能，從而對外做功相同點兩者都是電磁感應現象【典例2】如圖所示，在一蹄形磁鐵下面放一個銅盤，銅盤和磁鐵均可以自由繞OO′軸轉動，兩磁極靠近銅盤，但不接觸，當磁鐵繞軸轉動時，銅盤將()A．以相同的轉速與磁鐵同向轉動B．以較小的轉速與磁鐵同向轉動C．以相同的轉速與磁鐵反向轉動D．靜止不動[思路點撥]①磁鐵轉動時，銅盤中會產生渦流。②由楞次定律可分析銅盤的轉動。B[因磁鐵的轉動，引起銅盤中磁通量發生變化而產生感應電流，進而受安培力作用而發生轉動，由楞次定律可知安培力的作用是阻礙相對運動，所以銅盤與磁鐵同向轉動，又由產生電磁感應的條件可知，銅盤中能產生電流的條件必須是磁通量發生變化。故銅盤轉動方向與磁鐵相同而轉速較小，不能與磁鐵同速轉動，所以正確選項是B。]對電磁阻尼和電磁驅動的理解(1)電磁阻尼是感應電流所受的安培力對導體做負功，阻礙導體運動；而電磁驅動是感應電流所受的安培力對導體做正功，推動導體的運動。(2)在兩種情況下，安培力均是阻礙導體與磁場之間的相對運動。(3)在電磁驅動中，主動部分的速度(或角速度)大于被動部分的速度(或角速度)。(4)電磁阻尼和電磁驅動都是電磁感應現象，均可以根據楞次定律和左手定則分析導體的受力情況。[跟進訓練]2．如圖所示，用絲線懸掛閉合金屬環，懸于O點，第一種情況是虛線左邊有勻強磁場，右邊沒有磁場。第二種情況是整個空間都有向外的勻強磁場，金屬環的擺動情況是()A．兩種情況都經過相同的時間停下來B．第一種情況先停下來C．第二種情況先停下來D．無法確定B[只有左邊有勻強磁場，金屬環在穿越磁場邊界時，由于磁通量發生變化，環內一定會有感應電流產生，根據楞次定律可知將會阻礙相對運動，所以擺動會很快停下來，這就是電磁阻尼現象。也可以用能量守恒來解釋，既然有電流產生，就一定有一部分機械能向電能轉化，最后電能通過導體轉化為內能。若空間都有勻強磁場，穿過金屬環的磁通量不變化，因此不產生感應電流，也就不會阻礙相對運動，擺動就不會很快停下來。故選B。]1．(多選)變壓器的鐵芯是利用薄硅鋼片疊加而成的，而不是采用一整塊硅鋼，這是為了()A．增大渦流B．減小渦流C．產生更多的熱量D．減小發熱量BD[渦流能使導體發熱。變壓器的鐵芯是相互絕緣的硅鋼片疊加而成的，從而降低渦流強度，減少能量損耗，提高變壓器的效率。]2．(多選)如圖所示，磁電式儀表的線圈通常是用鋁框做骨架，把線圈繞在鋁框上，這樣做的目的是()A．防止渦流而設計的B．利用渦流而設計的C．起電磁阻尼的作用D．起電磁驅動的作用BC[線圈通電后在安培力作用下轉動，鋁框隨之轉動，在鋁框內產生渦流，渦流將阻礙線圈的轉動，使線圈偏轉后盡快停下來，這樣做是利用渦流來起電磁阻尼的作用。]3．(多選)位于光滑水平面的小車上水平固定一螺線管，一個比螺線管長的條形磁鐵沿著螺線管的軸線以初速度v0穿入螺線管，并最終穿出，不計重力，如圖所示，在此過程中()A．磁鐵做勻速直線運動B．磁鐵做減速運動C．小車向右做加速運動D．小車先加速后減速BC[磁鐵水平穿入螺線管時，螺線管中將產生感應電流，由楞次定律可知產生的感應電流將阻礙磁鐵的運動；同理，磁鐵穿出時，由楞次定律可知產生的感應電流將阻礙磁鐵的運動，故整個過程中，磁鐵做減速運動，選項A錯誤，B正確。對于小車上的螺線管來說，螺線管受到的安培力方向始終為水平向右，這個安培力使螺線管和小車向右運動，且一直做加速運動，選項C正確，D錯誤。]4．(多選)如圖所示是用渦流金屬探測器探測地下金屬物的示意圖，下列說法中正確的是()A．探測器內的探測線圈會產生變化磁場B．只有有磁性的金屬物才會被探測器探測到C．探測到地下的金屬物是因為探頭中產生了渦流D．探測到地下的金屬物是因為金屬物中產生了渦流AD[探測器內線圈通有變化電流產生變化磁場，A正確；若有金屬，則金屬中會產生渦流，渦流磁場反過來影響線圈中的電流，使儀器報警，D正確。]回歸本節內容，自我完成以下問題：1．渦流的本質、條件及特點是什么？提示：(1)本質：電磁感應現象。(2)條件：穿過金屬塊的磁通量發生變化。(3)特點：整個金屬塊回路的電阻一般很小，渦電流很大，發熱功率很大。2．渦流的應用有哪些？提示：(1)渦流熱效應：如真空冶煉爐、電磁爐等。(2)渦流磁效應：如探雷器、安檢門等。3．如何防止渦流？提示：電動機、變壓器等設備中應防止渦流過大而導致浪費能量，損壞電器。(1)途徑一：增大鐵芯材料的電阻率。(2)途徑二：用互相絕緣的硅鋼片疊成的鐵芯來代替整塊硅鋼鐵芯。安檢門安檢門是一種檢測人員有無攜帶金屬物品的探測裝置，又稱金屬探測門。金屬探測安檢門主要應用在機場、車站、大型會議等人流較大的公共場所用來檢查人身體上隱藏的金屬物品，如槍支、管制刀具等。市場上少數高檔安檢門可以做到當被檢查人員從安檢門通過，人身體上所攜帶的金屬超過根據重量、數量或形狀預先設定好的參數值時，安檢門即刻報警，并顯示造成報警的金屬所在區位，讓安檢人員及時發現該人所隨身攜帶的金屬物品。大部分工廠專用安檢門僅僅辨別是否攜帶金屬物品，定位并報警，防止產品被違規帶出工廠。性能最好的安檢門可以檢測到回形針大小物品。公共場所人員眾多，經常會有不法分子攜帶刀槍等違禁物品伺機行兇作案，從而造成重大的人員傷亡和財產損失，給社會造成極其惡劣的負面影響。為了杜絕這類恐怖事件發生，科學的管理配以科學有效管理工具勢在必行。而安檢門正是其最有效的工具之一，它已廣泛應用于機場等重要的安全設施里，用來防止恐怖襲擊，是經過長時間的實踐檢驗，被證明最行之有效的安防工具之一。人身上攜帶的金屬物品先被地磁場磁化才能在線圈中產生感應電流？人體在線圈交變電流產生的磁場中運動產生被測感應電流？金屬物品中感應電流產生的交變磁場會在線圈中產生感應電流？提示：不是不是是課時分層作業(八)渦流現象及其應用題組一對渦流的理解1．下列關于渦流的說法中正確的是()A．渦流跟平時常見的感應電流一樣，都是因為穿過導體的磁通量變化而產生的B．渦流不是感應電流，而是一種有別于感應電流的特殊電流C．渦流有熱效應，但沒有磁效應D．在硅鋼中不能產生渦流A[渦流本質上是感應電流，是自身構成回路，在穿過導體的磁通量變化時產生的，所以A正確，B錯誤；渦流不僅有熱效應，同其他電流一樣也有磁效應，C錯誤；硅鋼電阻率大，產生的渦流較小，但仍能產生渦流，D錯誤。]2．關于渦流，下列說法中錯誤的是()A．真空冶煉爐是利用渦流來熔化金屬的裝置B．家用電磁爐鍋體中的渦流是由恒定磁場產生的C．阻尼擺擺動時產生的渦流總是阻礙其運動D．變壓器的鐵芯用相互絕緣的硅鋼片疊成能減小渦流B[真空冶煉爐是利用渦流來熔化金屬的裝置，A說法正確；要想產生渦流，必須是變化的磁場，因為變化的磁場才能產生電場，產生渦流，B說法錯誤；根據楞次定律可知，阻尼擺擺動時產生的渦流總是阻礙其運動，C說法正確；渦流會造成能量的損失，所以變壓器的鐵芯用相互絕緣的硅鋼片疊成，是為了減小渦流造成的能量損失，D說法正確。]3．安檢門是一個用于安全檢查的“門”，“門框”內有線圈，線圈里通有交變電流，交變電流在“門”內產生交變磁場，金屬物品通過“門”時能產生渦流，渦流的磁場又反過來影響線圈中的電流，從而引起報警。關于這個安檢門的以下說法不正確的是()A．這個安檢門也能檢查出毒品攜帶者B．這個安檢門只能檢查出金屬物品攜帶者C．如果這個“門框”的線圈中通上恒定電流，則不能檢查出金屬物品攜帶者D．這個安檢門工作時，既利用了電磁感應現象，又利用了電流的磁效應A[這個安檢門是利用渦流工作的，因而只能檢查金屬物品攜帶者，A錯誤，B正確；若“門框”的線圈中通上恒定電流，只能產生恒定磁場，它不能使塊狀金屬產生電流，因而不能檢查出金屬物品攜帶者，C正確；安檢門工作時，既利用了電磁感應現象，又利用了電流的磁效應，D正確。]4．渦流探傷是工業上常用的技術之一，該技術通過勵磁線圈使構件中產生渦電流，再借助探測線圈測定渦電流的變化量，從而獲得構件缺陷的有關信息。則()A．工作時勵磁線圈必須要與被測構件接觸B．渦流探傷也適用于檢測橡膠構件的缺陷C．勵磁線圈中應該通入恒定電流完成檢測D．探測線圈是根據接收到的渦流磁場工作的D[渦流探傷技術其原理是用勵磁線圈使被測構件內產生渦電流，借助探測線圈測定渦電流的改變，故工作時勵磁線圈不需要與被測構件接觸，故A錯誤；因橡膠構件不能產生渦流，所以渦流探傷不適用于檢測橡膠構件的缺陷，故B錯誤；勵磁線圈中通入交變電流才能產生變化的磁場，當金屬構件處于該變化的磁場中時，該金屬構件中才會發生電磁感應現象產生渦流，完成檢測，由此可知，探測線圈是根據接收到的渦流磁場工作的，故C錯誤，D正確。]5．(多選)“電磁感應鋁箔封口機”被廣泛應用在醫藥、食品、化工等生產行業的產品封口環節中，如圖所示為一手持式封口機，它的工作原理是：當接通電源時，內置線圈產生磁場，當磁感線穿過封口鋁箔材料時，瞬間產生大量小渦流，致使鋁箔自行快速發熱，熔化復合在鋁箔上的溶膠，從而粘貼在承封容器的封口處，達到迅速封口的目的。下列有關說法正確的是()A．封口材料可用普通塑料來代替鋁箔B．該封口機可直接用干電池作為電源以方便攜帶C．封口過程中溫度過高，可適當減小所通電流的頻率來解決D．該封口機適用于玻璃、塑料等材質的容器封口，但不宜用于金屬容器CD[由于封口機利用了電磁感應原理，故封口材料必須是金屬類材料，而且電源必須是交流電，故A、B錯誤；減小內置線圈中所通過電流的頻率可以降低封口過程中產生的熱量，即控制溫度，故C正確；封口材料應是金屬類材料，但對應被封口的容器不能是金屬，否則同樣被熔化，只能是玻璃、塑料等材質的容器，故D正確。]題組二電磁阻尼與電磁驅動6．如圖所示，在光滑絕緣水平面上，有一鋁質金屬球以一定的初速度通過有界勻強磁場，則從球開始進入磁場到完全穿出磁場過程中(磁場寬度大于金屬球的直徑)，金屬球()A．整個過程勻速運動B．進入磁場過程中金屬球做減速運動，穿出過程做加速運動C．整個過程都做勻減速運動D．穿出時的速度一定小于初速度D[在進入磁場和穿出磁場兩個過程中，金屬球均由于渦流而受到阻力作用，由能量守恒知，穿出時的速度一定小于初速度，故D正確。]7．可調磁控阻力健身車原理如圖所示，通過拉桿可以控制磁鐵與鋁制飛輪之間的距離，健身時帶動飛輪轉動，可感受到車輪轉動時的阻尼感。則()A．阻尼感是磁鐵與車輪間摩擦所致B．若拉桿位置不動，轉速越小阻尼感越強C．若飛輪轉速不變，磁鐵與飛輪距離越遠阻尼感越強D．若其他條件相同情況下，銅制的飛輪阻尼感更強D[阻尼感是飛輪切割磁感線產生感應電流從而受到安培力所致，故A錯誤；若拉桿位置不動，轉速越小，飛輪切割磁感線產生的感應電動勢越小，則感應電流越小，所受安培力越小，阻尼感越弱，故B錯誤；若飛輪轉速不變，磁鐵與飛輪距離越遠，磁鐵在飛輪處產生的磁場強度越小，飛輪切割磁感線產生的感應電動勢越小，即感應電流越小，所受安培力越小，阻尼感越弱，故C錯誤；銅的電阻率比鋁的電阻率小，若其他條件相同情況下，銅制的飛輪電阻更小，切割磁感線時感應電流更大，所受安培力更大，則阻尼感更強，故D正確。]8．(多選)如圖所示，在蹄形磁鐵的兩極間有一可以自由轉動的銅盤(不計各種摩擦)，現讓銅盤轉動。下面對觀察到的現象描述及解釋錯誤的是()A．銅盤中沒有感應電動勢、沒有感應電流，銅盤將一直轉動下去B．銅盤中有感應電動勢、沒有感應電流，銅盤將一直轉動下去C．銅盤中既有感應電動勢又有感應電流，銅盤將很快停下D．銅盤中既有感應電動勢又有感應電流，銅盤將越轉越快ABD[銅盤轉動時，根據法拉第電磁感應定律及楞次定律知，盤中有感應電動勢，也產生感應電流，并且受到阻尼作用，機械能很快轉化為電能進而轉化為焦耳熱，銅盤將很快停下，故C對，A、B、D錯。]9．如圖所示，條形磁鐵從h高處自由下落，中途穿過一個固定的空心線圈，開關S斷開時，至落地用時t1，落地時速度為v1；S閉合時，至落地用時t2，落地時速度為v2，則它們的大小關系正確的是()A．t1>t2，v1>v2 B．t1＝t2，v1＝v2C．t1<t2，v1<v2 D．t1<t2，v1>v2D[開關S斷開時，線圈中無感應電流，對磁鐵無阻礙作用，故磁鐵自由下落，a＝g；當S閉合時，線圈中有感應電流，阻礙磁鐵下落，故a<g，所以t1<t2，v1>v2。]10．(多選)低頻電渦流傳感器可用來測量自動化生產線上金屬板的厚度。如圖，在線圈L1中通以低頻交流電，它周圍會產生交變磁場，其正下方有一個與電表連接的線圈L2，金屬板置于L1、L2之間。當線圈L1產生的變化磁場透過金屬板，L2中會產生感應電流。由于金屬板厚度不同，吸收電磁能量強弱不同，導致L2中感應電流的強弱不同，則()A．金屬板吸收電磁能量，是由于穿過金屬板的磁場發生變化，板中產生渦流B．金屬板越厚，渦流越弱C．L2中產生的是直流電D．L2中產生的是與L1中同頻率的交流電AD[當L1中通過交流電時，根據右手螺旋定則知，穿過金屬板的磁場發生變化，從而出現變化的電場，導致金屬板內產生渦流，進而產生磁場能，然后轉化成金屬板的內能，故A正確；金屬板越厚，在變化的交流電流作用下，產生的渦流越強，B錯誤；根據電磁感應規律可知，在L2中產生的是與L1中同頻率的交流電，選項C錯誤，D正確。]11．光滑曲面與豎直平面的交線是拋物線，如圖所示，拋物線的方程為y＝x2，其下半部處在一個水平方向的勻強磁場中，磁場的上邊界是y＝a的直線(如圖中的虛線所示)。一個小金屬塊從拋物線上y＝b(b>a)處以速度v沿拋物線下滑，假設曲面足夠長，則金屬塊在曲面上滑動的過程中產生的焦耳熱總量是()A．mgb B．12mvC．mg(b－a) D．mg(b－a)＋12mvD[金屬塊進出磁場時，會產生渦流，部分機械能轉化成焦耳熱，所能達到的最高