改進(jìn)斷電自感演示實(shí)驗(yàn)的嘗試

崔東昊

自感現(xiàn)象是電磁感應(yīng)現(xiàn)象的一種，在高中的物理學(xué)習(xí)中是一個重要的知識點(diǎn)。而斷電自感是其中的一個重要組成部分，其實(shí)現(xiàn)現(xiàn)象相對比較明顯，因此，在學(xué)習(xí)過程中，我們往往跟隨老師進(jìn)行相應(yīng)的演示實(shí)驗(yàn)，而在課下，出于對物理的學(xué)習(xí)興趣，以及對電磁感應(yīng)現(xiàn)象的好奇，我們會對相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行一定的回顧，并在老師的指導(dǎo)下進(jìn)一步地深入學(xué)習(xí)，并對實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行更深的探討，以此加深對課堂知識的了解。

一、斷電自感現(xiàn)象的原理

1.自感現(xiàn)象

自感現(xiàn)象是一種相對而言比較特殊的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，主要是指在導(dǎo)體中的電流發(fā)生一定的變化的時候，導(dǎo)體周圍的磁場就會隨之產(chǎn)生相應(yīng)的變化，繼而磁通量也會隨之發(fā)生相應(yīng)的改變，并產(chǎn)生自感電動勢，而其自感電動勢往往會阻礙導(dǎo)體中原本的電流變化。自感現(xiàn)象往往通過自感電動勢來體現(xiàn)，而自感電動勢的主要影響因素就是自感現(xiàn)象發(fā)生的過程中電路中電流的變化。同時，自感現(xiàn)象主要發(fā)生在接通電路或者斷開電路的瞬間，這是因?yàn)?，這時電路中的電流變化比較大，通電自感和斷電自感的表現(xiàn)往往不盡相同，而斷電自感的現(xiàn)象更加明顯，更加便于觀察和演示。

2.斷電自感

在電路中的電源被切斷時，電路中的電流會迅速發(fā)生變化，使電感線圈產(chǎn)生相應(yīng)的自感電動勢，進(jìn)而阻礙元電流的變化，即，使原電流減少的速度變慢。此時，電感線圈就相當(dāng)于整個電路中又產(chǎn)生的另外一個電源，并且在斷電發(fā)生的瞬間，自感電動勢所產(chǎn)生的電流與電路中本來存在的電流大小一致，之后再逐漸減小直至變?yōu)榱?，另外，自感電動勢產(chǎn)生的電流盡管是阻礙原來電路中的電流發(fā)生變化的，但是，其電流的方向是與原來的電流方向保持一致的。而在斷電自感的演示中，由于電路等設(shè)計的不同，實(shí)驗(yàn)電路中的燈泡在斷電瞬間往往會保持一定的亮度，甚至?xí)跀嚯姷乃查g閃亮一下，然后再逐漸熄滅，這使我們能夠直觀地感受到斷電自感現(xiàn)象的發(fā)生及其作用的體現(xiàn)。

二、斷電自感演示實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

1.傳統(tǒng)的演示方法

圖1 傳統(tǒng)的斷電自感演示實(shí)驗(yàn)電路

如圖1所示，傳統(tǒng)的斷電自感演示實(shí)驗(yàn)只用了一個燈泡，在演示的過程中，在切斷電源的瞬間，電燈泡似乎直接熄滅而沒有發(fā)生斷電自感現(xiàn)象，同時也沒有對比，因此該實(shí)驗(yàn)的形象性很難得到體現(xiàn)，沒有直觀的實(shí)驗(yàn)效果，從而也很難產(chǎn)生相應(yīng)的理解。因此，在老師的幫助下，通過查閱文獻(xiàn)等方法，對該實(shí)驗(yàn)采取了一定的改進(jìn)措施，使斷電自感的現(xiàn)象能夠更加直觀地得以體現(xiàn)。

2.改進(jìn)后的演示方法

如圖2所示，改進(jìn)后的斷電自感演示實(shí)驗(yàn)電路采用的是發(fā)光二極管，其中的開關(guān)仍然采用電路的電鍵，而非電源開關(guān)。實(shí)驗(yàn)過程及現(xiàn)象如下：

圖2 改進(jìn)后的斷電自感演示實(shí)驗(yàn)電路

（1）組裝電路，將二極管按照正確方向進(jìn)行連接；

（2）閉合開關(guān)，二極管不發(fā)光；

（3）當(dāng)電路穩(wěn)定后，突然切斷開關(guān)，此時二極管瞬間發(fā)亮，之后其亮度逐漸降低，直至消失。

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)表明，二極管在電源斷開后，其亮度的變化與教材中描述的斷電自感現(xiàn)象吻合，并且其實(shí)驗(yàn)效果比較明顯。這說明在電源斷開的瞬間，該電路中的線圈發(fā)生了自感現(xiàn)象，并且產(chǎn)生了一定的自感電動勢，從而使線路中電流消失的速度變慢，即阻礙了電流的減小。在切斷電源之后的過程中，自感線圈起到了二極管的電源的作用，為其提供電流，進(jìn)而使其亮度逐漸變暗。同時，二極管的發(fā)亮也說明了電源斷開前后，通過二極管的電流其方向并沒有發(fā)生改變，即自感線圈中的電流與整個電路中原來的電流方向是一致的，并沒有發(fā)生方向上的改變。這也使我們對斷電自感現(xiàn)象的理解更加直觀，同時，對整個過程中的電流變化及方向問題也有了更加清晰而明確的理解。

三、自感現(xiàn)象的實(shí)際應(yīng)用

自感現(xiàn)象在實(shí)踐中也有很多用途，例如，日光燈中的鎮(zhèn)流器就是利用線圈的自感現(xiàn)象，使得電壓增加，進(jìn)而與啟輝器共同作用使燈管發(fā)光。另外，煤氣灶的點(diǎn)火裝置，汽車的點(diǎn)火裝置，電風(fēng)扇的電動機(jī)線圈，收音機(jī)的調(diào)頻裝置等都利用的了線圈的自感現(xiàn)象。但是，在實(shí)踐中，斷電時的自感現(xiàn)象也具有一定的負(fù)面影響，例如，大型的電機(jī)等在電源被切斷的瞬間會產(chǎn)生瞬時高壓，在開關(guān)附近形成極為不利的影響，嚴(yán)重時甚至?xí)＜跋嚓P(guān)人員的生命安全。因此，我們應(yīng)學(xué)會利用物理中的知識指導(dǎo)相關(guān)的生產(chǎn)和生活實(shí)踐。

綜上所述，斷電時的自感現(xiàn)象有比較明顯的特征，具有較好的觀察意義。通過實(shí)驗(yàn)過程中將燈泡換成二極管等步驟的改進(jìn)，斷電時的自感現(xiàn)象被放大，同時其延時性也大大增加，這使我們對斷電時的自感現(xiàn)象有了更加清晰的認(rèn)識，同時，自己動手進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，也使我們對物理的學(xué)習(xí)更加有信心，更加具有探索精神。