淺談“自感現(xiàn)象演示器”的電路設(shè)計(jì)

陳北南

摘 要：自感現(xiàn)象是由于導(dǎo)體本身電流發(fā)生變化而產(chǎn)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象。自感現(xiàn)象在各種電器設(shè)備和無線電技術(shù)中有廣泛的應(yīng)用，是中職電工電子技術(shù)的基礎(chǔ)內(nèi)容。本文闡述了“自感現(xiàn)象演示器”電路設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想，對(duì)現(xiàn)有電路設(shè)計(jì)的問題和弊端進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并提出一個(gè)新的較理想的電路設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：自感現(xiàn)象演示器；電路設(shè)計(jì)；演示實(shí)驗(yàn)

“自感現(xiàn)象演示器”的電路設(shè)計(jì)已有多種多樣，它們各具特色，效果各異，且多有弊端，有的設(shè)計(jì)看似先進(jìn)，實(shí)則效果不佳。本文就實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想和對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)的分析及最新電路設(shè)計(jì)等方面談一下粗淺的看法。

一、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想

演示實(shí)驗(yàn)的目的是讓學(xué)生把看到的現(xiàn)象和科學(xué)知識(shí)結(jié)合起來，通過感性認(rèn)識(shí)加深理解記憶，從而上升到理性認(rèn)識(shí)。所以實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)以教材為依據(jù)，充分體現(xiàn)教材的指導(dǎo)思想。在保證演示效果良好的前提下，還要盡量采用電路簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、邏輯清楚、學(xué)生容易接受的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。根據(jù)教材的要求，自感現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)主要應(yīng)顯示兩個(gè)現(xiàn)象：

（1）在通電瞬間，跟變阻器R串聯(lián)的燈泡A2立即正常發(fā)光，而跟線圈 L串聯(lián)的燈泡A1卻是逐漸亮起來（如圖1）；（2）在斷電瞬間，跟線圈L串聯(lián)回路中的燈泡A不是立即熄滅，而是過一會(huì)兒才熄滅（一般用燈泡A猛然閃亮一下再熄滅來說明）如圖2。

二、淺析現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)大致分四種類型。它們都存在不同程度的缺點(diǎn)，因而給演示效果帶來了不同程度的影響。

1.通、斷電自感分別用兩個(gè)電路完成，如圖1、圖2。采用這類電路的成品示教板，大多是通路自感現(xiàn)象不明顯，斷路自感現(xiàn)象都十分明顯。這類設(shè)計(jì)有以下主要缺點(diǎn)：

（1）因通、斷路自感分別由兩個(gè)電路顯示，所以易使學(xué)生誤解為一個(gè)電路只能產(chǎn)生一種自感現(xiàn)象（稱作誤解一）；（2）斷電瞬間燈泡A猛然閃亮一下，易使學(xué)生誤認(rèn)為因自感電動(dòng)勢(shì)使通過線圈L的電流突然增加了（稱作誤解二）；（3）斷電時(shí)不能顯示通過燈泡的感生電流的方向。

2.第一種類型的改進(jìn)型，如圖3所示。

該類設(shè)計(jì)增設(shè)了K1。演示通路自感前斷開K1，演示斷路自感前合上K1。合上K1就使L支路電流大于R支路電流，這樣才能使A2猛然閃亮一下再熄滅，從而達(dá)到通、斷路自感合用一個(gè)電路的目的，以便消除學(xué)生的第一種誤解。但該電路仍存在如下缺點(diǎn)：

（1）事實(shí)證明，并不是對(duì)于任何能演示通路自感的線圈，當(dāng)合上K1后在斷電瞬間A2能猛然閃亮一下。當(dāng)線圈的內(nèi)阻r較大時(shí)就不能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的愿望。例如當(dāng)選用“變壓器原理說明器”的0～1600匝線圈時(shí)，雖然演示通路自感現(xiàn)象明顯，但演示斷路自感時(shí)A2就不能猛然閃亮一下。原因是線圈的內(nèi)阻較大（約63Ω），合上K1也不能使L支路的電流遠(yuǎn)大于R支路的電流；

（2）即使消除了學(xué)生的第一種誤解，學(xué)生又會(huì)產(chǎn)生新的疑問：為什么演示斷路自感前要合上K1？這仍需要給學(xué)生解釋；

（3）從演示現(xiàn)象中仍不能說明A2猛然閃亮一下的原因，因此也就不能消除學(xué)生的第二種誤解；

三、一個(gè)新的較理想的電路設(shè)計(jì)

筆者依據(jù)教材的指導(dǎo)思想，認(rèn)真分析研究了多種電路設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一個(gè)較理想的電路，如圖5所示。經(jīng)實(shí)際演示測(cè)試，證明自感現(xiàn)象明顯，演示效果理想。

1.主要特點(diǎn)

（1）能完全消除學(xué)生的第一種誤解；（2）斷電瞬間，以A2猛亮，A3并不猛亮的事實(shí)，充分說明A2猛亮的原因不是因?yàn)榱鬟^線圈的自感電流突然增大，這就徹底消除了學(xué)生的第二種誤解；（3）巧妙地用電流表指針的偏轉(zhuǎn)來確定LR回路中感生電流的方向，從而確定了線圈的自感電動(dòng)勢(shì)的方向；（4）既不需更換線圈或改變接頭，又不需改變電源電壓，操作十分簡(jiǎn)便明快。既節(jié)省了演示時(shí)間，又使學(xué)生感到演示現(xiàn)象的出現(xiàn)很自然、真實(shí)，說服力強(qiáng)；（5）全部采用學(xué)生已學(xué)過的常見器材，演示現(xiàn)象易于接受；（6）通電瞬間，A1比A2約晚1秒正常發(fā)光。斷電瞬間，A2猛亮一下后熄滅，A1從正常發(fā)光開始減弱最后與A2同步熄滅。演示現(xiàn)象極為顯著，學(xué)生感到容易接受，教學(xué)效果十分令人滿意。

2.元件選擇和調(diào)整

（1）線圈L是在損壞的 2kw自耦變壓器鐵芯上加繞 1110匝，使總匝數(shù)為1300匝左右，自感系數(shù)L約2.2H，直流電阻r約7.6Ω。因鐵芯的內(nèi)環(huán)空間較大，故為了降低成本和減輕重量，加繞部分可選用Φ1.5左右的鋁芯漆包線。當(dāng)然也可選用其他截面積較大的鐵芯，用與原線圈同規(guī)格的漆包線繞制；（2）A1、A2為“6.3V、0.25A”小燈泡；（3）M為演示檢流計(jì)，將指針零點(diǎn)調(diào)在中央，在表內(nèi)裝設(shè)檔塊P使接通K時(shí)指針雖向左偏轉(zhuǎn)而只能停在零點(diǎn)；（4）R和R′為可調(diào)電阻。先調(diào)整R使A2比額定亮度稍弱（電流為0.2A），再調(diào)整R′使A1與A2亮度相同。然后把R′換為固定電阻裝在演示板的背面；（5）E為低壓電源的 6V或12V穩(wěn)壓輸出。

3.電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵

（1）線圈L的設(shè)計(jì)：要求自感系數(shù)L較大且直流電阻r較小（一般L大于1.7H，r小于10Ω）。這就要求鐵芯截面積大，線圈導(dǎo)線粗，匝數(shù)較多。否則不可能同時(shí)滿足通電和斷電的自感演示；（2）L支路和R支路的電流設(shè)計(jì)：在滿足上述要求的前提下，還要求L支路的電流是R支路的電流的若干倍，否則斷電時(shí)A2不會(huì)猛然閃亮一下熄滅。倍數(shù)的大小與線圈的自感系數(shù)和內(nèi)電阻等因素有關(guān)。本電路設(shè)計(jì)當(dāng)電源電動(dòng)勢(shì)為 6V和 12V時(shí)，L支路的電流分別等于R支路電流的3倍和4倍。