《電工學(xué)》課程是技工學(xué)校機(jī)電、電工、電微、電工與電子等專(zhuān)業(yè)的重要公共基礎(chǔ)課,凡與電相關(guān)聯(lián)的一切知識(shí)均是從《電工學(xué)》課程學(xué)習(xí)開(kāi)始的,《電工學(xué)》是學(xué)習(xí)后續(xù)課程,如《電工工藝學(xué)》、《電子技術(shù)》、《電工儀表》、《電力拖動(dòng)與自動(dòng)控制》等的基礎(chǔ)。學(xué)好《電工學(xué)》課程,能使學(xué)生在對(duì)電學(xué)的相關(guān)學(xué)習(xí)中具備扎實(shí)的知識(shí)基礎(chǔ)。

多年來(lái),筆者一直從事汽車(chē)電氣設(shè)備的教學(xué)。今年由于機(jī)電專(zhuān)業(yè)招生人數(shù)增加,筆者承擔(dān)了機(jī)電專(zhuān)業(yè)《電工學(xué)》課程的教學(xué)任務(wù)。在講授第二章“磁與電磁”中第四節(jié)“電磁感應(yīng)定律”的教學(xué)內(nèi)容時(shí),由于該章節(jié)內(nèi)容比較抽象、難懂,學(xué)生對(duì)課本中電磁感應(yīng)定律內(nèi)容的理解普遍比較困難,特別對(duì)互感和自感的概念更容易混淆,其原因主要是這部分內(nèi)容理論性比較強(qiáng),還存在一些復(fù)雜且枯燥的理論推導(dǎo)和難記的公式。由于技校生的理論基礎(chǔ)水平較為薄弱,大多數(shù)學(xué)生對(duì)理論的學(xué)習(xí)存在一種抵觸情緒,即使再簡(jiǎn)單的理論,他們往往缺乏學(xué)習(xí)的熱情,不愿同教師合作。如果采用單一的教學(xué)方法,學(xué)生會(huì)因教學(xué)方法缺乏活力而喪失學(xué)習(xí)興趣。針對(duì)這種情況,筆者把電磁感應(yīng)現(xiàn)象的自感和互感原理在汽車(chē)點(diǎn)火系中的應(yīng)用,通過(guò)實(shí)物、示教板的形式向?qū)W生演示了傳統(tǒng)汽車(chē)點(diǎn)火系的整個(gè)工作過(guò)程,并幫助學(xué)生為過(guò)程中的每一步找到電磁理論的支撐。這種通過(guò)實(shí)踐學(xué)習(xí)理論、鞏固理論,反過(guò)來(lái)用理論來(lái)指導(dǎo)實(shí)踐的教學(xué)方法,使學(xué)生很快掌握了電磁感應(yīng)定律的基本知識(shí),達(dá)到了促進(jìn)學(xué)生理解、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的良好效果。

常規(guī)“電磁感應(yīng)定律”教學(xué)過(guò)程

我們知道,電流能產(chǎn)生磁場(chǎng),反過(guò)來(lái)磁場(chǎng)在一定條件下也會(huì)產(chǎn)生電流,我們把變化磁場(chǎng)在導(dǎo)體或線圈中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的這種現(xiàn)象稱為電磁感應(yīng)。在線圈中產(chǎn)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象存在兩種形式,一種是自感——由于流過(guò)線圈本身的電流發(fā)生變化而引起的電磁感應(yīng)現(xiàn)象,自感電動(dòng)勢(shì)方向可用楞次定律來(lái)判斷。即線圈中的外電流i增大時(shí),感應(yīng)電流方向與外電流i的方向相反,外電流減小時(shí)感應(yīng)電流的方向與之方向相同,自感電動(dòng)勢(shì)的大小與線圈的電感及線圈中外電流的變化快慢(變化率)成正比。另一種稱為互感,即由一個(gè)線圈(稱一次線圈)中的電流發(fā)生變化而在另一線圈(稱二次線圈)中產(chǎn)生電磁感應(yīng)的現(xiàn)象。互感電動(dòng)勢(shì)的方向仍可用楞次定律來(lái)判斷,互感電動(dòng)勢(shì)的大小與二級(jí)線圈的匝數(shù)和一次線圈中電流的變化率成正比。在講上述教學(xué)內(nèi)容時(shí),常規(guī)的教學(xué)方法是,先描述教材中敘述的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容(在缺乏實(shí)驗(yàn)器材的條件下),然后,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果推出自感和互感現(xiàn)象的概念,以及有關(guān)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小計(jì)算公式和方向的判定方法。最后,通過(guò)學(xué)生做習(xí)題來(lái)加深和鞏固電磁感應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容。但是,由于該部分教學(xué)內(nèi)容比較抽象,理論性強(qiáng),與學(xué)生以前所學(xué)的知識(shí)聯(lián)系少,加上大部分學(xué)生基礎(chǔ)較差,所以,常規(guī)教學(xué)方法使得學(xué)生在掌握和靈活運(yùn)用電磁感應(yīng)原理的基礎(chǔ)知識(shí)上存在很大障礙,教學(xué)效果不太理想。筆者利用汽車(chē)傳統(tǒng)點(diǎn)火系的工作原理來(lái)講述自感和互感原理,其教學(xué)效果比較理想。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的點(diǎn)火系就是利用點(diǎn)火線圈的互感原理工作的。

汽車(chē)點(diǎn)火系在電磁感應(yīng)

教學(xué)過(guò)程的應(yīng)用

首先,準(zhǔn)備一只完好的分電器(型號(hào)不限),一只相配套的電火線圈,一只充足電的12V蓄電池(容量不限),一條高壓導(dǎo)線和若干條低壓導(dǎo)線,按圖1所示將其連接。

同時(shí),使高壓導(dǎo)線的一端距蓄電池負(fù)極保持7～8mm的距離,用手轉(zhuǎn)動(dòng)分電器軸會(huì)看到在高壓導(dǎo)線距蓄電池負(fù)極之間會(huì)發(fā)生高壓跳火現(xiàn)象,火花的強(qiáng)弱隨轉(zhuǎn)動(dòng)分電器軸轉(zhuǎn)速的增大而增強(qiáng),在分電器軸轉(zhuǎn)速不變、高壓導(dǎo)線距蓄電池負(fù)極距離保持不變的情況下,拆除電容器。這時(shí)我們會(huì)看到高壓火花變?nèi)?甚至無(wú)火花。學(xué)生看到上述演示后,很快激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣,喚起了他們的求知欲望。這時(shí),教師應(yīng)抓住這個(gè)有利機(jī)會(huì),向?qū)W生解釋發(fā)生跳火的原因(見(jiàn)圖2)。

接通電路后,分電器軸在人為的作用下轉(zhuǎn)動(dòng),使分電器中的斷電器觸點(diǎn)交替地閉合與斷開(kāi),當(dāng)觸點(diǎn)處于閉合時(shí),蓄電池向點(diǎn)火線圈的一次繞組供電,其電路為:蓄電池“+”極→點(diǎn)火線圈一次繞組→斷電器觸點(diǎn)→搭鐵→蓄電池“-”極。這時(shí),12V的低壓電流流過(guò)一次繞組,使鐵心、一次繞組及二次繞組中有磁通通過(guò),鐵心存儲(chǔ)了磁場(chǎng)能。當(dāng)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)分電器軸,使凸輪頂開(kāi)斷電器觸點(diǎn)時(shí),一次繞組斷電(即電流發(fā)生了變化),這時(shí),穿過(guò)二次繞組的磁通驟然消失。因此,在二次繞組中產(chǎn)生了互感電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)互感電動(dòng)勢(shì)的大小計(jì)算公式(e2M=│-N2△φ12/△t│)可知,互感電動(dòng)勢(shì)的大小與互感磁通量的變化率以及二次線圈的匝數(shù)成正比,即正比于第一個(gè)線圈中電流的變化率。由于二次繞組的匝數(shù)(20000～40000匝)比較多,于是,在二次繞組中感應(yīng)出高壓互感電動(dòng)勢(shì),其互感電動(dòng)勢(shì)可達(dá)1.5～2.0萬(wàn)伏,這樣,高電壓加在高壓線端與蓄電池負(fù)極之間產(chǎn)生了電火花。而且,火花強(qiáng)弱隨分電器軸轉(zhuǎn)速增大而增大,轉(zhuǎn)速增大能提高一次線圈的電流變化率,所產(chǎn)生的互感電動(dòng)勢(shì)就大,產(chǎn)生電火花也就大。

為什么斷開(kāi)電容器后火花變?nèi)跎踔翢o(wú)火呢?主要因?yàn)閿嚯娖饔|點(diǎn)斷開(kāi)時(shí),由于電流突然消失,在一次線圈中會(huì)產(chǎn)生200～300V的自感電動(dòng)勢(shì),方向與蓄電池的電動(dòng)勢(shì)方向相同。這兩個(gè)電動(dòng)勢(shì)相加使斷電器觸點(diǎn)之間產(chǎn)生火花,將觸點(diǎn)燒壞。同時(shí),觸點(diǎn)火花又會(huì)使一次線圈中的電流變化率下降,降低了二次線圈的互感電動(dòng)勢(shì),使火花變?nèi)?甚至無(wú)火。

通過(guò)上述理論分析后,大部分學(xué)生已能正確掌握電磁感應(yīng)的基礎(chǔ)知識(shí)。為了進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)互感電動(dòng)勢(shì)大小的具體感受,我讓部分學(xué)生代表親自動(dòng)手來(lái)完成教師演示的試驗(yàn)。學(xué)生動(dòng)手前,教師先暫時(shí)不要講需要注意的一些安全事項(xiàng)及可能發(fā)生的情況,結(jié)果學(xué)生在電路連接(即使未轉(zhuǎn)動(dòng)分電器軸)的過(guò)程中發(fā)生了高壓觸電現(xiàn)象(除非心臟病,否則對(duì)人沒(méi)有任何危險(xiǎn))。這時(shí),教師通過(guò)發(fā)生的觸電現(xiàn)象,再引導(dǎo)學(xué)生找原因。最終學(xué)生得出這樣的結(jié)論:要發(fā)生觸電刺激,一定發(fā)生了互感現(xiàn)象,只憑蓄電池的12V電壓(小于安全電壓36V)是不會(huì)發(fā)生的,在電路連接過(guò)程中,由于導(dǎo)線的連接或斷開(kāi),在斷電觸點(diǎn)剛好閉合的情況下,會(huì)使點(diǎn)火線圈中一次線圈的電流發(fā)生驟然變化,在二級(jí)線圈中產(chǎn)生了電壓很高的互感電動(dòng)勢(shì),才導(dǎo)致觸電現(xiàn)象的發(fā)生。通過(guò)這種無(wú)意識(shí)的觸覺(jué)的感受,又加深了學(xué)生對(duì)互感知識(shí)的認(rèn)識(shí)。

對(duì)于這些理論性比較強(qiáng)的知識(shí)點(diǎn),在整個(gè)教學(xué)中應(yīng)多角度地進(jìn)行思考,研究學(xué)生,研究教材,選擇并創(chuàng)新教學(xué)方法,實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)方式的最優(yōu)化。選擇那些有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的教學(xué)手段。這樣,才能使抽象的理論知識(shí)變得具體,并力求降低學(xué)生的理解難度。教學(xué)實(shí)踐已經(jīng)證明,這種教學(xué)方式是行之有效的。

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作者簡(jiǎn)介:

張學(xué)友(1966—),男,云南玉溪人,云南紅河州技工學(xué)校高級(jí)講師,長(zhǎng)期從事汽車(chē)電氣理論教學(xué)和汽車(chē)維修實(shí)習(xí)指導(dǎo)工作。