鄭 金
(凌源市職教中心 遼寧 朝陽 122500)
用電池給電感線圈通電,或將直流電路中的電感線圈隔斷電源,都會發(fā)生自感現(xiàn)象.直流RL電路中的電流或電壓隨時間變化的過程是瞬態(tài)過程.下面利用瞬態(tài)過程的規(guī)律對有關直流電路中電感線圈的幾個疑難問題進行分析.
【例1】(第25屆全國中學生物理競賽預賽第6題)圖1中L是繞在鐵心上的線圈,它與電阻R,R0,開關和電池E可構成閉合回路.線圈上的箭頭表示線圈中電流的正方向,當電流的流向與箭頭所示的方向相同時,該電流為正,否則為負.開關S1,S2都在斷開狀態(tài).設在t=0時刻,接通開關S1,經(jīng)過一段時間,在t=t1時刻,再接通開關S2,則能較正確地表示L中的電流I隨時間t變化的圖線是圖2中的哪個圖?( )
圖1 例1題圖
圖2
解析:當開關S1閉合時,電源給線圈充電,線圈產(chǎn)生自感電動勢,其大小為
與電源方向相反,列出回路電壓方程為
E-EL=I(R0+R)
由此推出電流的微分方程為
可見
已知
I0=0
利用瞬態(tài)過程的結論可得
其圖像如圖3所示.
圖3 接通S1時I-t圖像
當接通S2時,線圈與電源隔斷,通過導線和電阻R放電.電流保持原來方向突然衰減,考慮到微分di為負值,則產(chǎn)生自感電動勢的大小為
自感電動勢相當于電源,由歐姆定律有
EL=IR
即
可見
而在接通開關S2之前線圈中的最大電流為
可得
其圖像如圖4所示.
圖4 接通S2時I-t圖像
若進行不定量分析,而憑主觀認為線圈放電時回路中電流的最大值比原來的大了,即選擇B,則是錯誤的.若把線圈替換為直導線或純電阻,則選項D正確.
【例2】如圖5所示為演示斷電自感現(xiàn)象的電路.試分析自感電動勢的大小跟哪些因素有關?
圖5 例2題圖
解析:設電源內(nèi)阻為零,燈泡電阻為R,電感線圈的直流電阻為RL,與純電感串聯(lián).當開關S接通后產(chǎn)生的電流達到穩(wěn)態(tài)時,電感線圈中的電流為
燈泡中的電流為
當開關S斷開時,線圈中的電流突然衰減,將產(chǎn)生自感電動勢
與燈泡構成回路,由歐姆定律得微分方程為
變形為標準形式為
可見
而
由瞬態(tài)過程的結論可知電流與時間的關系式為
則自感電動勢為
由此可知,自感電動勢的最大值大于電源的電動勢,與自感系數(shù)和電流的變化率都無關.若根據(jù)自感電動勢公式
認為只要自感系數(shù)足夠大,電流變化率足夠大,自感電動勢就很大,則是錯誤的.自感電流的最大值為
因此斷電時的自感電流不會超過斷電之前的電流.
自感電動勢變化的快慢和電流變化的快慢都由時間常數(shù)τ決定,與開關的閉合或打開的快慢無關.
利用斷電自感電路圖5可發(fā)生“千人震”自感現(xiàn)象:兩個學生手拉手代替小燈泡,當斷開S的瞬間,讓人有強烈的電擊感.如果參與的人數(shù)增多,則電擊反而會感減弱,究其原因,有一種錯誤觀點認為是由于每個人體兩端的電壓變小了.其實不然,下面進行定量分析.
設每個人體的電阻為R,則自感電動勢的最大值為
由于電感線圈上的電壓降是
UL=I0RL
則串聯(lián)人體兩端的最大電壓為
Um=ELm-UL=nI0R
那么每個人體兩端的最大電壓為
跟參與人數(shù)的多少無關,當參與的人數(shù)增多時,每個人體兩端的電壓并非變小了.實際是由于時間常數(shù)
變小了,則線圈放電電流持續(xù)的時間變短了,因此導致電擊感不明顯.或者從能量觀點來說,線圈儲存的磁場能
是確定值,當牽手人數(shù)增多時,人均獲得的能量變少了,因此電擊感變?nèi)趿?
還有一種斷電自感現(xiàn)象是大電感電路在切斷電源時產(chǎn)生打火的現(xiàn)象,常見的解釋為:“由于電感很大,而且電流變化很快,因此會產(chǎn)生很高的自感電動勢,在電閘的間隙產(chǎn)生打火,可能燒壞電閘.”或者解釋為:“大電感電路在切斷電源時,可能出現(xiàn)瞬時的過大電流,造成事故.”這些觀點都是不妥的.
【例3】如圖6所示電路,是大電感電路在切斷電源時的模擬電路.開始時開關閉合,當開關斷開時,自感電動勢怎樣變化?如何解釋電感電路在切斷電源時出現(xiàn)的打火現(xiàn)象?
圖6 例3題圖
解析:開關在閉合狀態(tài)時,線圈中的電流為
當開關斷開時,線圈中的電流減小,產(chǎn)生的自感電動勢為
跟電源同向,則回路電壓方程為
E+EL=I(RL+R)
可得微分方程為
則
而
由瞬態(tài)過程的結論可知電流為
自感電動勢為
當t=0時,電流變化率為
這表明,在開關斷開瞬時,電流變化率的大小由電路元件的4個參數(shù)共同決定.而自感電動勢的大小由電路元件的3個參數(shù)共同決定,但與自感系數(shù)無關.電感電路在電閘斷開瞬時,兩個觸點間隙的雜質空氣柱相當于阻值很大的電阻R,此時空氣柱兩端的電壓為
由于R?RL,則UR?E.因此當斷電時,空氣柱兩端產(chǎn)生瞬時高壓,在一定條件下空氣被電離,出現(xiàn)打火現(xiàn)象.電流圖像如圖7所示,由時間常數(shù)
圖7 斷開S時I-t圖像
可知,自感系數(shù)越大,則電流衰減得越慢,電流維持在I0附近的時間越長,打火過程中產(chǎn)生的焦耳熱就越大,可能燒壞電閘.
還可用實驗電路圖6來模擬日光燈啟動時其兩端電壓的變化情況,R代表燈管,其直流電阻很大,S代表啟輝器,當S由接通狀態(tài)突然斷開時,在燈管兩端產(chǎn)生瞬時較高的電壓
在數(shù)值上等于線圈的自感電動勢.
總之,解題時都需要推導電流與時間的關系式.
1 張宏慈.簡評對斷電自感的不當解釋.物理教師,2010(11):37
2 鄧宗茂,趙志剛.談“千人震”自感現(xiàn)象實驗.物理通報,2013(10):126
3 郭興林,彭潔.改造示波器,觀察自感現(xiàn)象.物理教學,2004(4):26