人教版高中物理选修3-2
知识点梳理
重点题型(常考知识点)巩固练习
互感和自感、涡流
【学习目标】
1、知道什么是互感现象和自感现象。
2、知道自感系数是表示线圈本身特征的物理量,知道它的单位及其大小的决定因素。 3、能够通过电磁感应部分知识分析通电、断电自感现象的原因。
4、知道涡流是如何产生的,知道涡流对人类有利和有害的两方面,以及如何利用涡流和防止涡流。
【要点梳理】 要点一、互感现象
两个线圈之间没有导线相连,但当一个线圈中的电流变化时,它所产生的变化的磁场会在另一个线圈中产生感应电动势,这种现象称为互感,产生的感应电动势叫互感电动势。 要点诠释:
(1)互感现象是一种常见的电磁感应现象,它不仅发生于绕在同一铁芯上的两个线圈之间,而且可以发生于任何相互靠近的电路之间。
(2)互感现象可以把能量从一个电路传到另一个电路。变压器就是利用互感现象制成的。
(3)在电子电路中,互感现象有时会影响电路的正常工作,应设法减小电路间的互感。
要点二、自感现象 1.实验
如图甲所示,首先闭合S后调节R,使A1、A2亮度相同,然后断开开关。再次闭合S,灯泡A2立刻发光,而跟线圈L串联的灯泡A1却是逐渐亮起来的。
如图乙所示电路中,选择适当的灯泡A和线圈L,使灯泡A的电阻大于线圈L的直流电阻。断开S时,灯A并非立即熄灭,而是闪亮一下再逐渐熄灭。
图甲实验叫通电自感。在闭合开关S的瞬间,通过线圈L的电流发生变化而引起穿过
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线圈L的磁通量发生变化,线圈L中产生感应电动势,这个感应电动势阻碍线圈中电流的增大,通过灯泡A1的电流只能逐渐增大,所以A1只能逐渐变亮。
图乙实验叫断电自感。断开S的瞬间,通过线圈L的电流减弱,穿过线圈的磁通量很快减小,线圈L中出现感应电动势。虽然电源断开,但由于线圈L中有感应电动势,且和A组成闭合电路,使线圈中的电流反向流过灯A,并逐渐减弱由于L的直流电阻小于灯A的电阻,其原电流大于通过灯A的原电流,故灯闪亮一下后才逐渐熄灭。 2.结论
由于通过线圈自身的电流发生变化时,线圈本身产生感应电动势的现象叫自感现象。由于自感而产生的感应电动热叫自感电动势。 要点诠释:
1.自感电动势的作用:
总是阻碍导体中原电流的变化,即总是起着推迟电流变化的作用。 2.自感电动势的方向:
自感电动势总是阻碍导体中原来电流的变化,当原来电流增大时,自感电动势与原来电流方向相反;当原来电流减小时,自感电动势与原来电流方向相同。 3.自感电动势大小:
E自Li,大小由电流变化的快慢和自感系数L决定。 t
要点三、自感系数
自感系数是表示线圈产生自感电动势本领大小的物理量,简称为自感或电感,用L表示。 要点诠释:
(1)大小:线圈长度越长,线圈横截面积越大,单位长度上匝数越多,线圈的自感系数越大;线圈有铁芯比无铁芯时自感系数大得多。
(2)物理意义:表征线圈产生自感电动势本领大小的物理量,数值上等于通过线圈的电流在1s内改变lA时产生的自感电动势的大小。
36 (3)单位:亨利(符号H),1亨=10毫亨=10微亨(1H10mH10H)。
36
要点四、自感现象的应用和防止
1.应用:电感线圈可以把电能转化为磁场能储存起来,也可以把储存的磁场能转化为电能;当自感系数很大时,可以产生自感电动势,增大电路的瞬时电压。
电感线圈可以延续电流的变化时间,起到一定的稳定电流的作用,在交流电路中,常用电感线圈来通直流阻交流,通低频阻高频。电感线圈在各种电器设备和无线电技术中应用广泛,如日光灯电路中的镇流器、LC振荡电路等。
2.危害和防止:在切断自感系数很大、电流很强的电路的瞬间,会产生很高的自感电动势,形成电弧,危及工作人员和设备安全,在这类电路中应采用特别的开关;制作精密电阻时,采用双线绕法来消除自感现象。
要点五、电感和电阻的比较 1.阻碍作用:
电阻R对电流有阻碍作用,电感L对电流的变化有阻碍作用。 2.大小因素:
电阻越大,对电流的阻碍越大,产生的电势差越大;电感越大,对电流的阻碍作用越大,
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产生的自感电动势越大。 3.决定因素:
电阻R决定于导体长度、横截面积、材料电阻率;电感L决定于线圈长度、横截面积、匝数、有无铁芯等。 4.联系:
电感和电阻都是反映导体本身性质的物理量。
要点六、线圈对变化电流的阻碍作用与对稳定电流的阻碍作用的比较 1.两种阻碍作用产生的原因不同 线圈对稳定电流的阻碍作用,是由绕制线圈的导线的电阻决定,对稳定电流阻碍作用的产生原因,是金属对定向运动电子的阻碍作用。而线圈对变化电流的阻碍作用,是由线圈的自感现象引起的,当通过线圈中的电流变化时,穿过线圈的磁通量发生变化,产生自感电动势,阻碍线圈中电流变化。
2.两种阻碍作用产生的效果不同
在通电线圈中,电流稳定值为E/RL,由此可知,线圈的稳态电阻决定了电流的稳定值。L越大,电流由零增大到稳定值的时间越长,也就是说,线圈对变化电流的阻碍作用越大,电流变化的越慢。总之,稳态电阻决定了电流所能达到的稳定值,对变化电流的阻碍作用决定了要达到稳定值所需的时间。
要点七、在断电自感中,灯泡是否闪亮一下的判断方法 如图所示电路中,当开关S断开后,灯泡A是否会闪亮一下?闪亮一下的条件是什么?
设开关闭合时,电源路端电压为U,线圈的电阻为RL,灯泡的电阻为RA,则通过线圈的电流为ILUU,通过灯泡的电流为IA。当开关断开后,线圈和灯泡组成的回路RLRA中的电流从IL开始减弱。
若RA>RL,有IA<IL,在断开开关的瞬间,通过灯泡的电流会瞬间增大,灯泡会闪亮一下。若RARL,有IAIL,断开开关后,通过灯泡的电流减小,灯泡不会闪亮一下。
要点八、电路中电流大小变化的判断方法
在进行分析计算时,要注意:①如果电感线圈的直流电阻为零,那么电路稳定时可认为线圈短路;②在电流由零增大的瞬间可认为线圈断路。
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如图所示,S闭合稳定后,若不考虑线圈的直流电阻,则灯泡不亮,流过线圈的电流I较大。在S断开的瞬间,灯泡和线圈构成了闭合回路,其中线圈中电流的流向不变,其大小只能在原来大小的基础上减弱。
要点九、涡流
当线圈中的电流随时间变化时,线圈附近的任何导体中都会产生感应电流,电流在导体内自成闭合回路,很像水中的旋涡,把它叫做涡电流,简称涡流。 要点诠释:
1.涡流产生的原因:
涡流是一种特殊的电磁感应现象,当把块状金属放在变化的磁场中,或者让它在非均匀磁场中运动,金属块内就产生感应电流,因为金属块本身可自行构成闭合回路,且块状金属导体的电阻一般情况下很小,所以产生的涡流通常是很强的。 2.涡流的防止:
电动机、变压器的线圈中有变化的电流,因而在铁芯中产生了涡流,不仅浪费了能量,还可能损坏电器,因此,要想办法减小涡流。为了达到减小涡流的目的,采用了电阻率大的硅钢做铁芯的材料,并把硅钢做成彼此绝缘的薄片,这样,就大大减小了涡流。 3.涡流的利用:
用来冶炼合金钢的真空冶炼炉,炉外有线圈,线圈中通入反复变化的电流,炉内的金属中就产生涡流。涡流产生的热量使金属达到很高的温度并熔化。利用涡流冶炼金属的优点是整个过程能在真空中进行,这样就能防止空气中的杂质进入金属,可以冶炼高质量的合金。
要点十、电磁阻尼
当导体在磁场中运动时,如果导体中出现涡流,即感应电流,则感应电流会使导体受到安培力作用,安培力的方向总是阻碍导体的运动,这种现象叫做电磁阻尼。 要点诠释:
电磁阻尼在实际中有很多应用,课本上讲的使电学仪表的指针很快的停下来,就是电磁阻尼作用。电磁阻尼还常用于电气机车的电磁制动器中。
要点十一、电磁驱动
如果磁场相对于导体运动,在导体中会产生感应电流,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,这种作用叫做电磁驱动。
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电磁驱动的原因分析:如图所示,当蹄形磁铁转动时,穿过线圈的磁通量发生变化,由楞次定律知,线圈中有感应电流产生,以阻碍磁通量变化,线圈会跟着一起转动起来。 要点诠释:
(1)线圈转动方向和磁铁转动方向相同,但转速小于磁铁转速,即同向异步。
(2)下一章要介绍的感应电动机、家庭中用的电能表、汽车上用的电磁式速度表,就是利用这种电磁驱动。
【典型例题】
类型一、互感现象产生的条件
例1.如图所示,在同一平面内的a、b两线圈,当开关S闭合和断开瞬间,b线圈中感应电流的方向如何?
【答案】S闭合瞬间,b线圈中产生顺时针方向的电流;S断开瞬间,b线圈中产生逆时针方向的电流
【解析】本题考查楞次定律和互感现象的产生条件。
当开关S闭合的瞬间,a线圈中有电流I通过,由安培定则可知其将在。线圈周围产生磁场,该磁场从b线圈内垂直纸面穿出,使b线圈中的磁通量增大,由楞次定律可知b线圈中将产生感应电流,感应电流的磁场方向应与a线圈中电流产生的磁场方向相反即垂直纸面向里,再由安培定则可判定b中感应电流方向应是顺时针方向。
当开关S断开的瞬间,电流I所产生的磁场穿过b线圈的磁通量减少,这时b线圈内将产生感应电流,感应电流的磁场方向与原磁场方向相同即垂直纸面向外,再由安培定则可判定b中感应电流方向应是逆时针的。 【总结升华】互感现象是一种常见的电磁感应现象,它不仅发生于绕在同一铁芯上的两个线圈之间,而且可以发生于任何两个相互靠近的电路之间。
举一反三
【法拉第电磁感应定律 例3】
【变式】关于自感现象,正确的说法是( ) A.感应电流不一定和原电流方向相反
B.线圈中产生的自感电动势较大的其自感系数一定较大
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C.对于同一线圈,当电流变化较快时,线圈中的自感系数也较大
D.对于同一线圈,当电流变化越大时,线圈中产生的自感电动势也较大 【答案】A
例2. 如图所示,水平放置的两条光滑轨道上有可自由移动的金属棒PQ、当PQMN,在外力作用下运动时,MN在磁场力作用下向右运动,则PQ所做的运动可能是( )
A.向右匀加速运动 B.向左匀加速运动 C.向右匀减速运动 D.向左匀减速运动
【答案】BC
【解析】这是一道涉及互感现象的问题,当MN棒中有感应电流,受安培力的作用而向右运动时,由左手定则可判断出MN中电流的方向是由M流至N,此电流在L1中产生的磁场的方向是向上的。
若PQ棒向右运动,由右手定则及安培定则可知L2产生的磁场的方向也是向上的。由于L1产生的磁场方向与L2产生的磁场方向相同,可知L2产生的磁场的磁通量是减少的,故
PQ棒做的是向右的匀减速运动。C选项是可能的。
若PQ棒向左运动,则它产生的感应电流在L2中产生的磁场是向下的,与L1产生的磁场方向是相反的,由楞次定律可知如中的磁场是增强的,故PQ棒做的是向左的匀加速运动。B选项是可能的。
【总结升华】该题综合应用了左手定则、右手定则、安培定则和楞次定律。用手判别方向时务必分清使用左右手。
【法拉第电磁感应定律 例9】
【变式】如图所示,闭合金属环从高h的曲面滚下,又沿曲面的另一侧上升,设闭合环初速为零,摩擦不计,则( )
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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
类型二、断电自感现象
例3.如图所示的(a)、(b)两个电路中,电阻R和自感线圈L的电阻值都小,且小于灯泡A的电阻,接通开关S,使电路达到稳定,灯泡A发光,则( )
A.在电路(a)中,断开S后,A将逐渐变暗
B.在电路(a)中,断开S后,A将先变得更亮,然后逐渐变暗 C.在电路(b)中,断开S后,A将逐渐变暗
D.在电路(b)中,断开S后,A将先变得更亮,然后逐渐变暗
【答案】AD
【解析】本题考查了对断电时产生的自感电动势的阻碍作用的理解。 在电路断开时,电感线圈的自感电动势阻碍原电流的减小,此时电感线圈在电路中相当于一个电源,表现在两个方面:一是自感电动势所对应的电流方向与原电流方向一致;二是在断电瞬间,自感电动势所对应的电流大小与原电流的大小相等,以后以此电流开始缓慢减小到零。
(a)图中,灯A与电感线圈L在同一个支路中,流过的电流相同,当断开开关S时,灯A将逐渐变暗;(b)图中,断开S时,A中的电流立即为零,但由于自感,电感线圈L中将维持本身的电流不变,且IL>IA,所以灯A亮一下才逐渐熄灭,综上所述选A、D。 【总结升华】在自感现象中,断开开关之后灯泡是立即熄灭还是过一会儿再熄灭,要看断开开关后电灯是否能与其他元件组成回路,若电路变成不闭合的电路,则灯泡一定立即熄灭。灯泡能否会闪一下,也要看题中的条件,若灯与电感线圈L原来串联,电流大小相等,断开开关之后灯泡中的电流只能逐渐变小,不可能出现闪一下情况;而灯泡与电感线圈L原来并联,且电路稳定时,电感中的电流远大于灯泡中的电流,这样断开开关后,灯泡中的电流有一个突然增大的瞬间,灯泡才会闪一下。
举一反三
【法拉第电磁感应定律 例4】
【变式】图为一演示实验电路图,图中L是一带铁心的线圈,A是一灯泡,电键K处于闭合状态,电路是接通的.现将电键K打开,则在电路切断的瞬间,通过灯泡A的电流
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方向是从_______端到________端.这个实验是用来演示_________现象的.
【答案】a,b,自感
类型三、通电自感现象
例4.(2014 南通调研)如图所示,A、B、C是3个完全相同的灯泡,L是一个自感系数较大的线圈(直流电阻可忽略不计)。则( )
A.S闭合时,A灯立即亮,然后逐渐熄灭 B.S闭合时,B灯立即亮,然后逐渐熄灭 C.电路接通稳定后,3个灯亮度相同
D.电路接通稳定后,S断开时,C灯立即熄灭 【答案】A
【解析】因线圈L的自感系数较大且直流电阻可忽略不计,S闭合时,A灯立即亮,然后逐渐熄灭,A正确。S闭合时,B灯先不太亮,然后变亮,B错误。电路接通稳定后,B、C灯亮度相同,A灯不亮,C错误。电路接通稳定后,S断开时,C灯逐渐熄灭,D错误。 【总结升华】分析自感现象时要抓住两点:一是线圈在电路中的位置、结构;二是电路中原有电流的变化规律,如电流方向、电流突然变化的情况等。
类型四、正确理解自感电动势
例5.如图所示,L为自感系数较大的线圈,电路稳定后小灯泡正常发光,当断开开关S的瞬间会有( )
A.灯A立即熄灭 B.灯A慢慢熄灭
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C.灯A突然闪亮一下再慢慢熄灭 D.灯A突然闪亮一下再突然熄灭
【答案】A
【解析】本题考查对自感电动势的正确理解,关键是看到断开开关,电路断路,线圈中虽然产生感应电动势,但不能形成感应电流,故灯A立即熄灭,故选A。
【总结升华】该题易和自感现象演示实验中的现象(灯闪亮一下再熄灭)相混淆,错选成C。自感现象中要形成感应电流,电路必须是通路。
举一反三
【法拉第电磁感应定律 例6】 【变式】如图所示电路,线圈L电阻不计,则( )
A.S闭合瞬间,A板带正电,B板带负电 B.S保持闭合,A板带正电,B板带负电 C.S断开瞬间,B板带正电,A板带负电
D.由于线圈电阻不计,电容器被短路,上述三种情况电容器两板都不带电
【答案】AC
类型五、自感现象在电路中的应用
例6.(2014 临沂期末)如图所示的电路中,L为一个自感系数很大、直流电阻不计的线圈,D1、D2是两个完全相同的电灯,E是内阻不计的电源.t=0时刻,闭合开关S,经过一段时间后,电路达到稳定,t1时刻断开开关S,I1、I2分别表示通过电灯D1和D2中的电流,规定图中箭头所示方向为电流正方向,以下各图中能定性描述电流I随时间t变化关系的是( )
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【答案】AC
【解析】当S闭合时,L的自感作用会阻碍其中的电流变大,电流从D1流过;当L的阻碍作用变小时,L中的电流变大,D1中的电流变小至零;D2中的电流为电路总电流,电流流过D1时,电路总电阻较大,电流较小,当D1中电流为零时,电流流过L与D2,总电阻变小,电流变大至稳定;当S再断开时,D2马上熄灭,D1与L组成回路,由于L的自感作用,D1慢慢熄灭,电流反向且减小;综上所述知选项A、C正确.
【总结升华】一要抓住自感现象中线圈中电流瞬时不变,二要既考虑电流大小又考虑电流方向。
举一反三
【法拉第电磁感应定律 例5】
【变式】在如图所示的电路中,两个相同的小灯泡L1和L2分别串联一个带铁芯的电感线圈L和一个滑动变阻器R。闭合开关S后,调整R,使L1和L2发光的亮度一样,此时流过两个灯泡的电流均为I。
'
'然后,断开S。若t时刻再闭合S,则在t前后的一小段时间内,正确反映流过L1的电流i1、流过L2的电流i2随时间t变化的图像是( )
【答案】B
类型六、自感现象的应用和防止
例7.在如图所示的四个日光灯的接线图中,S1为启动器,S2为开关,L为镇流器。能使日光灯正常发光的是( )
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【答案】AC 【解析】日光灯工作时,电流通过镇流器,灯丝和启动器构成回路,使启动器发出辉光,相当于启动器短路接通,同时电流加热灯丝,灯丝发射电子,镇流器起控制电流的作用,之后启动器断开瞬间,镇流器产生很大的自感电动势,出现一个高电压加在灯管两端,灯管中的气体放电、发光,此时启动器已无作用。所以启动器可用手动的开关来代替(实际操作时,因启动器丢失或损坏时,可手持带绝缘皮的导线短接启动后再断开)。另外,D图的错误是灯管的灯丝短路。 【总结升华】日光灯电路是自感现象在实际中的主要应用,产生自感电动势的电路原件是镇流器。
举一反三
【法拉第电磁感应定律 例2】
【变式】如图所示是一种延时开关,当S1闭合时,电磁铁F将衔铁D吸下,C线路接通。当S1断开时,由于电磁感应作用,D将延迟一段时间才被释放。对于这个延时开关的工作情况,下列说法中正确的是( )
A.由于A线圈的电磁感应作用,才产生延时释放D的作用
B.由于B线圈的电磁感应作用,才产生延时释放D的作用
C.如果断开B线圈的电键S2,无延时作用 D.如果断开B线圈的电键S2,延时将变长
【答案】BC
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例8.在制作精密电阻时,为了消除使用过程中由于电流变化而引起的自感现象,采用双线并绕的方法,如图所示。其原理是( )
A.当电路中的电流变化时,两股导线产生的自感电动势相互抵消 B.当电路中的电流变化时,两股导线产生的感应电流相互抵消 C.当电路中的电流变化时,两股导线中原电流的磁通量相互抵消 D.以上说法都不对
【答案】C
【解析】本题考查了自感现象的防止。
由于采用双线并绕的方法,当电流通过时,两股导线中的电流方向是相反的,不管电流怎样变化,任何时刻两股电流总是等大反向的,所产生的磁通量也是等大反向的,故总磁通量等于零,在该线圈中不会产生电磁感应现象,因此消除了自感,选项A、B错误,只有C正确。
【总结升华】这是在技术中消除自感现象的一个实例。本例中双线并绕线圈中无磁通量,也就无磁通量的变化,因此无电磁感应现象发生。
举一反三
【法拉第电磁感应定律 例1】
【变式】在无线电仪器中,常需要在距离较近处安装两个线圈,并要求当一个线圈中有电流变化时,对另一个线圈中的电流的影响尽量小。则图中两个线圈的相对安装位置最符合该要求的是 ( )
【答案】D
类型七、涡流的应用
例9.变压器的铁芯是利用薄硅钢片叠压而成,而不采用一块整硅钢,这是为了( ) A.增大涡流,提高变压器的效率 B.减小涡流,提高变压器的效率 C.增大涡流,减小铁芯的发热量 D.减小涡流,减小铁芯的发热量
【答案】BD
【解析】本题考查涡流的基本特点。涡流的主要效应之一就是发热,而变压器的铁芯发热,是我们不希望出现的。所以不采用整块硅钢,而采用薄硅钢片叠压在一起,目的应该是减小涡流,减小铁芯的发热量,进而提高变压器的效率。
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【总结升华】减小涡流的途径之一是增大铁芯材料的电阻率;另一途径就是用互相绝缘的硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯。
如图1所示,把绝缘导线绕在块状铁芯上,当变化的电流通过导线时,穿过铁芯的磁通量不断变化,铁芯中会产生很强的涡流,使铁芯大量发热,浪费大量的电能。 为了减少涡流损失,通常用的方法是:增大铁芯的电阻率同时用多层彼此绝缘的薄硅钢片叠合成铁芯。如图2所示。这样,涡流被在狭窄的薄片之内,回路的电阻很大,涡流大大减弱,涡流损失大大降低。铁芯采用硅钢片,是因为这种钢比普通钢的电阻率大,可以进一步减少涡流损失,硅钢的涡流损失只有普通钢的1/5~1/4。
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