用断电自感实验装置同时观察通电和断电自感现象
蔡志东 潘才连
【摘 要】@@ 1 引言rn文献[1]中为了让学生了解自感电动势的作用,推荐了两个演示实验.其中一个是演示通电自感现象(图1),另一个是演示断电自感现象(图2).rn由于推荐的通电自感演示实验存在许多缺点(滑线变阻器本身就相当于一个有一定电感量的线圈),因此有时实验会出现一些反常现象.与文献[2]所给的结论正好相反,不是L2先亮,而是L1先亮L2后亮). 【期刊名称】物理通报 【年(卷),期】2010(000)006 【总页数】2
1 引言
文献[1]中为了让学生了解自感电动势的作用,推荐了两个演示实验.其中一个是演示通电自感现象(图1),另一个是演示断电自感现象(图2).
由于推荐的通电自感演示实验存在许多缺点(滑线变阻器本身就相当于一个有一定电感量的线圈),因此有时实验会出现一些反常现象.与文献[2]所给的结论正好相反,不是L2先亮,而是L1先亮L2后亮). 虽然我们可以用电位器代替滑线变阻器消除其缺陷,但是仍然比较麻烦.最大的缺点在于,它把通电自感和断电自感这两种现象割裂开来.演示通电自感时,好像断电时没有自感现象；而演示断电自感时又好像通电时没有自感现象.另外,两个实验分开来做浪费时间;更重要的是,这样做无法解释断电自感实验中出现的奇特现象.事实上,第一个实验是多余的,我们完全可以用断电自感实验装置同时观察通电和断电自感现象,这样既省时省力,效果又好.
注:实验1所采用的电池为8节1号干电池,小灯泡规格为“3.8 V, 0.3 A”，滑线变阻器规格为“1.5 A,50 Ω”，线圈采用“220 V,40 W”的日光灯用镇流器代替；实验2所采用的电池是8节1号干电池，灯泡为“3.8 V, 0.3 A”, 线圈是由直径为1.3 mm的铜丝漆包线密绕而成，线圈直径约为4 cm , 匝数约为30匝.
2 断电自感实验中出现的奇特现象及解释
2.1 出现的奇特现象
断电自感实验中,很多人只关注开关断开时灯泡突然闪亮一下,没有注意到开关接通时小灯泡也突然闪亮一下.从开始接通到断开,完整的实验现象是:小灯泡的亮度由亮→暗→亮→暗.这对实验结论可能造成干扰.笔者曾想改进这个实验,但是结果表明,要消除这个奇特现象有些困难. 经过思索,笔者终于揭开了这个现象的谜底,并认识到这个“坏现象”实际上是一件大好事. 2.2 对奇特现象的解释
开关接通时小灯泡为什么会突然闪亮一下？稍加思索我们就能明白,这不就是通电自感现象吗？这不就是实验1所需要的结果吗？
在做断电自感实验之前,可以先让学生猜测一下接通和断开时小灯泡的亮度变化.几乎每一个学生都明白,由于线圈是用铜丝绕制的,电阻非常小,甚至可以认为它的电阻趋向于零.小灯泡和线圈并联,相当于灯泡被短路.当开关合上的一瞬间,几乎所有的电流都流经线圈,灯泡由于存在(相对于线圈而言)较大的电阻,所以电流几乎为零,小灯泡应该不亮或微亮.而当开关断开时,按照初中的知识,灯泡中的电流应当立即减小到零,原来微亮的灯泡应当立即熄灭(当然如果接通时就不亮,那么断开时也应该不亮).于是根据以往的知识和经验很多学生得出结论:开关接通
时小灯泡有可能不亮或微亮,断开时小灯泡迅速熄灭.
可是实验的结果却出乎意料.实验表明,接通时灯泡突然闪亮一下,随即迅速变暗;断开时灯泡也突然闪亮一下,然后熄灭.
接通时小灯泡突然闪亮一下,说明在接通的瞬间(即电流迅速增大的过程中),流经灯泡的电流非常大,而流经线圈的电流比较小,这说明此过程中线圈会产生一种非常大的阻碍作用,阻碍线圈中电流迅速增大(当然也可以认为是自感电流的方向和原来电流的方向相反,阻碍了电流的迅速增大).当一个电阻不太大的小灯泡和一个“瞬时电阻”(准确地说应该叫阻抗或感抗)非常大的线圈并联时,灯泡中的瞬时电流当然就会非常大,从而使灯泡的亮度突然增大.但是经过一段短暂的时间后,一切都恢复正常,由于线圈的电阻非常小,灯泡相当于被短路,所以短暂闪亮后灯泡就基本上不亮或只是微亮了.由此说明了自感电动势或自感电流的作用总是阻碍原来电流的增大.结合断开时出现的闪亮现象(文献[1]有具体的解释),我们就可以得出:当线圈中的电流变化时,线圈会产生自感电动势和自感电流,它总是阻碍原来电流的变化.即线圈对变化的电流有相当大的阻碍作用,而对恒定的电流几乎没有阻碍. 这样通电自感和断电自感现象在同一个实验中先后显现出来,用一个装置同时观察两种现象,这正是我们所需要的！
3 断电自感实验的改进
(1) 这个实验中,由于线圈的电阻非常小,很容易使电池短路从而损坏电池；因此最好还是在总电路中接一个保护电阻(约2 Ω).
(2)带铁芯的线圈可以用可拆卸的变压器原线圈(或副线圈)来代替,这样可以改变线圈的匝数和铁芯,让学生观察到当线圈匝数很少而又没有铁芯时,自感现象几乎看不到.此时我们所观察到的现象是不论开关接通还是断开,小灯泡始终不亮.当
用断电自感实验装置同时观察通电和断电自感现象
