自感现象演示实验的改进

自感现象演示实验的改进

【摘要】“自感”一节的教学离不了实验演示。通过实验演示，让学生观察通电自感现象和断电自感现象，了解导体本身的电流变化引起磁通量的变化，这是产生自感现象的原因；自感现象中产生的自感电动势总是阻碍电流的变化；通过实验条件的改变，进一步探究自感电动势的大小以及影响自感系数的因素。

【关键词】自感现象；演示实验；改进

自感现象是电磁感应现象的特例。

法拉第电磁感应定律告诉我们：“穿过回路的磁通量发生变化时，回路中将产生感应电动势，感应电动势始终阻碍引起感应电动势的磁通量的变化。”奥斯特实验证明任何电流周围都将产生磁场，这是电流的磁效应。那么，某通电回路的电流发生变化时，电流周围的磁场也将发生变化，该变化的磁场本身是穿过了该通电回路的，该变化的的磁场会不会感应出新的感应电动势呢？答案是确定的。这就是导体本身电流发生变化而产生的电磁感应现象。我们称之为：“自感现象”。

自感现象在各种电器设备和无线电技术中有广泛的应用。日光灯的工作原理离不开“自感”现象。很多延时继电器也是利用了自感原理。

自感现象在电气领域也有其弊端，在自感系数很大的电路中，如果有很强的电流，且强电流变化很快时，特别是在切断电路的瞬间，由于发生了自感作用，电路中会产生很高的自感电动势，在闸刀和固定夹片之间因空气电离而形成电弧。电弧会烧坏开关，甚至危及人员安全。因此，切断这段电路时必须采用特制的安全开关。

可见，在物理教学中，对“自感”的学习将占据很重的份量。

与其他章节一样，“自感”一节的教学离不了实验演示。

通过实验演示，让学生观察通电自感现象和断电自感现象，了解导体本身的电流变化引起磁通量的变化，这是产生自感现象的原因；自感现象中产生的自感电动势总是阻碍电流的变化；通过实验条件的改变，进一步探究自感电动势的大小以及影响自感系数的因素。

考虑到安全，在实验室只能用小电流来演示“自感”现象，小电流的变化引起的自感现象不明显。传统的演示“自感”的仪器存在很多弊端，实验现象不明显，物理老师们不肯使用。“自感”现象的演示成为了物理学界的难题，内地很多地方成立了“自感”演示的专题讨论会。

笔者征对以上情况仔细研究了传统演示仪器的结构和原理，发现了不少弊

端，明确了传统仪器设计者的意图。根据近年来同行们的提议，自行设计、制作了“自感”演示仪，实验效果明显，在课堂上取得了很好的演示效果。

传统仪器的弊端：

在本人所在的学校中，“自感”演示教具是六十年代购置的。其结构完全按图（1）和图（2）所示的原理，在示教板中安装了电感、灯泡、变阻器等元件。电感线圈的自感系数很低，灯泡电阻与线圈直流电阻相差很远，演示过程中无法体现“自感”引起的“延迟”现象。可以说，该仪器只是个“实物模具”。

该仪器还有一个不足，要演示“延迟”，必须用开关的“通、断”作为时间起点，灯泡的“亮起、熄灭”，要与开关的“通、断”作参考，在学生的视觉反应中，那种应有的“时间差”不易判断。如果将“自感”引起的“延迟”效应用两只灯泡来演示，“延迟”时间差会变得更明显。单纯的两只灯泡引起的“先亮、后亮”效果更容易被学生接受。

笔者研制的“自感”现象演示仪，主要解决了两个技术难题：

第一、提升电感系数的同时，考虑到了小灯泡的阻值与线圈的电阻相当。

在实验室小电流条件下能否获得明显自感现象，就要保证线圈自感系数足够大，但还要兼顾线圈直流电阻与小灯泡电阻值相当。这样在电路“通”时，每个支路都能分配到足够的、相当的电流，为“断”时产生明显自感现象做准备；“断”时线圈要充当“电源”的角色，电源电阻与负载电阻相等时可以在灯泡中获得最大输出功率，从而保证灯泡有足够的亮度。

第二、电路中并入参考电路，用双联开关同时控制“自感”电路与参考电路。让学生轻松感受“自感”引起的“延迟、滞后”等实验现象。

下面各图是自制教具的功能演示

图（3）表示开关闭合后两个灯泡稳定发光，断开开关后与电源直接连接的灯泡立即熄灭，但与电感线圈连在一起的灯泡延迟熄灭并闪亮，如图（4）。图（5）、图（6）表示在开关闭合瞬间，与电源连在一起的灯泡立即点亮，与电感线圈串接在一起的灯泡延迟点亮。