互感和自感現象的實驗改進

黃曉標 黃春如

(江西省教育廳教學教材研究室 江西 南昌 330046) (樟樹第三中學 江西 宜春 331200)

為使學生在知識的學習中更好地經歷過程、體會方法，使之在物理概念的建立上盡可能地從親身體驗中去理解和掌握知識，筆者從廢舊器件中尋找可用之材，針對互感和自感現象的特點，改進和設計了如下的實驗方案，目的是通過這些實驗使學生在概念的建立、知識的學習中更好地做到水到渠成.

1 實驗器材

廢舊彩電行輸出磁芯一副，廢舊大型游戲機顯示面版的LED 4個，自制線圈2個，電磁爐1臺，干電池2節，滑動變阻器1只，電流表1只，開關，導線等.

2 互感原理及實驗改進

課本上互感的概念是通過法拉第線圈的實驗結論建立的：在法拉第的實驗中，兩個線圈之間并沒有導線相連，但當一個線圈中的電流變化時，它所產生的變化的磁場會在另一個線圈中產生感應電動勢，這種現象叫做互感[1].之后推理得出：互感不僅僅發生于繞在同一鐵芯上的兩個線圈之間，而且可以發生于任何兩個相互靠近的電路之間.互感概念的前一部分可以說是以法拉第電磁感應的實驗為基礎得出的，但后一部分結論對學生而言只能是理論上的一個推導，并沒有對應的實驗來構建此概念.

2.1 法拉第線圈定義互感的改進設計

把法拉第線圈中的鐵芯用廢舊行輸出磁芯替代，鐵芯上的兩組線圈用0.5 mm左右的漆包線在直徑比磁芯直徑稍大的PVC管上繞制成兩個獨立的線圈.與ab連接的線圈繞40匝左右，與cd連接的線圈繞60匝左右.實驗電路如圖1.

圖1

實驗步驟：調整可變電阻器的阻值，使開關S閉合時，ab回路中的電流在0.3 A左右.通斷開關S，電流表指針搖擺，與線圈cd連接的LED閃亮.閉合S不動，電流表有示數，但LED不亮.此時用手提磁芯上半部分，鐵芯磁化的磁力作用可把下半部分提起.斷開開關S，鐵芯失磁，下半部分在重力作用下脫落.

結論：線圈cd與線圈ab并沒有導線相連，當ab中的電流變化時，它所產生的變化的磁場會在cd線圈中產生感應電動勢，使連接cd線圈的LED閃亮.

圖1中的鐵芯和線圈也是一個變壓器模型.應用上述模型能直觀清楚地使學生認識到,利用互感現象可以把能量由一個線圈傳遞到另一個線圈.由圖1的變壓器模型和實物彩電行輸出，可使學生對課本提到的互感在電工技術和電子技術中的廣泛應用有更具體的認識.

2.2 互感發生于任何兩個相互靠近電路之間的改進設計

用長約30 cm的細導線，兩端與”1.5 V,0.3 A”的小燈泡相連接，并使回路接近圓形置于電磁爐臺面上[2].

實驗步驟：將電磁爐接入220 V交流電，接通開關給其通電.用竹筷將圓形導線從電磁爐外緣逐步推至中心位置，可觀察到小燈泡從無光逐漸變亮；用竹筷夾住小燈泡，使燈泡線圈平面逐漸遠離電磁爐臺面，小燈泡由亮逐漸變為無光.

結論：當電磁爐線圈盤電路中通以變化的交變電流時，靠近它的小燈泡電路產生感應電動勢.此時再推論給出互感發生于任何兩個相互靠近電路之間，可使學生抽象概念具體化，并對課本介紹的電力工程和電子電路中互感的相互影響有更深刻的認識.

通過上述探究活動，可使學生更加全面、深刻地理解互感的定義及其在實際中的應用.

3 自感原理及實驗改進

當一個線圈中的電流變化時，它產生的變化的磁場不僅在鄰近的電路中激發出感應電動勢，同樣也在它本身激發出感應電動勢.這種現象稱為自感.

3.1 自感實驗改進設計

如圖2,在ab線圈兩端并接反向連接的LED1和LED2.由圖可知,1與電源正向連接，2與電源反向連接.

圖2

實驗步驟：閉合開關S，調整滑動變阻器的阻值，使電流在0.3 A左右且與ab連接的1,2兩個LED均不亮.1雖與電源正向連接，但與之并聯的線圈電阻很小，使其兩端的電壓降不足以點亮LED.之后反復通斷開關S，使ab線圈中的電流通、斷變化(自感產生的條件)，可發現LED1，LED2交替閃亮.

原因分析：圖3為開關S通斷變化時ab線圈中產生的自感電動勢及其等效電路.由圖3可知：S接通瞬間，線圈中的電流增大，由法拉第電磁感應定律及楞次定律可知，線圈中將產生下正上負的感應電動勢，阻礙電流的變化，正是由于這一變化，使得LED1兩端的電壓升高，因而從靜態時的不亮到接通瞬間的閃亮.同理，可分析出開關S斷開瞬間ab線圈中產生出上正下負的自感電動勢，使靜態時不亮的LED2在斷開瞬間閃亮.因而出現S通、斷變化時LED1,LED2交替閃亮的結果.

圖3 開關通斷瞬間等效電路

以上實驗器材易得，便于學生動手操作，用于課堂教學或學生課外小組合作進行探究性學習均可，通過實驗很容易達到學習目標.與課本上介紹的實驗方案和實驗室中的演示實驗結合使用，效果更好.

參考文獻

1 人民教育出版社物理室.普通高中課程標準實驗教科書·物理選修3-2(第2版) .北京:人民教育出版社,2006.1 ～25

2 熊小蘭，黃春如.一圈細導線點亮小燈泡.物理通報，2011(4)：90 ～91