任务二 探究电磁感应原理及自感现象（课件）《电工技术基础与技能》上好课（高教版 · 江西版）

《电工技术基础与技能》（高教版·江西版） 上好课—中职专业课 项目四 认识电磁感应与变压器 任务二 探究电磁感应原理 及自感现象 教学目标 知识目标 1.能复述右手定则的操作方法，能完整表述楞次定律内容并解释“增反减同”。 2.能用法拉第电磁感应定律与切割电动势公式E=BLvsin计算简单情形。 能力 目标 1.会用右手定则和楞次定律四步法判断感应电流方向，能区分右手定则与左手定则的适用场合。 2.能运用E=N完成单匝、多匝线圈感应电动势的简单计算。 情感 目标 1.通过“磁生电”的探究过程体会物理规律来自实验观察，形成实事求是的科学态度。 2.在接线、通电、拆线的实训环节养成安全第一、规范操作的职业习惯与责任意识。 教学引入 观察身边四类设备，思考它们共同的物理原理： 1 风力发电机： 风吹叶片带动转子转动，线圈与磁场相对运动，输出电能。 2 电力变压器： 靠两个靠近的线圈，把一种交流电压变换成另一种交流电压。 3 家用电磁炉： 交变磁场在锅底产生涡流，直接把锅体加热。 4 动圈式话筒： 声音推动音圈在磁场中振动，把声波变成电信号。 图：发电机转子与定子的磁场耦合 没有电池供电，电流是从哪里“变”出来的？决定电流方向和大小的又是什么？ 教学引入 演示任务：按装置连接线圈与灵敏电流计，观察三种操作： 1 把条形磁铁迅速插入线圈，观察电流计指针是否偏转、向哪边偏； 2 把磁铁从线圈中迅速拔出，观察指针偏转方向是否相反； 3 磁铁在线圈中保持静止，观察指针是否还偏转。 本课驱动问题： ① 满足什么条件才能“磁生电”？② 感应电流方向由什么决定？③ 感应电动势大小由什么决定？ 图：线圈—灵敏电流计—磁铁演示装置 知识讲授：电磁感应现象 核心定义 电磁感应现象： 利用磁场产生电流的现象，叫做电磁感应现象。 感应电流： 在电磁感应现象中产生的电流，叫做感应电流。 要点提示： 电磁感应揭示了“磁可以生电”，是发电机、变压器等设备的理论基础； “磁生电”不是有磁场就有电，而是磁场条件发生变化后才在回路中产生电流。 图：电磁感应实验套装（线圈、磁铁、检流计） 传动部分 知识讲授：电磁感应现象 知识讲授：产生条件 两个必要条件缺一不可，必须同时成立： ① 电路是闭合的（闭合电路） 回路必须是完整通路，导体、导线、电表连成闭合环路；若某处断开，即使有感应电动势也形不成持续电流。 ② 穿过闭合电路的磁通量发生变化 磁通量 Φ 可理解为穿过回路的磁感线多少；只要回路面积内的磁感线数量发生改变（ΔΦ≠0），就满足这一条件。 闭合回路 图：闭合回路示意 知识讲授：情形① 导体切割磁感线为什么会产生电流？ 现象描述 闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动（导体与磁场发生相对运动，速度方向不与磁感线平行），回路中就产生感应电流。 “切割”形象地指导体像刀割草一样横切磁感线；若导体顺着磁感线方向运动，则不切割。 本质： 导体切割使穿过闭合回路的磁通量发生变化，因此产生感应电流；切割只是磁通量变化的一种具体形式。 N（磁场方向向下） S 导体棒 v 运动方向 图：导体切割磁感线示意 知识讲授：情形② 导体不动，磁场强弱改变也能产生电流吗？ 现象描述 导体与磁场之间没有明显的相对运动，但磁场的强弱或方向发生变化，使穿过闭合回路的磁通量随之改变，同样会产生感应电流。 例如：把磁铁插入、拔出静止线圈；或给相邻线圈通、断电流，使原磁场强弱改变。 统一判据： 无论是否发生机械运动，判断依据只有一个——穿过闭合回路的磁通量是否发生变化。 线圈（静止） 磁铁 图：磁铁相对线圈进退、磁通变化示意 知识讲授：条件辨析 情形 有无感应电流 原因分析 闭合回路，部分导体切割磁感线 有 回路闭合，且磁通量发生变化 电路断开，导体做切割运动 无 电路不闭合，只能产生感应电动势 闭合回路整体在匀强磁场中平动 无 穿过回路的磁通量保持不变 条形磁铁静止在线圈中不动 无 磁通量不变，不满足变化条件 下列情形到底有没有感应电流？为什么？ 知识讲授：方向判断 导体切割磁感线时，感应电流方向怎么定？ 右手定则（发电机定则） 伸开右手，使大拇指与其余四指垂直，并且都与手掌在同一平面内； 让磁感线垂直穿入手心； 大拇指指向导体运动方向； 四指所指方向，就是感应电流的方向。 适用范围： 只适用于闭合导体切割磁感线产生感应电流的情形；本质是机械能转化为电能。 图：右手定则判断导体切割时的电流方向 知识讲授：右手定则分几步操作？ 操作三步： 1 一看磁场方向：确定磁感线朝向，让其穿入手心； 2 二看运动方向：拇指指向导体相对磁场的运动方向； 3 三读电流方向：四指指向即为感应电流方向。 易混对比：右手定则与左手定则 对比项 右手定则（电磁感应） 左手定则（磁场对电流作用） 适用条件 导体切割磁感线、产生感应电流 通电导体在磁场中受力运动 能量转换 机械能 → 电能（发电机） 电能 → 机械能（电动机） 记忆抓手 “发电”用右手，拇运动、四指电流 “电动”用左手，拇受力、四指电流 知识讲授：楞次定律 楞次定律（通用方向判据） 感应电流的磁场， 总是阻碍引起感应电流的磁通量的变化。 关键词“阻碍”： 阻碍不是“阻止”，而是延缓变化；感应磁场顺着“不让它变”的方向去抵消变化； 楞次定律不要求导体切割，适用于一切电磁感应现象，是判断感应电流方向的通用规律。 图：磁铁靠近悬挂铝环，铝环受力后退，体现“阻碍”靠近 知识讲授：规律 磁通量增加或减少时，感应磁场方向如何配合？ 规律口诀：增反减同 磁通量增加（增反） 原磁通量正在变大； 感应磁场方向与原磁场方向相反； 用反向的感应磁场抵消一部分磁通，“不让它继续增加”； 记忆：增加 → 反向对抗。 磁通量减少（减同） 原磁通量正在变小； 感应磁场方向与原磁场方向相同； 用同向的感应磁场补充磁通，“不让它继续减少”； 记忆：减少 → 同向补充。 知识讲授：判断流程 用楞次定律判断感应电流方向分哪四步？ ① 确定原磁场方向 先弄清穿过闭合回路的原磁场从哪指向哪。 ② 判断磁通增减 分析过程使穿过回路的磁通量是增加还是减少。 ③ 定感应磁场方向 依据“增反减同”确定感应磁场的方向。 ④ 判感应电流方向 用安培定则（右手螺旋定则）由感应磁场反推感应电流方向。 知识讲授：易混辨析 右手定则、楞次定律、左手定则如何分工？ 对比维度 右手定则 楞次定律 左手定则 主要作用 判断切割时电流方向 通用判断感应电流方向 判断通电导体受力方向 使用依据 右手拇运动、四指电流 感应磁场阻碍磁通变化 左手拇受力、四指电流 能量转换 机械能 → 电能 磁场变化 → 电能 电能 → 机械能 典型装置 发电机、导体棒切割 一切电磁感应、线圈互感 电动机、电磁力实验 知识讲授：电磁感应定律 电磁感应中产生的电动势叫什么？哪部分是电源？ 感应电动势 定义： 电磁感应现象中产生的电动势，叫做感应电动势；产生感应电动势的那部分导体或线圈，相当于电路中的电源。 两个层次要分清： 只要磁通量变化，就会产生感应电动势； 只有外电路闭合，才会形成感应电流； 开路时没有电流，但感应电动势依然存在，这是发电机、变压器输出电压的来源。 图：带铁芯的铜绕组线圈 知识讲授：切割电动势 导体切割磁感线时感应电动势有多大？ 各物理量含义（国际单位制）： B 磁感应强度，单位特斯拉（T） L 导体有效切割长度，单位米（m） v 导体运动速度，单位米每秒（m/s） θ 速度方向与磁感线方向的夹角 两种特殊情形： θ = 90°（垂直切割）： E = BLv，此时电动势最大； θ = 0°（顺磁感线运动）： sinθ = 0，不切割、E = 0； B、L、v 三者相互垂直时适用最基本的 E=BLv 形式。 知识讲授：法拉第电磁感应定律 感应电动势大小与磁通量变化的什么量成正比？ 定律内容 线圈中感应电动势的大小，与穿过线圈的磁通量变化率成正比。 单匝线圈： N 匝串联线圈： 磁链： Ψ = NΦ；变化率 ΔΦ/Δt 越大，电动势越大；电动势由变化快慢决定，不由磁通总量 Φ 决定。 图：铁芯叠片线圈；铁芯可增强磁耦合、增大磁链 知识讲授：自感现象 线圈自己的电流变化时，会产生什么效应？ 自感现象与自感电动势 自感现象： 线圈自身电流发生变化时，线圈中也会产生感应电动势，这一现象称为自感现象。 自感电动势： 自感现象中产生的感应电动势，叫做自感电动势；它总是阻碍线圈中电流的变化 图：空心电感线圈；通电瞬间的自感效应在生活与设备中普遍存在 知识讲授：电感 用什么量描述线圈自感能力的强弱？ 自感系数（电感 L） 定义式：线圈磁链与电流之比 单位：亨利（亨，H）；常用毫亨 mH、微亨 μH 影响 L 大小的因素： 线圈的几何尺寸（长短、截面积）； 线圈的匝数多少； 线圈内部磁介质的磁导率；插入铁芯后电感显著增大。 图：磁环绕制的电感线圈；磁介质影响电感量 知识讲授：磁场储能 通电线圈把能量储存在哪里、储存多少？ 电感是一种储能元件：通电后把电能转化为磁场能储存起来 通电线圈磁场能量 L 越大、I 越大，储存的磁场能量越多 对照：电容器储存电场能量 C 越大、U 越高，储存的电场能量越多 说明： 电流稳定后理想线圈不消耗能量，只完成电能与磁场能的相互转换； 断开大电感电路时，储存的磁场能迅速释放，可能在开关处形成电弧，这是自感危害的能量来源； 电感量 L 反映线圈储存磁场能量的能力大小。 知识讲授：实训观察 典型自感实验电路（示意） 电源 E 开关 S 线圈 L 并联小灯泡 图：自感通电—断电演示电路 观察到的现象 通电瞬间： 串联电感支路的灯泡逐渐变亮，而不是立即达到正常亮度——自感电动势阻碍电流增大。 断电瞬间： 线圈与并联灯构成回路，储存的磁场能释放，小灯泡常会闪亮一下再逐渐熄灭；L 越大效果越明显。 结论： 自感电动势在通电、断电两个方向都阻碍电流变化；匝数越多、L 越大，阻碍越显著。 传动部分 知识讲授：自感现象演示 知识讲授：应用与抑制 应用：利用自感储能与阻碍电流变化 荧光灯镇流器： 启动时利用断电自感产生高压点亮灯管，正常工作时限制电流。 还用于电感滤波、日光灯调光、继电器线圈等场合；电感是电工电子中重要的储能与滤波元件。 危害与抑制方法 危害： 大电感电路断开瞬间，电流急剧减小，自感电动势很高，在开关触点间拉出发光电弧，烧蚀触点、影响安全。 抑制： 精密电阻等要求消除自感的元件采用双线绕法：两股平行、电流反向，产生的磁链互相抵消，使自感趋近于零。 工程措施： 开关加装灭弧装置、在线圈两端并联续流二极管或泄放电阻，给自感能量提供泄放通路，保护触点。 知识讲授：互感现象 两个靠得近的线圈，怎样彼此影响？ 互感现象与互感电动势 互感现象： 两个彼此靠近的线圈，当其中一个线圈电流变化时，它产生的变化磁通穿过另一个线圈，在另一线圈中也产生感应电动势。 互感电动势： 由相邻线圈电流变化而感应出的电动势，称为互感电动势；方向同样可用楞次定律判定；变压器、互感器就是互感原理的典型应用。 图：铁芯上原、副两个线圈通过变化磁通实现互感 知识讲授：互感系数 用什么量描述两个线圈之间的耦合强弱？ 互感系数 M（单位：亨利 H） 由线圈1电流 i₁ 在线圈2建立的磁链，与线圈2电流 i₂ 对线圈1的磁链对称相等： 互感电动势： 要点： E_M 大小 = M × 另一线圈电流的变化率； M 只取决于两个线圈的结构、匝数、相对位置和磁介质，与电流大小、方向无关； 线圈靠得越近、铁芯耦合越好，M 越大； 互感电动势方向依据楞次定律判断。 知识讲授：同名端 同名端（同极性端） 在同一变化电流作用下，两个线圈中感应电动势极性始终相同的一对端子，称为同名端，常用标记“·”（或“*”）；极性相反的端子互为异名端。 线圈 1 · 线圈 2 · 标记规则： 同名端只由线圈绕向和相对位置决定，与电流大小、方向无关；可通过实验通电方法判别。 工程意义： 变压器绕组、互感器、LC 振荡电路和线圈串并联接线时，都要依据同名端保证极性正确，避免接反导致抵消或损坏。 知识讲授：技术应用 互感原理支撑了哪些常用电气设备？ 图：三相油浸式电力变压器 ● 电力变压器 依靠原、副线圈互感，按匝数比变换交流电压，实现远距离输电与安全用电。 ● 电流 / 电压互感器 把大电流、高电压按比例变换为便于测量和保护的小信号，实现电气隔离。 ● LC 振荡与耦合电路 通过互感实现信号能量在两级电路间耦合传递，用于收音机、感应式能量传输。 知识讲授：涡流现象 涡流（傅科电流）的形成 块状金属导体处在变化的磁场中时，金属内部可看作由许多闭合回路组成，电磁感应使导体内部产生闭合的涡旋状感应电流，称为涡流。 图：金属块内部的涡旋状涡流 涡流损耗 整块金属电阻小、通路截面积大，涡流往往很强； 电流流过金属电阻产生焦耳热，造成发热和电能损耗，称为涡流损失（铁损/铜损的一部分）； 电机、变压器铁芯若用整块实心金属，发热严重、效率下降。 知识讲授：利用与抑制 一、利用涡流（让它发热、成形） 高频感应炉： 利用强涡流焦耳热快速熔化金属，用于冶炼、淬火、钎焊。 家用电磁炉： 交变磁场在铁磁锅底产生涡流直接发热，热效率高、无明火。 二、抑制涡流（让它变小、降损耗） 结构措施： 电机、变压器铁芯不用整块金属，而用很薄的硅钢片彼此绝缘后叠压而成； 片间绝缘把大涡流通路分割成许多小回路，增大回路电阻，从而显著削弱涡流、降低发热损耗。 权衡思路： 需要发热时设计大而强的涡流（感应加热）；传递电磁能量时尽量减小涡流损耗（叠片铁芯）。 知识讲授：磁屏蔽 屏蔽原理与做法 低频磁场屏蔽： 用铁、坡莫合金等高磁导率材料制成屏蔽罩；这类材料磁阻很小，外界磁感线主要沿罩壳通行，罩内空间磁场很弱，从而保护内部器件；必要时采用多层屏蔽增强效果。 高频交变磁场屏蔽： 使用铜、铝等良导体外壳，利用壳体中涡流的去磁（反磁）作用抵消外界磁场，实现屏蔽。 削弱互感干扰： 相邻易耦合线圈相互垂直放置，使彼此穿过的磁通相互抵消，减小互感干扰。 图：金属（坡莫合金/镀锡铁）电磁屏蔽盒 知识讲授：电声转换 动圈式话筒怎样把声音变成电信号？ 转换过程（声 → 电） 1 声波推动膜片按声音规律振动； 2 膜片带动相连音圈在永久磁铁磁场中往复运动； 3 音圈切割磁感线，产生随声音变化的感应电流； 4 输出电信号送往放大器，实现声电转换。 特点与局限： 结构牢固、耐用可靠，是电磁感应原理在电声器件中的典型应用；高频响应有限、大声压下易失真，使用时需对准声源保持适当距离。 传动部分 知识讲授：电感器 一、常见分类 分类方式 类别 特点与用途 按电感量是否可调 固定电感 / 可变电感 / 微调电感 固定用于滤波储能；可变、微调用于调谐与谐振回路匹配 按磁路结构 空心电感 / 磁心电感 / 铁心电感 空心分布电容小、用于高频；磁心、铁心电感量较大，用于电源与低频电路 二、主要技术参数 参数 符号 / 单位 含义 电感量 L（亨利 H，mH、μH） 反映线圈自感能力和储存磁场能量的本领 品质因数 Q（无量纲） 线圈感抗与等效损耗电阻之比；Q 值越高，线圈功率损耗越小、效率越高 额定电流与分布电容 I_N；C_0 超过额定电流易发热饱和；匝间分布电容影响高频工作特性 传动部分 知识讲授：验证电磁感应原理 一、实训目标 验证感应电流产生条件，练习用楞次定律判断方向； 观察自感通电慢亮、断电闪亮现象； 能正确连接电磁感应、自感实验电路并规范读数。 二、操作要点 接线前断开电源，先接主回路再接测量回路； 滑动变阻器先置于最大阻值；接线完成经检查再通电； 磁铁缓慢、平稳地插入拔出，观察电流计偏转；逐匝记录现象。 图：电工电子综合实训台 三、安全注意 检查器材绝缘与接线；灵敏电流计量程小，严禁大电流冲击；开关闭合时间不宜过长，防止线圈、电池过热；拆线先断电源再拆导线。 传动部分 师生互动 探究情境 用线圈与灵敏电流计组成闭合回路，将条形磁铁的 N 极快速向线圈插入；随后改为快速拔出。请小组按楞次定律四步讨论：① 原磁场方向；② 磁通增减；③ 感应磁场方向；④ 感应电流方向；并判断线圈对磁铁是吸引还是排斥。 讨论要求 1 前后四人为一小组，限时 4 分钟，按四步骤逐条填写讨论结果； 2 指定一名代表发言，先讲判断过程再给结论，不得只报答案； 3 其他小组补充或质疑，教师结合演示实验统一点评。 传动部分 知识点背诵 ◆ 产生条件 闭合电路 + 穿过回路磁通量发生变化（ΔΦ≠0），二者缺一不可。 ◆ 右手定则 磁感线穿入手心，拇指指运动方向，四指指感应电流方向；用于切割磁感线。 ◆ 楞次定律 感应电流的磁场总是阻碍引起感应电流的磁通量变化；增反减同。 ◆ 切割电动势 ◆ 法拉第定律 ◆ 电感与储能 ◆ 互感 ◆ 涡流与屏蔽 交变磁场在块状金属中产生涡流；叠片铁芯抑制损耗；低频铁磁罩、高频良导体实现磁屏蔽。 单项选择题 1. 闭合电路中产生感应电流的条件是（　　） A. 只要回路中有磁场　 B. 只要导体在磁场中运动　 C. 回路闭合且穿过它的磁通量发生变化　 D. 只要把磁铁靠近线圈 正确答案：C 同时满足回路闭合、磁通量变化两个条件，可以产生感应电流。 课后练习 正确答案：B 右手定则专门用于判断导体切割磁感线产生的感应电流方向。 课后练习 单项选择题 2. 判断导体切割磁感线时感应电流方向，最直接使用（　　） A. 左手定则　 B. 右手定则　 C. 安培定则　 D. 右手螺旋定则 单项选择题 3. 关于自感系数 L，下列说法正确的是（　　） A. L 与线圈中电流大小成正比　 B. L 由线圈结构、匝数和磁介质决定　 C. 只有通电时线圈才具有电感　 D. L 的单位是法拉（F） 正确答案：B 自感系数 L 是线圈本身的固有属性，只由线圈尺寸、匝数、绕制结构以及内部磁介质决定，与线圈中有无电流、电流大小无关。自感系数 L 单位是亨利（H），法拉 (F) 是电容的单位。 课后练习 简述楞次定律的内容，并结合通电、断电过程说明自感电动势是怎样“阻碍”线圈中电流变化的。 课后练习 写出楞次定律原文：感应电流的磁场总是阻碍引起感应电流的磁通量变化； 说明“阻碍”的对象是电流的变化率，而不是电流本身； 通电时电流增大：自感电动势方向与原电流相反，延缓电流上升，灯泡渐亮； 断电时电流减小：自感电动势方向与原电流同向，维持电流、释放磁场能，并联灯闪亮后熄灭； 举例：匝数越多、L 越大，自感阻碍作用越明显。 课堂小结 •基础巩固：默写感应电流产生条件、右手定则操作要点、楞次定律原文与增反减同口诀、切割电动势与法拉第定律公式，下节课抽查。 •书面练习：完成教材对应习题，包括两道感应电动势计算题（一题单匝、一题多匝）和一道方向判断题，要求写出公式、代入过程与单位。 •生活观察：列举家中或实训室两件利用电磁感应或电感的电器（如电磁炉、镇流器、变压器、话筒），各写一句它利用了哪条规律。 课后作业 感谢观看 Lavf58.46.101 Lavf63.1.102 $