互感和自感现象的实验改进

2011-01-24黄晓标黄春如

物理通报 2011年10期

黄晓标黄春如

(江西省教育厅教学教材研究室江西南昌 330046) (樟树第三中学江西宜春 331200)

为使学生在知识的学习中更好地经历过程、体会方法，使之在物理概念的建立上尽可能地从亲身体验中去理解和掌握知识，笔者从废旧器件中寻找可用之材，针对互感和自感现象的特点，改进和设计了如下的实验方案，目的是通过这些实验使学生在概念的建立、知识的学习中更好地做到水到渠成.

1 实验器材

废旧彩电行输出磁芯一副，废旧大型游戏机显示面版的LED 4个，自制线圈2个，电磁炉1台，干电池2节，滑动变阻器1只，电流表1只，开关，导线等.

2 互感原理及实验改进

课本上互感的概念是通过法拉第线圈的实验结论建立的：在法拉第的实验中，两个线圈之间并没有导线相连，但当一个线圈中的电流变化时，它所产生的变化的磁场会在另一个线圈中产生感应电动势，这种现象叫做互感[1].之后推理得出：互感不仅仅发生于绕在同一铁芯上的两个线圈之间，而且可以发生于任何两个相互靠近的电路之间.互感概念的前一部分可以说是以法拉第电磁感应的实验为基础得出的，但后一部分结论对学生而言只能是理论上的一个推导，并没有对应的实验来构建此概念.

2.1 法拉第线圈定义互感的改进设计

把法拉第线圈中的铁芯用废旧行输出磁芯替代，铁芯上的两组线圈用0.5 mm左右的漆包线在直径比磁芯直径稍大的PVC管上绕制成两个独立的线圈.与ab连接的线圈绕40匝左右，与cd连接的线圈绕60匝左右.实验电路如图1.

图1

实验步骤：调整可变电阻器的阻值，使开关S闭合时，ab回路中的电流在0.3 A左右.通断开关S，电流表指针摇摆，与线圈cd连接的LED闪亮.闭合S不动，电流表有示数，但LED不亮.此时用手提磁芯上半部分，铁芯磁化的磁力作用可把下半部分提起.断开开关S，铁芯失磁，下半部分在重力作用下脱落.

结论：线圈cd与线圈ab并没有导线相连，当ab中的电流变化时，它所产生的变化的磁场会在cd线圈中产生感应电动势，使连接cd线圈的LED闪亮.

图1中的铁芯和线圈也是一个变压器模型.应用上述模型能直观清楚地使学生认识到,利用互感现象可以把能量由一个线圈传递到另一个线圈.由图1的变压器模型和实物彩电行输出，可使学生对课本提到的互感在电工技术和电子技术中的广泛应用有更具体的认识.

2.2 互感发生于任何两个相互靠近电路之间的改进设计

用长约30 cm的细导线，两端与”1.5 V,0.3 A”的小灯泡相连接，并使回路接近圆形置于电磁炉台面上[2].

实验步骤：将电磁炉接入220 V交流电，接通开关给其通电.用竹筷将圆形导线从电磁炉外缘逐步推至中心位置，可观察到小灯泡从无光逐渐变亮；用竹筷夹住小灯泡，使灯泡线圈平面逐渐远离电磁炉台面，小灯泡由亮逐渐变为无光.

结论：当电磁炉线圈盘电路中通以变化的交变电流时，靠近它的小灯泡电路产生感应电动势.此时再推论给出互感发生于任何两个相互靠近电路之间，可使学生抽象概念具体化，并对课本介绍的电力工程和电子电路中互感的相互影响有更深刻的认识.

通过上述探究活动，可使学生更加全面、深刻地理解互感的定义及其在实际中的应用.

3 自感原理及实验改进

当一个线圈中的电流变化时，它产生的变化的磁场不仅在邻近的电路中激发出感应电动势，同样也在它本身激发出感应电动势.这种现象称为自感.

3.1 自感实验改进设计

如图2,在ab线圈两端并接反向连接的LED1和LED2.由图可知,1与电源正向连接，2与电源反向连接.

图2

实验步骤：闭合开关S，调整滑动变阻器的阻值，使电流在0.3 A左右且与ab连接的1,2两个LED均不亮.1虽与电源正向连接，但与之并联的线圈电阻很小，使其两端的电压降不足以点亮LED.之后反复通断开关S，使ab线圈中的电流通、断变化(自感产生的条件)，可发现LED1，LED2交替闪亮.

原因分析：图3为开关S通断变化时ab线圈中产生的自感电动势及其等效电路.由图3可知：S接通瞬间，线圈中的电流增大，由法拉第电磁感应定律及楞次定律可知，线圈中将产生下正上负的感应电动势，阻碍电流的变化，正是由于这一变化，使得LED1两端的电压升高，因而从静态时的不亮到接通瞬间的闪亮.同理，可分析出开关S断开瞬间ab线圈中产生出上正下负的自感电动势，使静态时不亮的LED2在断开瞬间闪亮.因而出现S通、断变化时LED1,LED2交替闪亮的结果.