論高中物理電磁感應(yīng)在生活中的應(yīng)用

林明媚

摘 要：電磁感應(yīng)是高中物理的重要知識點(diǎn)，不僅需要學(xué)生牢固的記憶，更要深刻的理解，靈活應(yīng)用。為提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)中應(yīng)講解電磁感應(yīng)在生活中的具體應(yīng)用，使學(xué)生認(rèn)識到電磁感應(yīng)知識的重要性，更加積極主動的投入到該部分知識學(xué)習(xí)中。本文結(jié)合自身教學(xué)實(shí)踐，對高中物理電磁感應(yīng)在生活中的應(yīng)用進(jìn)行探討，以供參考。

關(guān)鍵詞：高中物理;電磁感應(yīng);生活;應(yīng)用

電磁感應(yīng)是19世紀(jì)物理領(lǐng)域偉大的發(fā)現(xiàn)，其加深了人們對電與磁關(guān)系的認(rèn)識，為電磁學(xué)的迅猛發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。自從電磁感應(yīng)被發(fā)現(xiàn)以來，人們經(jīng)過不斷的努力研究出很多基于電磁感應(yīng)的相關(guān)產(chǎn)品，給人們的生產(chǎn)生活帶來前所未有的便利。為使學(xué)生認(rèn)識到電磁感應(yīng)在人們生活中的重要作用，有必要結(jié)合生活中的具體事物，為學(xué)生講解電磁感應(yīng)的應(yīng)用。

一、高中物理電磁感應(yīng)理論

利用磁場產(chǎn)生電流的現(xiàn)象叫電磁感應(yīng)，產(chǎn)生的電流為感應(yīng)電流，產(chǎn)生的電動勢為感應(yīng)電動勢。其中感應(yīng)電流的方向可使用楞次定律以及右手定則進(jìn)行判斷。而感應(yīng)電動勢又分為平均感應(yīng)電動勢與瞬時感應(yīng)電動勢。

平均感應(yīng)電動勢的計(jì)算公式為E=n△Φ/△t，其中n表示線圈匝數(shù)。△Φ/△t表示磁通量的變化率。既然是變化率表明其由變化量和變化的時間共同決定，因此，磁通量的大小、磁通量變化的大小并不能判斷出E的大小，因?yàn)檫€要考慮變化所需的時間。瞬時感應(yīng)電動勢的計(jì)算公式為E=BLV，其中L為切割磁感線的有效長度，若導(dǎo)線運(yùn)動方向與磁感線的方向存在夾角θ，則計(jì)算公式為E=BLVsinθ。該公式求出的是整個回路的感應(yīng)電動勢，而不是回路中某部分導(dǎo)體的電動勢。兩個公式之間聯(lián)系緊密，對于平均感應(yīng)電動勢的計(jì)算公式而言，如果t趨向于零，則求出的數(shù)值為瞬時感應(yīng)電動勢。如果瞬時感應(yīng)電動勢計(jì)算公式中的v為導(dǎo)體的平均速度，則求出的為平均感應(yīng)電動勢。對于導(dǎo)體回路本身的電流發(fā)生變化而產(chǎn)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象則稱為自感現(xiàn)象。其產(chǎn)生的電動勢為自感電動勢，其總是阻礙引起它的電流的變化。自感現(xiàn)象在生活中也有著廣泛的應(yīng)用。

二、高中物理電磁感應(yīng)在生活的應(yīng)用

電磁感應(yīng)在生活中的應(yīng)用無處不在。為提高學(xué)生認(rèn)識，平時應(yīng)注重留意生活中應(yīng)用電磁感應(yīng)制成的產(chǎn)品，通過查閱資料搞清楚其工作原理。在課堂上介紹給學(xué)生，豐富課堂內(nèi)容的同時，更好的培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)該部分知識的興趣。

（一）電磁感應(yīng)燈

電磁感應(yīng)燈是電磁感應(yīng)在生活中應(yīng)用的一個具體實(shí)例，依據(jù)電磁感應(yīng)以及氣體通過磁場產(chǎn)生可見光原理制成。燈中的線圈因放電形成一個閉路，促使自由電子的加速。自由電子與汞原子碰撞激發(fā)電子產(chǎn)生紫外線，通過玻璃管表面的三基色熒光粉時，紫外線轉(zhuǎn)化為可見光。

電磁感應(yīng)燈的優(yōu)點(diǎn)較為突出，主要表現(xiàn)在以下方面：其一，使用壽命長。電磁感應(yīng)燈的使用壽命可達(dá)10萬小時。燈光質(zhì)量高，顯色性指數(shù)超過80，色溫從2700K～6500K;其二，節(jié)能環(huán)保效果好。在同等亮度情況下與白熾燈相比節(jié)能超過80%，而且汞齊可回收，不會給環(huán)境造成污染;其三，不需維護(hù)，應(yīng)用范圍廣。電磁感應(yīng)燈安裝后，無需維護(hù)，可有效地降低維護(hù)成本，因此廣泛應(yīng)用于運(yùn)動場、高鐵站、隧道等場所的照明。

（二）變壓器

變壓器是一個用于升壓或降壓的設(shè)備，在生活中應(yīng)用廣泛，其運(yùn)用電磁感應(yīng)的原理進(jìn)行工作。其中鐵芯、線圈是變壓功能實(shí)現(xiàn)的核心部件。與電源相連的線圈稱為原線圈又叫次級線圈，與負(fù)載相連的線圈為副線圈又叫次級線圈。當(dāng)將交流電輸入給初級線圈時，因其內(nèi)部的電流是不斷變化的，會導(dǎo)致鐵芯產(chǎn)生變化的磁場。變化的磁場經(jīng)過次級線圈就會產(chǎn)生電動勢。研究發(fā)現(xiàn)，原負(fù)線圈的電壓之比為兩個線圈的匝數(shù)之比，即，U1/U2=n1：n2，而電流之比則為兩個線圈的反比，即，I1/I2=n2：n1。需要注意的是高中階段所學(xué)的變壓器知識，并沒有考慮能量的損失，屬于理想變壓器。事實(shí)上電流通過變壓器線圈時會發(fā)熱，鐵芯在交變磁場的作用下也會發(fā)熱，會使得一部分能量散失。

根據(jù)變壓器原理可以分析出電路中很多重要的參數(shù)。如圖1某理想變壓器結(jié)構(gòu)簡圖：若用P表示發(fā)電機(jī)的輸出功率，U1表示升壓變壓器副線圈的電壓，R表示輸電線上的總電阻。

因理想變壓器原副線圈的功率不變，因此輸電線的電流強(qiáng)度I=;輸電線上損耗的功率ΔP=I2R=，輸電的效率η=×100%=（1-R）×100%;用戶得到的電功率為P-ΔP=P-;輸電線上損失的電壓ΔU=IR=。

（三）電磁流量計(jì)

電子流量計(jì)根據(jù)導(dǎo)電流體通過外加磁場時產(chǎn)生的電動勢來測量導(dǎo)電流體流量的一種儀器。因流量計(jì)的管道內(nèi)沒有任何阻礙流體流動的結(jié)構(gòu)，因此常用于測量強(qiáng)腐蝕性以及高粘度的流體，具有易于與其他自動控制裝置配套、測量反應(yīng)快、測量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。

其工作原理（如圖2所示）為在測量的管軸線與磁力線垂直的管壁安裝一對檢測電極，當(dāng)導(dǎo)電流體沿測量管軸線運(yùn)動時，導(dǎo)電流體切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。感應(yīng)電動勢的E=BvDk，其中B、v、D、k分別表示磁感應(yīng)強(qiáng)度、流體的平均流速、管道的直徑、儀表常數(shù)。安裝在內(nèi)部的傳感器將感應(yīng)電動勢作為流量信號，傳送到轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過放大、變換濾波等信號處理后，將流體的瞬時流量以及累計(jì)流量通過顯示器顯示出來。電磁流量計(jì)在一些生產(chǎn)中的應(yīng)用，不僅方便了人們掌握流體流量的情況，而且有助于人們根據(jù)流體流量的變化分析生產(chǎn)中可能存在的安全隱患，為生產(chǎn)工作的安全穩(wěn)步進(jìn)行提供切實(shí)保障。

（四）電磁爐

電磁爐是一種運(yùn)用電磁感應(yīng)制成的常用家用電器。該電器煮熟食物并不是通過明火，而通過電磁感應(yīng)在鍋底直接產(chǎn)生熱量，其不僅使用方便，安全性高，而且熱效率得到顯著提升。電磁爐主要由結(jié)構(gòu)包裝、電子線路兩大部分構(gòu)成。前者有上下蓋、瓷板等構(gòu)成，后者包括熱敏電阻、電磁線盤、顯示板、主控板等。

電磁爐的工作原理為：電子線路板通電后會產(chǎn)生交變磁場，電子線圈因通過交變電流，而在周圍產(chǎn)生交變磁場。交電磁場的磁力線為大部分通過金屬鍋底。在鍋底形成大量的渦流，促使鍋具底部材料中的自由電子呈旋渦狀交變運(yùn)動而發(fā)熱將食物煮熟。

（五）延時繼電器

延時繼電器是電路中常用的電學(xué)元件，用于電氣工作設(shè)備和裝置中線路的定時閉合或斷開控制。在電路中應(yīng)用延時繼電器既能夠降低線路能耗，又能提高用戶舒適度。如圖3某延時繼電器示意圖：

在鐵芯上纏繞著A、B兩個線圈，其中A線圈和電源相連接，B線圈的兩端連接在一起。當(dāng)開關(guān)S斷開時，因電磁感應(yīng)彈簧K并不能立即將D拉起，而是經(jīng)過一段時間后，才會動作。需要注意的是在電路中應(yīng)用延時繼電器時，需要結(jié)合線路實(shí)際情況，認(rèn)真篩選對應(yīng)參數(shù)的延時繼電器，以更好的滿足延時工作要求。

（六）漏電保護(hù)開關(guān)

在線路中安裝漏電能有效的避免人為觸電事故的發(fā)生。某漏電保護(hù)開關(guān)只要有觸電保護(hù)器和繼電器構(gòu)成，如圖4為其結(jié)構(gòu)簡圖。變壓器A用火線和零線雙股平行繞成線圈，而后接到用電器。B處為輸出線圈，若線圈B中有電流，放大后便能推動繼電器切斷電源。

線路工作正常時火線和零線有著大小相等，方向相反的電流，在變壓器的鐵芯內(nèi)會產(chǎn)生等大反向的磁場，鐵芯內(nèi)的合磁場為零，此時輸出線圈內(nèi)不會產(chǎn)生感應(yīng)電流。若線路中存在漏電，或者有人觸碰到火線，會導(dǎo)致火線和零線電流大小發(fā)生改變，有電磁感應(yīng)可知B中便會產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而切斷電源。

（七）磁懸浮列車

磁懸浮列車是世界各國研究的重要內(nèi)容。目前我國的磁懸浮列車已經(jīng)在上海投入使用，線路總長30千米，單程行駛8分鐘，其軌道懸空距離可達(dá)12-13米，在運(yùn)送旅客上做出了突出貢獻(xiàn)。因磁懸浮列車和軌道并不直接接觸，能降低列車運(yùn)行過程中與軌道的摩擦，因此既能降低列車運(yùn)行中的能耗，又能使列車的速度提高一個新的水平。從上海磁懸浮列車試運(yùn)行反饋的數(shù)據(jù)來看，超過100千米/小時的路段有80%，超過300千米/小時的路段有60%。另外，有10千米的超過速路段達(dá)到400千米/小時。另外，列車運(yùn)動的動力主要依靠固定的路軌兩側(cè)的電磁流，同一區(qū)域內(nèi)的電磁流強(qiáng)度相同，因此能有效的避免列車追尾或相撞，使得列車運(yùn)行安全性得到很好的提高。

磁懸浮列車的制作基于磁懸浮原理。該原理可通過圖5示意圖加以簡單說明。其中A為圓柱形磁鐵，B為高溫超導(dǎo)材料制成的超導(dǎo)圓環(huán)。將B在磁鐵A上水平放置，在磁力作用下會懸浮起來。事實(shí)上，將B放入磁場過程中因電磁感應(yīng)現(xiàn)象的存在其將產(chǎn)生感應(yīng)電流，若A的上方為N極，B產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向?yàn)轫槙r針方向。當(dāng)電流穩(wěn)定后因B為電阻，因此圓環(huán)中仍會存在電流。

結(jié)束語

電磁感應(yīng)現(xiàn)象是19世紀(jì)最為著名的發(fā)現(xiàn)之一，目前已經(jīng)形成了較為系統(tǒng)的理論，被廣泛的應(yīng)用于人們的生產(chǎn)生活中。生活中應(yīng)用電磁感應(yīng)生產(chǎn)的產(chǎn)品較多，包括電磁感應(yīng)燈、變壓器、電磁流量計(jì)、電磁爐、延時繼電器、漏電保護(hù)開關(guān)、磁懸浮列車等，給人們的生產(chǎn)生活帶來諸多便利。教學(xué)中為提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，在講解電子感應(yīng)知識時應(yīng)注重為學(xué)生講解電磁感應(yīng)在生活中的應(yīng)用，拓展其視野，豐富物理課堂教學(xué)內(nèi)容。

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