電感器對(duì)交直流作用演示儀*

馬志華 黃春如

(江西省樟樹(shù)市第三中學(xué) 江西 樟樹(shù) 331200)

在“電感和電容對(duì)交變電流的影響”這一節(jié)的教材中，要求學(xué)生定性認(rèn)識(shí)電感和電容對(duì)電流的阻礙作用，書(shū)中電感器對(duì)交變電流的阻礙作用的大小表述為：線(xiàn)圈的自感系數(shù)越大、交流電的頻率越高，電感對(duì)交流電的阻礙作用就越大，線(xiàn)圈的感抗也就越大[1]．但教材中這一部分的實(shí)驗(yàn)卻較少，僅有一個(gè)是對(duì)比電感對(duì)交、直流電流的不同阻礙作用，教材中與上面的表述相對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，即自感系數(shù)的變化、頻率的變化與感抗關(guān)系的實(shí)驗(yàn)卻沒(méi)有．由于頻率變化的交流電難以找到，更增加了交流電的頻率變化對(duì)電感器感抗影響的實(shí)驗(yàn)難度[2]．為了突破上述難點(diǎn)，我們用手頭的簡(jiǎn)易器材做實(shí)驗(yàn)，特別是用直流模擬出交流的效果，用實(shí)驗(yàn)直觀地得出電感器“通直流、阻交流”的結(jié)論，并通過(guò)演示明確了電感器對(duì)交變電流的阻礙作用與線(xiàn)圈的自感系數(shù)的大小及電源頻率的關(guān)系，教學(xué)效果明顯．

1 實(shí)驗(yàn)電路

如圖1所示，單刀雙擲開(kāi)關(guān)中心頭接實(shí)驗(yàn)電路，1和2端接交流電源， 3和4端接直流電源．A1和A2為3.8 V小電珠，A1的作用是通過(guò)其亮度變化來(lái)顯示電路中的電流的強(qiáng)弱變化，從而體現(xiàn)電路中各元件對(duì)交流電和直流電的作用情況．A2的作用是檢驗(yàn)交流電源電壓的有效值與直流電源電壓大小的關(guān)系．電感器L的線(xiàn)圈匝數(shù)和鐵芯做成活動(dòng)式，按電感量大小分為3組，如圖2所示．

圖1

圖2 電感器實(shí)物照片

2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)物裝置如圖3所示，交流電源采用家用多功能電源變壓器(可輸出0～12 V)中的一組線(xiàn)圈，使其輸出的交流電壓約為3.7 V．直流電源采用廢舊手機(jī)電池，輸出電壓3.7 V．

圖3 演示儀實(shí)物裝置圖

線(xiàn)圈L的制作方法：取線(xiàn)徑0.5～0.6 mm的漆包線(xiàn)約35 m長(zhǎng)，繞成半徑約5.5 cm的線(xiàn)圈，可繞100匝．為防止匝間散開(kāi)，用膠帶纏繞固定．之后，再將100匝的大線(xiàn)圈通過(guò)兩次“8”字形扭轉(zhuǎn)，做成一個(gè)3大匝的線(xiàn)圈．線(xiàn)圈的鐵芯用廢舊彩電行輸出中的鐵氧體磁芯．將1大匝線(xiàn)圈穿入磁芯，此時(shí)線(xiàn)圈的電感較小；將2大匝穿入鐵芯，線(xiàn)圈的電感較大；將3大匝線(xiàn)圈全部穿入鐵芯，線(xiàn)圈的電感最大，如圖2中的(a)、(b)、(c)所示，這樣就做成了一個(gè)電感量可變化的線(xiàn)圈．

3 實(shí)驗(yàn)方法

單刀雙擲開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，將變壓器初級(jí)線(xiàn)圈接入220 V交流電源．

3.1 驗(yàn)證交流電源電壓的有效值與直流電源大致相等(等效替代法)

為了比較交流與直流對(duì)電感作用的效果，須選擇交流電源電壓的有效值與直流電源電壓值大致相等，精確的方法是用多用電表交、直流擋分別測(cè)單刀接入交、直流電源時(shí)的電壓值，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為等效替代的方法解決上述問(wèn)題，方案是：圖1中先將小電珠A2連線(xiàn)的兩端插入5和6插孔(此時(shí)線(xiàn)圈L不接入電路)，將單刀雙擲開(kāi)關(guān)與交流電源1和2端接通，觀察小電珠的亮度；之后將單刀雙擲開(kāi)關(guān)與直流電源3和4端接通，觀察小電珠的亮度．通過(guò)前后交、直流供電小電珠亮度的比較，說(shuō)明交流電源電壓的有效值與直流電源電壓大致相等．

3.2 驗(yàn)證電感器“通直流 阻交流” 且電感越大其對(duì)交流電的感抗越大(控制變量法)

移開(kāi)小電珠A2，將線(xiàn)圈L按電感量從小到大的順序接入插孔5和7中，后將單刀雙擲開(kāi)關(guān)分別接通交流電源和直流電源，觀察小電珠A1的亮暗情況．

(1)若單刀雙擲開(kāi)關(guān)接入直流電源，L變化時(shí)可發(fā)現(xiàn)小電珠A1的亮度不發(fā)生變化，即電感大小對(duì)直流作用無(wú)變化；

(2)若單刀雙擲開(kāi)關(guān)接入交流電源，隨著L的變大可發(fā)現(xiàn)小電珠A1的亮度逐漸變暗．圖3實(shí)驗(yàn)電路中的線(xiàn)圈組合與小電珠亮度的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖4所示．在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我們還可輕易的將鐵芯從封閉變?yōu)榉蛛x，或從分離變?yōu)榉忾]，引起線(xiàn)圈電感大小的進(jìn)一步變化，對(duì)比小電珠的亮暗可得出電感對(duì)交流電的作用結(jié)果．

圖4 隨著自感變大，小電珠亮度變暗

3.3 驗(yàn)證交流電變化的頻率越大電感器的感抗越大(模擬替代)

為了探究交流電頻率變化對(duì)電感的影響，我們?cè)噲D用手搖交流發(fā)電機(jī)做實(shí)驗(yàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)快慢變化時(shí)，輸出交流電的頻率發(fā)生了變化，但隨著轉(zhuǎn)速的加快，輸出電源的電壓也增大，因而多個(gè)變量作用于電感線(xiàn)圈L，形成不了有效的結(jié)論．如何使方向變化而輸出電壓不變呢，我們?cè)O(shè)計(jì)了以下方案：脫開(kāi)圖1中交流電源與1和2的連接，將單刀雙擲開(kāi)關(guān)中的1和4接線(xiàn)柱、2和3接線(xiàn)柱分別連接，電路圖及實(shí)物連線(xiàn)圖如圖5所示．

圖5 電路圖及實(shí)物連線(xiàn)圖

這樣，當(dāng)單刀開(kāi)關(guān)分別與上觸頭1和2，下觸頭3和4交替接通時(shí)，電路輸入端5和6兩端電源的極性交替變化，導(dǎo)致A1和L回路中的電流方向交替變化，即用一個(gè)直流電源模擬出了交替變化的交流電的效果，隨著單刀開(kāi)關(guān)交替變化的速度加快，即回路中電流變化頻率變大時(shí)，小電珠A1的亮度明顯減弱．按照上述思路，我們用廢舊多用電表的擋位轉(zhuǎn)動(dòng)開(kāi)關(guān)，加工制作了一個(gè)可使直流電源極性交替連續(xù)變化的旋轉(zhuǎn)式開(kāi)關(guān)，內(nèi)部電路如圖6所示，應(yīng)用到上述電路中，效果非常明顯．綜上實(shí)驗(yàn)過(guò)程，從而得出結(jié)論：電流交替變化的頻率越高，電感器對(duì)交流電的阻礙作用就越大，感抗也就越大．

圖6 旋轉(zhuǎn)式開(kāi)關(guān)的內(nèi)部電路

上述實(shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)單，易操作，其中蘊(yùn)涵的物理思想和研究方法，對(duì)提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與動(dòng)手能力都能起到很好的促進(jìn)作用．

參考文獻(xiàn)

1 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū).物理選修3-2(第2版).北京：人民教育出版社,2010.37～40

2 丁兵.低頻信號(hào)發(fā)生器在感抗、容抗實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用.物理通報(bào)，2008(4)：48～49