电磁学中自感现象的电路设计及演示方法

总结出产生自感现象的原因；让学生切实感受到自感现象的存在，从而加深对教学内容的理解。

1 电路设计及演示方法

1.1 实验演示方法一

电路连接如图1（a）和图1（b）。

元件参数如下：

E：直流稳压电源6v

L1、L2、L3：6.3v、0.15A小灯泡

W：20Ω、1A滑线变阻器

L：L>1H、R<15Ω的电感线圈

S：单刀开关

操作步骤：

（1）按图（a）接好电路，演示前先接通S，调节W，使L1、L2亮度相同，然后断开S。

（2）观察通电时自感：迅速闭合S，可看到L1先亮，L2后亮，稳定后二者一样亮。解释：S闭合瞬间，电路中电流发生突变，L中产生与电源电动势方向相反的自感电动势。所以，作用于L2上的电压小于作用于L1上的电压，结果L1先点亮，L2暗淡。随后电流的变化减小，L两端自感电动势逐渐消失，L1、L2最终达到相同亮度。

（3）观察断电时自感现象：如图1（b）接好电路，闭合S，L3点亮，迅速断开S，可看到L3并不立即熄灭，而是更亮一下，然后才熄灭。

（4）解释：接通电源后，通过灯泡L3和自感L的电流分别为：

方程的解为，断电瞬间t=0时，I=IL>>IR，故断电瞬间，灯泡比断电前要亮得多。

该方法优点是易于演示，缺点是通电、断电自感发生在不同电路。断电只用一只灯泡演示，没有比较，断电时说L3要过一会才熄灭容易被忽视，造成不易观察到现象。

1.2 实验演示方法二

电路连接如图2。

操作步骤：

（1）如图2所示，接通电源S，调节W，使电路稳定时L1、L2一样亮。

（2）观察通电自感现象：迅速闭合S，可看到L1先亮，且超过正常亮度，随即亮度降至正常。灯L2微亮，随即增至正常（与L1趋于一样亮）。

解释：S闭合瞬间，L中产生与电源电压方向相反的自感电动势，它与电源电压组合的结果使L1两端电压大于L2两端电压，结果L1比L2先亮，且亮度超过正常亮度。随后电流的变化减小，自感电动势消失，L1、L2亮度趋于相同。

（3）观察断电时自感：迅速断开S，灯L2即灭，而L1闪亮一下之后才熄灭。

解释：断开S时，由于L的强自感作用，在L与L1所构成的回路中产生强大的电流，使L1更亮一下后才熄灭。L2在断开S是与L是断开的，因而很快熄灭。

（4）该电路的优点是用一个电路可演示通电和断电时的自感现象。通过两只灯泡的比较，很容易观察到在断电时L1过一会才熄灭。缺点是不能展示自感电动势的方向和大小。

1.3 实验演示方法三

电路连接如图3

操作方法：

（1）将方法二中的灯泡换成发光二极管，按图3接好电路，演示前先接通S，调节W1、 W2，使电路稳定时，LED1、LED2一样亮，然后断开S。

（2）观察通电时自感现象：迅速闭合S，LED2先亮，并且超过正常亮度，LED1后亮，逐渐增到与LED2一样亮，LED3不亮。

解释：同实验演示二中2基本相同。

（3）观察断电自感现象：迅速断开S，LED1、 LED2即暗，LED3亮了一下后熄灭。

（4）解释：断开S时，L产生的自感电动势，在L与LED3构成的回路中产生电流，使LED3更亮一下。此时电源已断开，LED3亮一下，一定是L中有感应电动势产生，且方向是右正左负，（因为LED具有单向导电性，外加正向电压时方能导通），符合楞次定律作出的判断结果。

（5）该方法优点是可展示出电感线圈中自感电动势方向，起到了验证楞次定律的 作用，缺点是自感电动势的大小还未体现出来。

1.4 实验演示方法四

电路连接如图4。

元件参数 L：40w日光灯镇流器

C：验电笔氖泡

灯泡L1 、L2：3v、0.15A

K：双刀开关

E：6v电源

W：0-25Ω 1A滑动变阻器

操作方法：

（1）按图4接好电路，闭合S，调节W，使L1 、L2 亮度相同，然后断开S。

（2）观察通电时自感现象：迅速闭合S， L1先亮，L2后亮，前后相差约1s，氖泡不启辉。

原理解释：S闭合瞬间，L1中电流增加是及时的，L中产生的自感电动势方向与电源方向相反。L1中电流逐渐增大，所以L2比L1亮得迟缓一些。氖泡不起辉说明L两端自感电动势没有达到氖泡启辉电压（约70v左右）。

（3）观察断电时自感现象：迅速断开S，L1 、L2即刻熄灭，氖泡启辉。

原理解释：S断开瞬间，电路中只有L与氖泡构成回路，氖泡发光闪亮，而启辉所需电压无疑是由L引起的自感电动势提供的。由此与通电时相比，断电时线圈两端产生了较高的感应电动势。仔细观察氖泡发光情况，只是氖泡左边电极附近发出闪亮的辉光，而右边电极不发光（因为氖泡在直流高压电路中只有负极的一端才发生辉光），因此可判断在S断开时L两端自感电动势的方向。

（4）该方法优点是用一个电路不仅可演示通电和断电的自感现象，还可展示自感电动势的方向，并且能证明断电瞬间的自感电动势大于通电瞬间的自感电动势大小。缺点是电源电压控制好，否则S断开时氖泡辉光强烈，不易分辨出发生辉光的电极。

3 结语

以上几种方法不是自感现象演示的全部方法，也不一定是最佳方案，愿与大家教学过程中共同探究，服务于教学实践。

参考文献

[1]赵凯华.电磁学[M].北京：高等教育出版社，2009（09）.

作者简介

宋阳（1970-），女，辽宁省抚顺市人。学士学位。现为朝阳师范高等专科学校副教授，主要从事电子技术方面的研究与教学工作。

作者单位

朝阳师范高等专科学校信息工程系 辽宁省朝阳市 122000

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