关注电磁感应现象 备考三类特殊应用

■江苏省扬中高级中学 刘风华

关注电磁感应现象 备考三类特殊应用

■江苏省扬中高级中学 刘风华

互感、自感和涡流是三类特殊的电磁感应现象,它们在生产生活中有着广泛的应用,高考试题往往会以此为背景材料,因此同学们在2017年的高考备考过程中应该给予该部分内容以高度的关注。

一、关于互感

互感,顾名思义是(两组线圈)相互感应。高考对互感的考查,主要有变压器的动态讨论问题和远距离输电问题。

如图1所示是一种理想自耦变压器示意图。线圈绕在一个圆环形的铁芯上,P是可移动的滑动触头。A、B间接交流电压u,输出端接有两个相同的灯泡L1和L2,Q为滑动变阻器的滑动触头。当开关S闭合,触头P处于如图所示的位置时,两灯泡均能发光。下列说法正确的是( )。

图1

A.P不动,将Q向右移动,变压器的输入功率变大

B.P、Q都不动,断开开关S,灯泡L1将变亮

C.P不动,将Q向左移动,两灯泡均变亮

D.Q不动,将P沿逆时针方向移动,变压器的输入功率变大

解析：P不动,将Q向右移动,滑动变阻器接入电路的电阻增大,副线圈两端的电压不变,电流减小,输出功率变小,输入功率也变小,选项A错误。P、Q都不动,断开开关S,负载电阻增大,灯泡L1获得的分压变大,变亮,选项B正确。P不动,将Q向左移动,滑动变阻器接入电路的电阻减小,副线圈中的电流增大,两灯泡中的电流均增大,变亮,选项C正确。Q不动,将P沿逆时针方向移动,副线圈两端的电压增大,根据知输出功率变大,则输入功率也变大,选项D正确。答案为BCD。

点评:本题是关于变压器的动态讨论问题。自耦变压器的原副线圈之间通过互感作用,实现电能的转移。

某一水电站的发电机组设计为:水以v1=3m/s的速度流入水轮机后以v2= 1m/s的速度流出,流出水位与流入水位的高度差h=9.6m,水流量Q=10m3/s。水轮机效率η1=75%,发电机效率η2=80%,取重力加速度g=10m/s2,水的密度ρ=1× 103kg/m3。试问:

(1)发电机的输出功率是多少?

(2)如果发电机的输出电压为240V,用户所需电压为220V,输电线路中的能量损耗为5%,输电线的总电阻为12Ω,那么所需升压变压器、降压变压器的原副线圈匝数比分别是多少?

解析：(1)时间t内,流入水轮机的水的质量m=ρQt,发电机的输出电能E=因此发电机的输出功率

线级线圈两端的电压U1=240V,因此升压变压器原副线圈匝数比输电线损失的电压U损=I线R,降压变压器初级线圈两端的电压U3=U2-U损=1.14×104V,次级线圈两端的电压U4=220V,因此降压变压器原副线圈匝数比

点评:在高压输电线路中,必须要有两个变压器,先将发电厂输出的电压进行升压,以最大限度地减少电能在远距离输送过程中的损失,到达目的地后,再利用降压变压器根据用户需求进行降压。

二、关于自感

图2

自感,就是(一个线圈)感应自己,是由于线圈自身电流发生变化而引起的电磁感应现象。自感分为通电自感和断电自感。如图2所示是日光灯的电路图,它主要由灯管、镇流器和启动器组成,其中镇流器是一个带铁芯的线圈。下列说法正确的是( )。

A.在开灯时,镇流器发挥自感作用,产生与电源相同方向的电压

B.在开灯时,镇流器发挥自感作用,产生与电源相反方向的电压

C.在熄灯时,镇流器发挥自感作用,灯管要亮一会儿才熄灭

D.在熄灯时,镇流器不发挥自感作用,灯管立刻熄灭

解析：在开灯时,电源电压先把启动器导通,在启动器切断的瞬间,镇流器发挥断电自感的作用,产生一个与电源电压相同方向的瞬时高压,两电压同向叠加,使灯管发光,选项A正确、B错误。在熄灯前,镇流器、灯管与电源串联构成回路,开关断开时,镇流器无法发挥断电自感作用,则灯管立刻熄灭,选项C错误、D正确。答案为AD。

点评:镇流器在开灯时发挥自感作用,产生瞬时高压,使日光灯管内壁的荧光物质发光。在灯管正常发光时,镇流器的自感一直存在,起降压限流的作用。

在一些高压直流电路中含有自感系数很大的线圈,当电路中的开关S断开时,线圈会产生很大的自感电动势,使开关S处产生电弧,危及操作人员的人身安全。为了避免电弧的产生,可在线圈处并联一个元件,如图3所示的四个方案可行的是( )。

解析：要消除电弧,就要寻找一个放电的途径。选项A的电容要放电,会增强电弧;选项C的空导线把线圈短路,线圈就没有自感作用;线圈放电时,小回路中的放电电流沿顺时针方向,选项D中二极管可以起到所需的放电作用。答案为D。

图3

三、关于涡流

涡流,简而言之就是旋涡状的电流。应用涡流的电热,可以做成高温熔炉,冶炼难以熔化的金属。有些磁电式仪表和电气机车的电磁制动是应用涡流受到的安培阻力而实现迅速制动的。如图4所示,曲面与竖直平面的交线是抛物线,抛物线的方程是y=x2,下半部处在一个水平方向的匀强磁场中,磁场的上边界是y=a的直线(图中虚线所示)。一个小金属块从抛物线上y= b(b〉a)处以初速度v沿抛物线下滑,设抛物线足够长,则小金属块沿抛物线下滑后产生的焦耳热总量是( )。

图4

A.mgb B.mg(b-a)

解析：在小金属块进出磁场的过程中,小金属块内部产生涡流,其机械能转化为电热,小金属块在光滑曲面上往返运动,在y=a处速度为零,由能量守恒定律得Q=mg(ba)+mv2。答案为D。

点评:小金属在穿越磁场边界时产生涡流,涡流使得小金属块的机械能转化成电热,因此小金属块最终将恰好完全浸没在磁场中。

(责任编辑 张 巧)