涡流。电磁阻尼与电磁驱动教案设计

第7节涡流电磁阻尼和电磁驱动一、教学目标

(一)知识与技能

1.知道涡流是如何产生的。

2.知道涡流对我们有不利和有利的两方面,以及如何利用和防止。

3.知道电磁阻尼和电磁驱动。

(二)过程与方法

培养学生客观、全面地认识事物的科学态度。

(三)情感、态度与价值观

培养学生用辩证唯物主义的观点认识问题。

二、重点、难点

教学重点:

1.涡流的概念及其应用。

2.电磁阻尼和电磁驱动的实例分析。

教学难点:

电磁阻尼和电磁驱动的实例分析。

三、教学手段与策略

通过演示实验,引导学生观察现象、分析实验

四、课时安排:1课时

五、教学过程

(一)引入新课

教师:出示电动机、变压器铁芯,引导学生仔细观察其铁芯有什么特点?

学生:它们的铁芯都不是整块金属,而是由许多薄片叠合而成的。

教师:为什么要这样做呢?用一个整块的金属做铁心不是更省事儿?学习了涡流的知

识,同学们就会知道其中的奥秘。

(二)进行新课

1、涡流

教师:[演示1]涡流生热实验。

在可拆变压器的一字铁下面加一块厚约 2 mm的铁板,铁板垂直于铁芯里磁感线的方向。在原线圈接交流电。几分钟后,让学生摸摸铁芯和铁板,比较它们的温度,报告给全班

同学。

学生:铁板的温度比铁芯高。

教师:为什么铁芯和铁板会发热呢?原来在铁芯和铁板中有涡流产生。安排学生阅读教材,了解什么叫涡流?

学生:当线圈中的电流发生变化时,这个线圈附近的导体中就会产生感应电流。这种电流看起来很像水的旋涡,所以叫做涡流。

师生共同活动:分析涡流的产生过程。

分析:如图所示,线圈接入反复变化的电流,某段时间内,若电流变大,则其磁场变强,根据麦克斯韦理论,变化的磁场激发出感生电场。导体可以看作是由许多闭合线圈组成的,

在感生电场作用下,这些线圈中产生了感生电动势,从而产生涡旋状的感应电流。由于导体存在电阻,当电流在导体中流动时,就会产生电热,这就是涡流的热效应。

教师:课件演示,涡流的产生过程,增强学生的感性认识。

教师:为什么铁板的温度比铁芯高?

学生:因为铁板中的涡流很强,会产生大量的热。而铁芯中的涡流被限制在狭窄的薄片

之内,回路的电阻很大,涡流大为减弱,涡流产生的热量也减少。

教师:同学们明白了为什么铁芯用薄片叠合而成了吗?

学生:为了减少涡流损失的电能,同时也保护铁芯不被烧坏。

教师:下面大家阅读教材,了解一下涡流在生产、生活、科技等方面的应用。

2、电磁阻尼

教师:下面我们看教材30页上的“思考与讨论”,分组讨论,然后发表自己的见解。

学生:阅读教材后,发表自己的看法。

师生共同活动,得出电磁阻尼的概念:

导体在磁场中运动时,感应电流使导体受到安培力的作用,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。

教师:[演示2]电磁阻尼。

按照教材“做一做”中叙述的内容,演示电表指针在偏转过程中受到的电磁阻尼现象。

学生观察现象并解释现象。

[演示3]如图所示,弹簧下端悬挂一根磁铁,将磁铁托起到某高度后释

放,磁铁能振动较长时间才停下来。如果在磁铁下端放一固定线圈,磁铁会

很快停下来。上述现象说明了什么?

学生:观察现象并作出分析。

当磁铁穿过固定的闭合线圈时,在闭合线圈中会产生感应电流,感应电流的磁场会阻碍磁铁和线圈靠近或离开,也就是磁铁振动时除了空气阻力外,还有线圈的磁场力作为阻力,

安培阻力较相对较大,因而磁铁会很快停下来。

3、电磁驱动

教师:感应电流不仅会对导体产生阻尼作用,有时还会产生驱动作用。

[演示4]电磁驱动。

演示教材31页的演示实验。引导学生观察并解释实验现象。

师生共同活动,得出电磁驱动的概念:

磁场相对于导体运动时,感应电流使导体受到安培力的作用,安培力使导体运动起来,

这种现象称为电磁驱动。

教师:交流感应电动机就是应用电磁驱动的原理工作的。简要介绍交流感应电动机的工作过程。

(三)课堂总结、点评

教师活动:让学生概括总结本节的内容。请一个同学到黑板上总结,其他同学在笔记本

上总结,然后请同学评价黑板上的小结内容。

学生活动:认真总结概括本节内容,并把自己这节课的体会写下来、比较黑板上的小结和自己的小结,看谁的更好,好在什么地方。

点评:总结课堂内容,培养学生概括总结能力。

教师要放开,让学生自己总结所学内容,允许内容的顺序不同,从而构建他们自己的知识框架。

(四)实例探究

涡流的应用

【例1】如图所示是高频焊接原理示意图.线圈中通以高频变化的电流时,待焊接的金

属工件中就产生感应电流,感应电流通过焊缝产生大量热量,将金属融化,把工件焊接在一起,而工件其他部分发热很少,以下说法正确的是()

A.电流变化的频率越高,焊缝处的温度升高的越快

B.电流变化的频率越低,焊缝处的温度升高的越快

C.工件上只有焊缝处温度升的很高是因为焊缝处的

电阻小

D.工件上只有焊缝处温度升的很高是因为焊缝处的电阻大

解析:线圈中通以高频变化的电流时,待焊接的金属工件中就产生感应电流,感应电流的大小与感应电动势有关,电流变化的频率越高,电流变化的越快,感应电动势就越大。A 选项正确。工件上焊缝处的电阻大,电流产生的热量就多,D选项也正确。

答案:AD

【例2】用丝线悬挂闭合金属环,悬于O点,虚线左边有匀强磁场,右

边没有磁场。金属环的摆动会很快停下来。试解释这一现象。若整个空间都

有向外的匀强磁场,会有这种现象吗?

分析:只有左边有匀强磁场,金属环在穿越磁场边界时,由于磁通量发生变化,有感应电流

产生,于是阻碍相对运动,摆动很快停下来,这就是电磁阻尼现象;空间都有匀强磁场,穿

过金属环的磁通量反而不变化了,因此不产生感应电流,不会阻碍相对运动。

(五)巩固练习

1.如图所示,一块长方形光滑铝板水平放在桌面上,铝板右端拼接一根与铝板等厚的

条形磁铁,一质量分布均匀的闭合铝环以初速度v从板的左端沿中线向右端滚动,则()A.铝环的滚动速度将越来越小

B.铝环将保持匀速滚动

C.铝环的运动将逐渐偏向条形磁铁的N极或S极

D.铝环的运动速率会改变,但运动方向将不会发生改变

答案:B

2.如图所示,闭合金属环从曲面上h高处滚下,又沿曲面的另一侧上升,设环的初速

为零,摩擦不计,曲面处在图示磁场中,则()

A.若是匀强磁场,环滚上的高度小于h

B.若是匀强磁场,环滚上的高度等于h

C.若是非匀强磁场,环滚上的高度等于h

D.若是非匀强磁场,环滚上的高度小于h

答案:BD

3.如图所示,在光滑水平面上固定一条形磁铁,有一小球以一定的初速度向磁铁方向

运动,如果发现小球做减速运动,则小球的材料可能是()

A.铁B.木

C.铜D.铝

答案:CD

4.如图所示,圆形金属环竖直固定穿套在光滑水平导轨上,

条形磁铁沿导轨以初速度v0向圆环运动,其轴线在圆环圆心,与

环面垂直,则磁铁在穿过环过程中,做______运动.(选填“加速”、

“匀速”或“减速”)

答案:减速

(六)作业

1、认真阅读教材。

2、思考并完成“问题与练习”中的习题。

3、收集“涡流的利用和防止”方面的资料,在课下交流。

(七)教学反思

思维方法是解决问题的灵魂,是物理教学的根本;亲自实践参与知识的发现过程是培养

学生能力的关键,离开了思维方法和实践活动,物理教学就成了无源之水、无本之木。学生素质的培养就成了镜中花,水中月。

六、板书设计

一、涡流

当线圈中的电流发生变化时,这个线圈附近的导体中就会产生感应电流。这种电流看起来很像水的旋涡,所以叫做涡流。

应用:真空冶炼炉、探雷器、安检门。

二、电磁阻尼

导体在磁场中运动时,感应电流使导体受到安培力的作用,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。

三、电磁驱动

磁场相对于导体运动时,感应电流使导体受到安培力的作用,安培力使导体运动起来,

这种现象称为电磁驱动。

七、资料袋

1.利用涡流加热和熔炼金属

交变电流的磁场在金属内感应的涡流能产生热效应。这种加热方法与用燃料加热相比有

很多优点,除课本所述外还有:加热效率高,达到50%~90%;加热速度快;用不同频率的交变电流可得到不同的加热深度,这是因为涡流在金属内不是均匀分布的,越靠近金属表

面层电流越强,频率越高这种现象越显著,称为“趋肤效应”。

工业上把感应加热依频率分为四种:工频(50 Hz);中频(0.5~8 kHz);超音频(20~60 Hz);高频(60~600 kHz)。工频交变电流直接由配电变压器提供;中频交变电流由三相电

动机带动中频发电机或用可控硅逆变器产生;超音频和高频交变电流由大功率电子管振荡器

产生。

课本图16—41画的是无心式感应熔炉,用途是熔炼铸铁、钢、合金钢和铜、铝等有色

金属.所用交变电流的频率要随坩锅能容纳的金属质量多少来选择,以取得最好的效果。例

如: 5 kg的用20 kHz,100 kg的用 2.5 kHz,5 t的用1 kHz乃至50 kHz.

感应加热法也广泛用于钢件的热处理,如淬火、回火、表面渗碳等.例如齿轮、轴等只需要将表面淬火提高硬度、增加耐磨性,可以把它放入通有高频交流的空心线圈中,表面层在几秒钟内就可上升到淬火需要的高温,颜色通红,而其内部温度升高很少。然后用水或其他淬火剂迅速冷却就可以了.其他的热处理工艺可根据需要的加热深度选用中频或工频等。

2.涡流与节能炊具电磁灶

我们知道,把块状的金属放在变化的磁场中,或者让它在磁场中运动时,块状金属内将产生感应电流,这种电流在金属块内自成闭合回路,很像水的旋涡,叫涡电流,简称涡流.由于金属电阻小,所以涡流很强,(如图1所示)当交流电通过导线时,铁芯中就产生很强

的涡流,这种强电流使铁芯发热,浪费电能.为了减少损失,电机、变压器等通常用具有绝

缘层的薄硅钢片叠压制成铁芯,使回路电阻增大,减少涡流。

在各种电机、变压器中,涡流是有害的,我们要采取各种办法来减弱它,其实涡流也是

可以利用的,工业上的高频感应炉就是利用涡流来熔化、冶炼金属的.这种冶炼方法速度快,温度容易控制,而且污染少,适应冶炼特种合金和特种钢。

涡流也可以应用于生活.本文将要介绍的电磁灶就是涡流在生活中的应用。

电磁灶首先把50 Hz 的交流电通过桥式整流装置改换成直流电,然后通过逆变器,转

换成15 kHz ~50 kHz 的高频电流,此高频电流通过扁平螺旋形加热线圈(螺旋中心有圆环形磁芯)产生高频交变磁场,这个磁场的磁感线穿过非金属灶台面板进入烹饪铁锅底内,由于电磁感应产生电场,

形成强大的涡流电流,发出大量的焦耳热,达到对食物加热的目的。

图1

图2

图2是电磁灶的内部电路

.图中C 1为滤波电容,L 1为扼流圈,D 1和D 2为半导体高速二

极管,L 2和C 2为高频转换电感和电容,C 2为调谐电容器,L 3为加热线圈,D 1D 2和L 2C 2组

成逆变器,通过计算可知,加在D 1上的直流电流通过逆变器后在C 2上产生交流电压,其频

率为:

f =1/2π22C L ,如果改变L 2和C 2的值可获得不同频率的交变电压,

一般f 在15kHz~

50kHz 之间。

从图3可知,C 2两端的电压加到L 3C 3(L 3有电阻R 3)的串联电路上,改变C 3,使R 3L 3C 3

串联电路振动频率f 与C 2的频率f 相等,这样在L 3中的电流振幅最大,

L 3中交变电流在铁

锅底中的

的振幅也最大,产生的涡流最强,电磁灶的热功率最大。

下面谈谈电磁灶给锅加热的情况,如图4为放在加热图上的锅底剖面图,

B 是加热圈中

电流产生的磁场,这个磁场从圆心沿径向分布。其磁感线分布形状如图

5所示的伞形。B 的

变化激起锅底内部产生涡流

.根据右手定则可知,涡流方向如图5所示,形成一些同心圆。

图3 图4 图5 通过计算发现,锅底产生的热功率与交流电的频率平方成正比,与励磁线圈(加热线圈)的安匝数的平方成正比,所以电磁灶一般采用高频励磁。用16~20股直径为0.5 mm的铜丝绞合制成扁平螺旋线圈,以增加安匝数。铁的磁导率大,电阻也比铜、铝大些,在相同的

频率和匝数下,产生的热功率比铜、铝大,所以一般采用铁锅,不用铜锅、铝锅.从图4可以看出涡流主要分布在锅底的表面,故锅底在保持机械强度的条件下可以做得很薄,同时为了减少空隙磁阻,锅底做成平底。

电磁灶加热温度在50~200 ℃范围内,功率在300~1200 W之间,电磁灶是通过锅底涡流发热,不存在热量在传递过程中的损耗,故热效率高达83%(普通电炉的热效率为52%),电磁灶的耗电量只有电炉的63%。

电磁灶是美国西屋电器公司于1971年最先研制成功的,以后经过日本厂商的努力,到80年代初才成为技术成熟的家电产品,我国也开发了这种新产品。它是一种安全、卫生、

高效节能的炊具,是“现在厨房的标志”之一。

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