電磁感應(yīng)內(nèi)容歷年來(lái)在高考中都占著重要位置,包括電磁感應(yīng)定律、磁通量、楞次定律、自感、渦流等內(nèi)容,其中自感現(xiàn)象作為常見(jiàn)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象,在實(shí)際生活中也有很多應(yīng)用。
概述
自感現(xiàn)象從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)只是一種的電磁感應(yīng)現(xiàn)象,是由于流經(jīng)導(dǎo)體或者線圈本身的電流變化的時(shí)候而在導(dǎo)體或者線圈自身產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象。這樣產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)又叫作自感電動(dòng)勢(shì),根據(jù)楞次定律,這個(gè)自感電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生之后會(huì)阻礙線圈磁通量的變化,即通過(guò)阻礙線圈中原電流的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)的,從而使得原電流的變化時(shí)間延長(zhǎng)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象。
對(duì)于線圈,我們知道,由于感生電動(dòng)勢(shì)的存在,線圈在電流變化的電路中除了普通的歐姆電阻以外,還存在感抗,阻礙電流的變化,除了在交流電路中存在,在直流電路開(kāi)關(guān)“閉合”和“斷開(kāi)”的瞬間,自感電動(dòng)勢(shì)的效果也比較明顯,即線圈中的電流是不能發(fā)生突變的,這樣的線圈我們又叫自感線圈。下面對(duì)比在開(kāi)關(guān)“閉合”“斷開(kāi)”以及電路穩(wěn)定時(shí),在只有小燈泡和只有自感線圈的直流電路中,流過(guò)小燈泡和自感線圈的電流大小的比較(自感線圈在穩(wěn)定的直流電路中的電阻和小燈泡的電阻相同,均為R),如表1。
通電自感與斷電自感
通電自感,顧名思義,即在開(kāi)關(guān)閉合的瞬間,討論自感線圈的自感現(xiàn)象。斷電自感即在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)的瞬間,討論自感線圈的自感現(xiàn)象。
例1:如圖1,自感線圈L的自感系數(shù)比較大,在開(kāi)關(guān)閉合后,小燈泡能夠正常發(fā)光,那么閉合開(kāi)關(guān)和斷開(kāi)開(kāi)關(guān)的瞬間,觀察到的現(xiàn)象是( )。
A.閉合開(kāi)關(guān)S后小燈泡逐漸變亮,斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S小燈泡立即熄滅。
B.閉合開(kāi)關(guān)S后小燈泡立即亮,斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S小燈泡立即熄滅。
C.閉合開(kāi)關(guān)S后小燈泡逐漸變亮,斷開(kāi)開(kāi)關(guān)小燈泡比原來(lái)更亮一下后再慢慢熄滅。
D.閉合開(kāi)關(guān)S后小燈泡立即亮,斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S小燈泡比原來(lái)更亮一下再慢慢熄滅。
分析:電路中小燈泡的亮度直接反映了流過(guò)小燈泡的電流,即流過(guò)小燈泡的電流越大,小燈泡越亮,則在開(kāi)關(guān)閉合的瞬間,電路中的電流本來(lái)應(yīng)該迅速增大,但因?yàn)橛凶愿芯€圈的原因,根據(jù)電磁感應(yīng)中的楞次定律,自感線圈會(huì)阻礙電流的迅速增加,所以燈泡應(yīng)該是逐漸變亮;再看開(kāi)關(guān)斷開(kāi)的瞬間,此時(shí)不能進(jìn)入出題者的陷阱中,開(kāi)關(guān)斷開(kāi)的瞬間,電路處于開(kāi)路狀態(tài),不會(huì)有電流流過(guò)小燈泡,小燈泡會(huì)立即熄滅。所以,選A。
小結(jié):要解決自感問(wèn)題,就要好好地運(yùn)用電磁感應(yīng)現(xiàn)象中總結(jié)出的楞次定律,即電磁感應(yīng)產(chǎn)生的感應(yīng)電流的效果總是要反抗引起感應(yīng)電流產(chǎn)生的原因,不過(guò)注意是在閉合回路的前提下的。
自感在生活中的應(yīng)用
電感鎮(zhèn)流器中的自感現(xiàn)象,普通日光燈中,啟輝器和鎮(zhèn)流器不可或缺,其中電感鎮(zhèn)流器是一個(gè)帶鐵芯的線圈,匝數(shù)很多并且為閉合鐵芯,自感系數(shù)很大,其在日光燈中的工作原理如下。
如圖4所示,即為電感鎮(zhèn)流器日光燈的電路示意圖,在電感鎮(zhèn)流器日光燈啟動(dòng)時(shí),將開(kāi)關(guān)閉合,電源電壓加在啟輝器的兩極上,使其中的氖氣發(fā)出輝光,發(fā)出輝光伴隨的熱量使啟輝器中的U型片膨脹變形,直至把電路接通,電路接通后燈管的燈絲有電流流過(guò)開(kāi)始預(yù)熱,啟輝器兩端的電壓也開(kāi)始降低,氖氣也無(wú)法再發(fā)出輝光加熱U型片,U型片冷卻、收縮,兩個(gè)觸片分離,電路斷開(kāi)瞬間,通過(guò)鎮(zhèn)流器的電流急劇減小,自身產(chǎn)生一個(gè)高壓,這個(gè)高壓足夠?qū)艄苤械墓魵?,從而在燈管中形成通路,使日光燈發(fā)光。日光燈正常發(fā)光的工作電壓需要低于220V,此時(shí)在交流電路中鎮(zhèn)流器還起到了限制燈管兩端的電壓的作用。
根據(jù)電感鎮(zhèn)流器日光燈的工作原理不難看出,在啟動(dòng)時(shí)我們可以看到啟輝器閃爍以及聽(tīng)到燈管中汞蒸氣被擊穿的聲音,噪聲比較大,特別是在長(zhǎng)期使用之后,日光燈的閃爍會(huì)更為明顯,因此電子鎮(zhèn)流器開(kāi)始逐漸取代了電感鎮(zhèn)流器。
結(jié)論
綜上所述,如果通過(guò)自感線圈中的電流發(fā)生變化,自感線圈就會(huì)自發(fā)的產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì),根據(jù)電磁感應(yīng)中的楞次定律,自感電動(dòng)勢(shì)的作用僅僅是阻礙并延緩原電流的變化過(guò)程,并不能夠進(jìn)行阻止原電流變化,更加不會(huì)逆轉(zhuǎn)原電流的變化。
換句話說(shuō),自感電動(dòng)勢(shì)的阻礙作用可以比作力學(xué)中的慣性現(xiàn)象,自感電動(dòng)勢(shì)想幫助自感線圈保持磁通量這個(gè)“慣性”,從而想減緩磁通量的變化。通過(guò)對(duì)自感現(xiàn)象的理解,我們能夠?qū)﹄姶鸥袘?yīng)現(xiàn)象的本質(zhì)進(jìn)行更深層次的探究。
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(作者簡(jiǎn)介:黃敬,成都七中萬(wàn)達(dá)學(xué)校。)endprint