■江蘇省揚(yáng)中高級中學(xué) 劉風(fēng)華

關(guān)注電磁感應(yīng)現(xiàn)象 備考三類特殊應(yīng)用

■江蘇省揚(yáng)中高級中學(xué) 劉風(fēng)華

互感、自感和渦流是三類特殊的電磁感應(yīng)現(xiàn)象,它們在生產(chǎn)生活中有著廣泛的應(yīng)用,高考試題往往會以此為背景材料,因此同學(xué)們在2017年的高考備考過程中應(yīng)該給予該部分內(nèi)容以高度的關(guān)注。

一、關(guān)于互感

互感,顧名思義是(兩組線圈)相互感應(yīng)。高考對互感的考查,主要有變壓器的動態(tài)討論問題和遠(yuǎn)距離輸電問題。

如圖1所示是一種理想自耦變壓器示意圖。線圈繞在一個圓環(huán)形的鐵芯上,P是可移動的滑動觸頭。A、B間接交流電壓u,輸出端接有兩個相同的燈泡L1和L2,Q為滑動變阻器的滑動觸頭。當(dāng)開關(guān)S閉合,觸頭P處于如圖所示的位置時,兩燈泡均能發(fā)光。下列說法正確的是( )。

圖1

A.P不動,將Q向右移動,變壓器的輸入功率變大

B.P、Q都不動,斷開開關(guān)S,燈泡L1將變亮

C.P不動,將Q向左移動,兩燈泡均變亮

D.Q不動,將P沿逆時針方向移動,變壓器的輸入功率變大

解析：P不動,將Q向右移動,滑動變阻器接入電路的電阻增大,副線圈兩端的電壓不變,電流減小,輸出功率變小,輸入功率也變小,選項A錯誤。P、Q都不動,斷開開關(guān)S,負(fù)載電阻增大,燈泡L1獲得的分壓變大,變亮,選項B正確。P不動,將Q向左移動,滑動變阻器接入電路的電阻減小,副線圈中的電流增大,兩燈泡中的電流均增大,變亮,選項C正確。Q不動,將P沿逆時針方向移動,副線圈兩端的電壓增大,根據(jù)知輸出功率變大,則輸入功率也變大,選項D正確。答案為BCD。

點(diǎn)評:本題是關(guān)于變壓器的動態(tài)討論問題。自耦變壓器的原副線圈之間通過互感作用,實(shí)現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)移。

某一水電站的發(fā)電機(jī)組設(shè)計為:水以v1=3m/s的速度流入水輪機(jī)后以v2= 1m/s的速度流出,流出水位與流入水位的高度差h=9.6m,水流量Q=10m3/s。水輪機(jī)效率η1=75%,發(fā)電機(jī)效率η2=80%,取重力加速度g=10m/s2,水的密度ρ=1× 103kg/m3。試問:

(1)發(fā)電機(jī)的輸出功率是多少?

(2)如果發(fā)電機(jī)的輸出電壓為240V,用戶所需電壓為220V,輸電線路中的能量損耗為5%,輸電線的總電阻為12Ω,那么所需升壓變壓器、降壓變壓器的原副線圈匝數(shù)比分別是多少?

解析：(1)時間t內(nèi),流入水輪機(jī)的水的質(zhì)量m=ρQt,發(fā)電機(jī)的輸出電能E=因此發(fā)電機(jī)的輸出功率

線級線圈兩端的電壓U1=240V,因此升壓變壓器原副線圈匝數(shù)比輸電線損失的電壓U損=I線R,降壓變壓器初級線圈兩端的電壓U3=U2-U損=1.14×104V,次級線圈兩端的電壓U4=220V,因此降壓變壓器原副線圈匝數(shù)比

點(diǎn)評:在高壓輸電線路中,必須要有兩個變壓器,先將發(fā)電廠輸出的電壓進(jìn)行升壓,以最大限度地減少電能在遠(yuǎn)距離輸送過程中的損失,到達(dá)目的地后,再利用降壓變壓器根據(jù)用戶需求進(jìn)行降壓。

二、關(guān)于自感

圖2

自感,就是(一個線圈)感應(yīng)自己,是由于線圈自身電流發(fā)生變化而引起的電磁感應(yīng)現(xiàn)象。自感分為通電自感和斷電自感。如圖2所示是日光燈的電路圖,它主要由燈管、鎮(zhèn)流器和啟動器組成,其中鎮(zhèn)流器是一個帶鐵芯的線圈。下列說法正確的是( )。

A.在開燈時,鎮(zhèn)流器發(fā)揮自感作用,產(chǎn)生與電源相同方向的電壓

B.在開燈時,鎮(zhèn)流器發(fā)揮自感作用,產(chǎn)生與電源相反方向的電壓

C.在熄燈時,鎮(zhèn)流器發(fā)揮自感作用,燈管要亮一會兒才熄滅

D.在熄燈時,鎮(zhèn)流器不發(fā)揮自感作用,燈管立刻熄滅

解析：在開燈時,電源電壓先把啟動器導(dǎo)通,在啟動器切斷的瞬間,鎮(zhèn)流器發(fā)揮斷電自感的作用,產(chǎn)生一個與電源電壓相同方向的瞬時高壓,兩電壓同向疊加,使燈管發(fā)光,選項A正確、B錯誤。在熄燈前,鎮(zhèn)流器、燈管與電源串聯(lián)構(gòu)成回路,開關(guān)斷開時,鎮(zhèn)流器無法發(fā)揮斷電自感作用,則燈管立刻熄滅,選項C錯誤、D正確。答案為AD。

點(diǎn)評:鎮(zhèn)流器在開燈時發(fā)揮自感作用,產(chǎn)生瞬時高壓,使日光燈管內(nèi)壁的熒光物質(zhì)發(fā)光。在燈管正常發(fā)光時,鎮(zhèn)流器的自感一直存在,起降壓限流的作用。

在一些高壓直流電路中含有自感系數(shù)很大的線圈,當(dāng)電路中的開關(guān)S斷開時,線圈會產(chǎn)生很大的自感電動勢,使開關(guān)S處產(chǎn)生電弧,危及操作人員的人身安全。為了避免電弧的產(chǎn)生,可在線圈處并聯(lián)一個元件,如圖3所示的四個方案可行的是( )。

解析：要消除電弧,就要尋找一個放電的途徑。選項A的電容要放電,會增強(qiáng)電弧;選項C的空導(dǎo)線把線圈短路,線圈就沒有自感作用;線圈放電時,小回路中的放電電流沿順時針方向,選項D中二極管可以起到所需的放電作用。答案為D。

圖3

三、關(guān)于渦流

渦流,簡而言之就是旋渦狀的電流。應(yīng)用渦流的電熱,可以做成高溫熔爐,冶煉難以熔化的金屬。有些磁電式儀表和電氣機(jī)車的電磁制動是應(yīng)用渦流受到的安培阻力而實(shí)現(xiàn)迅速制動的。如圖4所示,曲面與豎直平面的交線是拋物線,拋物線的方程是y=x2,下半部處在一個水平方向的勻強(qiáng)磁場中,磁場的上邊界是y=a的直線(圖中虛線所示)。一個小金屬塊從拋物線上y= b(b〉a)處以初速度v沿拋物線下滑,設(shè)拋物線足夠長,則小金屬塊沿拋物線下滑后產(chǎn)生的焦耳熱總量是( )。

圖4

A.mgb B.mg(b-a)

解析：在小金屬塊進(jìn)出磁場的過程中,小金屬塊內(nèi)部產(chǎn)生渦流,其機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電熱,小金屬塊在光滑曲面上往返運(yùn)動,在y=a處速度為零,由能量守恒定律得Q=mg(ba)+mv2。答案為D。

點(diǎn)評:小金屬在穿越磁場邊界時產(chǎn)生渦流,渦流使得小金屬塊的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電熱,因此小金屬塊最終將恰好完全浸沒在磁場中。

(責(zé)任編輯 張 巧)