自感现象演示装置改进

王理想

（新疆师范大学附属中学，新疆 乌鲁木齐 830054）

“互感和自感”教学中采用如图1和图2所示的电路图教具，演示通电自感和断电自感实验.

图1

图2

优点：（1）图1电路做通电自感实验，小灯泡A1相对小灯泡A2发光延时现象比较明显.

（2）图2电路做断电自感实验，小灯泡A相对之前发光突然变亮再熄灭现象明显.

缺点：（1）演示通电自感、断电自感分别在两个不同的电路中进行，如果用图1电路做断电自感实验，眼睛观察不到实验现象，容易带给学生概念理解、规律探究导向性错误.

（2）电路中不能直观地观察到自感电动势产生感应电流的方向.

经过实践，在图1电路中置入发光二极管，即可弥补以上的缺点且制作简单.介绍如下.

1 工作原理

图3

发光二极管 （简称LED）是一种能发光的半导体电子元件.LED与没有极性的白炽灯不同，当接上正向电压，在正向电流流过时才能发光，所需工作电流很小（有的仅10－1mA级即可发光）.若接上反向电压，电流会更细小（μA级），并且不发光.小电灯泡的工作原理是电流通过灯丝（钨丝，熔点达3000℃以上）时产生热量，螺旋状的灯丝不断将热量聚集，使得灯丝的温度达2000℃以上，灯丝在处于白炽状态时，就像烧红了的铁能发光一样而发出光来.灯丝的温度越高，发出的光就越亮，故称之为白炽灯，所需发光电流大约102mA.从响应时间来看，小灯泡的响应时间为ms级，LED灯的响应时间为ns级.可通过图5实物直观地给学生演示：调节电位器阻值增大，当小灯泡A2几乎不亮，二极管依旧亮光（如图3）.

如果用图1电路做断电自感实验，从能量角度分析，储存在线圈L中的磁场能在S断开瞬间立即转化为电能释放，并按一定的比例分给A1、A2、R和本身，A1上获得能量不足以使其亮度明显变化或延迟发光，故人眼观察不到实验现象.

如果在图1电路中用发光二极管代替小灯泡，在通电自感中，发光延时效果不足以使人眼产生视觉差异.所以在图1电路中置入发光二极管.所以自感现象演示的工作原理电路图和实物图如图4，图5.

图4

图5

2 制作材料与方法

塑料泡沫板一块（不用的宣传标语底板）、电位器2只、小灯泡座2个、小灯泡2只、电感线圈1个、开关1个、发光二极管50个，干电池5～6节、导线若干.先在塑料泡沫板表面粘上一层白纸，按图4在白纸上画好电路，仔细固定发光二极管，再将元件安装连接好（如图5）.

3 实验步骤及图示

（1）通电自感.闭合开关S，调节电位器，使两小灯泡A1、A2正常发光，亮度大致相同，支路D2、D4发光二极管发光显示出电流方向（如图6）.断开开关S，再闭合开关S瞬间，即可观察到小灯泡A1相对小灯泡A2发光延时现象，同时支路D2、D4发光二极管发光显示出电流方向.可知电流瞬间增大使电感线圈L中产生了左正右负的自感电动势阻碍电流流过小灯泡A1.

图6

图7

（2）断电自感.断开开关S瞬间，小灯泡 A1、A2、D2、D4熄灭，眼睛观察到支路D3发光二极管闪亮一下同时显示出电流方向（如图7是录制的视频中以正常播放速度的播放，显示的 D、A、A、D都在发2123光）.可知电流瞬间减小使电感线圈L中产生了左负右正的自感电动势流过支路D3发光二极管并使其闪亮一下.

4 改进装置优点

（1）实验教具制作简单，取材方便.

（2）把通电、断电自感实验融为一体，实验现象明显，这样学生观察到的现象、亲身经历的活动就多，对物理概念理解、规律的探究也相对容易一些.

（3）如果实验现象不明显，可现场录制视频，并以正常播放速度的播放，实验现象非常明显.

1 黄春如.如何在“通电自感”实验中观察到“断电自感”现象［J］.物理教师，2012（1）.

2 李俊丽.自感现象实验的改进与制作［J］.物理通报，2009（4）.