第五节　涡流现象及其应用

[核心素养·明目标]

知识点一　涡流现象

1．涡流：整块导体内部因发生电磁感应而产生的感应电流。

2．影响涡流大小的因素：导体的外周长越长，交变磁场的频率越高，涡流就越大。

知识点二　涡流现象的应用

1．涡流的热效应

(1)电磁灶：电磁灶是涡流现象在生活中的应用，采用了磁场感应涡流的加热原理。

(2)感应加热：在感应炉中，有产生高频电流的大功率电源和产生交变磁场的线圈，其工作原理也是涡流加热。

2．涡流的机械效应

(1)电磁驱动：当磁场相对导体运动时，导体中产生的涡流使导体受到安培力，安培力使导体运动起来的现象。

(2)电磁阻尼：当磁场相对导体运动时，导体中产生的涡流使导体受到安培力，并且安培力总是阻碍导体的运动。

3．涡流的磁效应

涡流探测：通有交变电流的探测线圈，产生交变磁场，当靠近金属物时，在金属物中激起涡流，隐蔽金属物的等效电阻、电感也会反射到探测线圈中，改变通过探测线圈电流的大小和相位，从而探知金属物。

1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)涡流有热效应，但没有磁效应。  (×)

(2)把金属块放在变化的磁场中可产生涡流。 (√)

(3)涡流不是感应电流，而是一种有别于感应电流的特殊电流。

  (×)

(4)金属探测器是利用涡流现象。  (√)

(5)电表线圈用铝框作线圈骨架不是利用涡流现象。 (×)

2．如图所示，金属球(铜球)下端有通电的线圈，今把小球拉离平衡位置后释放，此后关于小球的运动情况是(不计空气阻力)(　　)

A．做等幅振动

B．做阻尼振动

C．振幅不断增大

D．无法判定

B　[小球在通电线圈磁场中运动，小球中产生涡流，故小球要受到安培力作用阻碍它的相对运动，做阻尼振动，故振幅越来越小，A、C、D错误，B正确。]

3．下列做法中可能产生涡流的是(　　)

A．把金属块放在匀强磁场中

B．让金属块在匀强磁场中做匀速运动

C．让金属块在匀强磁场中做变速运动

D．把金属块放在变化的磁场中

D　[涡流就是整个金属块中产生的感应电流，所以产生涡流的条件就是在金属块中产生感应电流的条件，即穿过金属块的磁通量发生变化。而A、B、C中穿过金属块的磁通量不变化，所以A、B、C错误；把金属块放在变化的磁场中时，穿过金属块的磁通量发生了变化，有涡流产生，所以D正确。]

考点1　对涡流的理解

如图，将通有变化电流的导线绕在铁块上。

(1)请问铁块中有感应电流吗？如果有，它的形状像什么？

(2)在上述过程中伴随着哪些能量转化？

提示：(1)有。变化的电流产生变化的磁场，根据楞次定律可知铁块中产生感应电流，它的形状像水中的旋涡，所以把它叫作涡电流，简称涡流。

(2)电能转化为磁场能，磁场能最终转化为内能。

1．涡流的产生

涡流实际上是一种特殊的电磁感应现象，当导体处在变化的磁场中，或者导体在非匀强磁场中运动时，导体内部可以等效成许许多多的闭合电路，当穿过这些闭合电路的磁通量变化时，在导体内部的这些闭合电路中将产生感应电流，即导体内部产生了涡流。

2．涡流的特点

(1)电流强：当电流在金属块内自成闭合回路(产生涡流)时，由于整块金属的电阻很小，涡流往往很强。

(2)功率大：根据公式P＝I2R知，热功率的大小与电流的平方成正比，故金属块的发热功率很大。

3．能量转化

伴随着涡流现象，常见以下两种能量转化。

(1)如果金属块放在了变化的磁场中，则磁场能转化为电能，最终转化为内能；

(2)如果是金属块进出磁场或在非匀强磁场中运动，则由于克服安培力做功，金属块的机械能转化为电能，最终转化为内能。

【典例1】　如图所示，在光滑水平桌面上放一条形磁铁，分别将大小相同的铁球、铝球和木球放在磁铁的一端且给它一个初速度，让其向磁铁滚去，观察小球的运动情况(　　)

甲　　　　　　　乙

丙

A．都做匀速运动

B．铁球、铝球都做减速运动

C．铁球做加速运动，铝球做减速运动

D．铝球、木球做匀速运动

C　[铁球靠近磁铁时被磁化，与磁铁之间产生相互吸引的作用力，故铁球将加速运动；铝球不易被磁化，铝球向磁铁靠近时，穿过它的磁通量发生变化，因此在其内部产生涡流，涡流产生的感应磁场对原磁场的变化起阻碍作用，所以铝球向磁铁运动时会受阻碍而减速；木球为非金属，既不能被磁化，也不产生涡流现象，所以磁铁对木球不产生力的作用，木球将做匀速运动。综上所述，C项正确。]

涡流现象的分析方法

(1)涡流是整块导体中发生的电磁感应现象，分析涡流一般运用楞次定律和法拉第电磁感应定律。

(2)导体内部可以等效为许多闭合电路。

(3)导体内部发热的原理是电流的热效应。

1．电磁炉是利用电磁感应现象产生的涡流，使锅体发热从而加热食物。下列相关的说法中正确的是(　　)

A．锅体中涡流的强弱与磁场变化的频率有关

B．电磁炉中通入电压足够高的直流电也能正常工作

C．金属或环保绝缘材料制成的锅体都可以利用电磁炉来烹饪食物

D．电磁炉的上表面一般都是用金属材料制成，以加快热传递减少热损耗

A　[锅体中涡流的强弱与磁场变化的频率有关，故A正确；直流电不能产生变化的磁场，在锅体中不能产生感应电流，电磁炉不能使用直流电，故B错误；锅体只能用铁磁性导体材料，不能使用绝缘材料制作锅体，故C错误；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，电磁炉上表面要用绝缘材料制作，故D错误。]

考点2　电磁阻尼与电磁驱动

一个闭合线圈放在蹄形磁铁的两磁极之间，如图所示，蹄形磁铁和闭合线圈都可以绕OO′轴转动。当蹄形磁铁顺时针转动时线圈也顺时针转动，当磁铁逆时针转动时线圈也逆时针转动。

试分析线圈转动起来的动力是什么力？线圈的转动速度与磁铁的转动速度相同吗？

提示：线圈内产生感应电流受到安培力的作用，安培力作为动力使线圈转动起来。线圈的转速小于磁铁的转速。

电磁阻尼与电磁驱动的比较

【典例2】　如图所示，在一蹄形磁铁下面放一个铜盘，铜盘和磁铁均可以自由绕OO′轴转动，两磁极靠近铜盘，但不接触，当磁铁绕轴转动时，铜盘将(　　)

A．以相同的转速与磁铁同向转动

B．以较小的转速与磁铁同向转动

C．以相同的转速与磁铁反向转动

D．静止不动

[思路点拨]　①磁铁转动时，铜盘中会产生涡流。②由楞次定律可分析铜盘的转动。

B　[因磁铁的转动，引起铜盘中磁通量发生变化而产生感应电流，进而受安培力作用而发生转动，由楞次定律可知安培力的作用是阻碍相对运动，所以铜盘与磁铁同向转动，又由产生电磁感应的条件可知，铜盘中能产生电流的条件必须是磁通量发生变化。故铜盘转动方向与磁铁相同而转速较小，不能与磁铁同速转动，所以正确选项是B。]

对电磁阻尼和电磁驱动的理解

(1)电磁阻尼是感应电流所受的安培力对导体做负功，阻碍导体运动；而电磁驱动是感应电流所受的安培力对导体做正功，推动导体的运动。

(2)在两种情况下，安培力均是阻碍导体与磁场之间的相对运动。

(3)在电磁驱动中，主动部分的速度(或角速度)大于被动部分的速度(或角速度)。

(4)电磁阻尼和电磁驱动都是电磁感应现象，均可以根据楞次定律和左手定则分析导体的受力情况。

2．如图所示，用丝线悬挂闭合金属环，悬于O点，第一种情况是虚线左边有匀强磁场，右边没有磁场。第二种情况是整个空间都有向外的匀强磁场，金属环的摆动情况是(　　)

A．两种情况都经过相同的时间停下来

B．第一种情况先停下来

C．第二种情况先停下来

D．无法确定

B　[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，环内一定会有感应电流产生，根据楞次定律可知将会阻碍相对运动，所以摆动会很快停下来，这就是电磁阻尼现象。也可以用能量守恒来解释，既然有电流产生，就一定有一部分机械能向电能转化，最后电能通过导体转化为内能。若空间都有匀强磁场，穿过金属环的磁通量不变化，因此不产生感应电流，也就不会阻碍相对运动，摆动就不会很快停下来。故选B。]

1．如图所示，在一个绕有线圈的可拆变压器铁芯上分别放一小铁锅水和一玻璃杯水。给线圈通入电流，一段时间后，一个容器中水温升高，则通入的电流与水温升高的是(　　)

A．恒定直流、小铁锅　　 B．恒定直流、玻璃杯

C．变化的电流、小铁锅   D．变化的电流、玻璃杯

C　[通入恒定电流时，所产生的磁场不变，不会产生感应电流，通入变化的电流，所产生的磁场发生变化，在空间产生感生电场，铁锅是导体，感生电场在导体内产生涡流，电能转化为内能，使水温升高。涡流是由变化的磁场在导体内产生的，所以玻璃杯中的水不会升温，故C正确。]

2．(多选)如图所示，在线圈上端放置一盛有冷水的金属杯，现接通交流电流，过了几分钟，杯内的水沸腾起来。若要缩短上述加热时间，下列措施可行的有(　　)

A．增加线圈的匝数

B．提高交流电源的频率

C．将金属杯换为瓷杯

D．取走线圈中的铁芯

AB　[当电磁铁接通交流电源时，金属杯处在变化的磁场中产生涡电流发热，使水温升高。要缩短加热时间，需增大涡电流，即增大感应电动势或减小电阻。增加线圈匝数、提高交变电流的频率都能增大感应电动势，瓷杯不能产生涡电流，取走铁芯会导致磁性减弱加热时间变长。所以选项A、B正确，选项C、D错误。]

3．(多选)如图所示，磁电式仪表的线圈通常是用铝框做骨架，把线圈绕在铝框上，这样做的目的是(　　)

A．防止涡流而设计的   B．利用涡流而设计的

C．起电磁阻尼的作用   D．起电磁驱动的作用

BC　[线圈通电后在安培力作用下转动，铝框随之转动，在铝框内产生涡流，涡流将阻碍线圈的转动，使线圈偏转后尽快停下来，这样做是利用涡流来起电磁阻尼的作用。]

4．(多选)位于光滑水平面的小车上水平固定一螺线管，一个比螺线管长的条形磁铁沿着螺线管的轴线以初速度v0穿入螺线管，并最终穿出，如图所示，在此过程中(　　)

A．磁铁做匀速直线运动

B．磁铁做减速运动

C．小车向右做加速运动

D．小车先加速后减速

BC　[磁铁水平穿入螺线管时，螺线管中将产生感应电流，由楞次定律可知产生的感应电流将阻碍磁铁的运动；同理，磁铁穿出时，由楞次定律可知产生的感应电流将阻碍磁铁的运动，故整个过程中，磁铁做减速运动，选项A错误，B正确。对于小车上的螺线管来说，螺线管受到的安培力方向始终为水平向右，这个安培力使螺线管和小车向右运动，且一直做加速运动，选项C正确，D错误。]

5．(多选)如图所示是用涡流金属探测器探测地下金属物的示意图，下列说法中正确的是(　　)

A．探测器内的探测线圈会产生变化磁场

B．只有有磁性的金属物才会被探测器探测到

C．探测到地下的金属物是因为探头中产生了涡流

D．探测到地下的金属物是因为金属物中产生了涡流

AD　[探测器内线圈通有变化电流产生变化磁场，A正确；若有金属，则金属中会产生涡流，涡流磁场反过来影响线圈中的电流，使仪器报警。D正确。]