组卷网 > 高中物理综合库 > 电磁学 > 电磁感应 > 自感和涡流 > 涡流 > 涡流的原理、应用与防止
题型:解答题 难度:0.4 引用次数:1261 题号:4761507
涡流制动是一种利用电磁感应原理工作的新型制动方式,它的基本原理如图甲所示.水平面上固定一块铝板,当一竖直方向的条形磁铁在铝板上方几毫米高度上水平经过时,铝板内感应出的涡流会对磁铁的运动产生阻碍作用.涡流制动是磁悬浮列车在高速运行时进行制动的一种方式.某研究所制成如图乙所示的车和轨道模型来定量模拟磁悬浮列车的涡流制动过程.车厢下端安装有电磁铁系统,能在长为L1=0.6m,宽L2=0.2m的矩形区域内产生竖直方向的匀强磁场,磁感应强度可随车速的减小而自动增大(由车内速度传感器控制),但最大不超过B1=2T,将铝板简化为长大于L1,宽也为L2的单匝矩形线圈,间隔铺设在轨道正中央,其间隔也为L2,每个线圈的电阻为R1=0.1Ω,导线粗细忽略不计.在某次实验中,模型车速度为v=20m/s时,启动电磁铁系统开始制动,车立即以加速度a1=2m/s2做匀减速直线运动,当磁感应强度增加到B1时就保持不变,直到模型车停止运动.已知模型车的总质量为m1=36kg,空气阻力不计.不考虑磁感应强度的变化引起的电磁感应现象以及线圈激发的磁场对电磁铁产生磁场的影响.

(1)电磁铁的磁感应强度达到最大时,模型车的速度为多大?
(2)模型车的制动距离为多大?
(3)为了节约能源,将电磁铁换成若干个并在一起的永磁铁组,两个相邻的磁铁磁极的极性相反,且将线圈改为连续铺放,如图丙所示,已知模型车质量减为m2=20kg,永磁铁激发的磁感应强度恒为B2=0.1T,每个线圈匝数为N=10,电阻为R2=1Ω,相邻线圈紧密接触但彼此绝缘.模型车仍以v=20m/s的初速度开始减速,为保证制动距离不大于80m,至少安装几个永磁铁?

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【推荐1】麦克斯韦电磁理论认为:变化的磁场会在空间激发一种电场,这种电场与静电场不同,称为感生电场或涡旋电场.
在如图甲所示的半径为r的圆形导体环内,存在以圆环为边界竖直向上的匀强磁场,磁感应强度大小随时间的变化关系为B=kt (k>0且为常量).该变化的磁场会在空间产生圆形 的涡旋电场,如图乙所示,涡旋电场的电场线与导体环具有相同圆心的同心圆,同一电场线 上各点场强大小相同,方向沿切线.导体环中的自由电荷就会在感生电场的作用下做定向运动,产生感应电流,或者说导体中产生了感应电动势,涡旋电场力充当非静电力,其大小与涡旋电场的场强E关系满足F=Eq.

(1)根据法拉第电磁感应定律,推导导体环中产生的感 应电动势
(2)在乙图中以圆心O为坐标原点,向右建立一维x 坐标轴,推导在x轴上各处电场强度的大小Ex之间的 函数表达式,在图中定性画出E-x图像;
(3)图丙为乙的俯视图,去掉导体环,在磁场圆形边 界上有M、N两点之间所夹的小圆弧恰为整个圆周 1/6;将一个带电量为+q的带电小球沿着圆弧分别顺时针、逆时针从M移动到N,求涡旋电场力分别所做的功.在此基础上,对比涡旋 电场和静电场,说明涡旋电场中为什么不存在电势的概念.
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【推荐2】五、电磁炉
冬天,很多人喜欢用电磁炉吃火锅,如图所示是电磁炉面板下方的线圈,绕线圈的金属丝直径,电阻率

1.如图所示,电磁炉是利用感应电流(涡流)的加热原理工作的。下列说法,正确的是(  )

A.电磁炉面板采用耐油非金属材料,发热部分为铁锅底部
B.电磁炉面板采用金属材料,通过面板发热加热锅内食品
C.电磁炉可用陶瓷器皿作为锅具对食品加热
D.可通过改变电子线路的频率来改变电磁炉的功率
E.电磁炉和微波炉加热食物原理是相同的
2.小谢同学把线圈拆了下来,要测量电磁炉内金属丝的长度:
(1)首先用伏安法测金属丝电阻,根据实验电路图(a),用笔画线代替导线,在实物图(b)中完成接线。___________

(2)如果测得金属丝的电阻为,电磁炉内组成线圈的金属丝总长度为___________(保留两位有效数字)
3.小易同学课后自制了一个简易无线充电装置给充电限制电压为的手机充电,装置由一个电磁炉(发射线圈)、一个接收线圈、一个二极管、一个车载充电器构成,发射线圈、接收线圈匝数比为,若电磁炉内部线圈两端所加电压为,不考虑充电过程中的各种能量损失。则下列说法正确的是(  )

A.接收线圈两端电压的有效值约为B.通过车载充电器的电流为交流电
C.接收线圈内电流方向变化50次D.用电压表测得的接收线圈两端电压约为
4.三峡水利某电厂对用户进行供电的原理如图所示,发电机的输出电压为,该电厂到上海直线距离为1700公里,假设输电线沿直线铺设到上海输电线采用截面积为电磁炉内金属丝1000倍的同材质电缆,为了减小损耗采用了高压输电,变压器视为理想变压器,其中升压变压器的匝数比为,用户获得的电压为,发电厂的输出功率为,输电线上的电流是___________A,输电线上损耗的电功率为___________W, ___________V,降压变压器原副线圈匝数比___________

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【推荐3】电磁炉专用平底锅的锅底和锅壁均由耐高温绝缘材料制成。起加热作用的是安在锅底的一系列半径不同的同心导电环,如图所示(图中没有画出所有的圆环)。导电环所用的材料每米的电阻,从中心向外第n个同心圆环的半径为n为正整数且),已知。当电磁炉开启后,能产生垂直于锅底方向的变化磁场,已知该磁场的磁感应强度B的变化率为。忽略同心导电圆环感应电流之间的相互影响,不计其他电磁辐射等损失。(取
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