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高二物理人教版选修3-2同步课件:4-6 互感和自感


※ 了解互感现象及互感现象的应用 ※ 了解自感现象, 认识自感电动势的作用 ※ 知道自感系数的意义和决定因素. 会分 析自感现象中电流的变化

行驶在大街上的无轨电车拖着两条长的“辫子”.当 道路不平车身颠簸时,“辫子”瞬间脱离电网线,在“辫 子”与电网线之间就会闪现出电火花, 同时发出“啪、 啪” 的响声.这是什么原因呢?

互感现象


1.互感:互不相连的并相互靠近的两个线圈,当一个 线圈的电流变化时, 它所产生的变化的磁场会在另一个线 圈中产生 感应电动势 ,这种现象叫做互感.(如图所示)

2.互感电动势:互感现象中的电动势叫互感电动势. 3.互感的应用和危害 (1)互感现象可以把能量由一个电路传递到另 一个电

路. 变压器就是利用互感现象制成的.
(2)在电力工程和电子电路中, 互感现象 有时会影 响电路的正常工作,这时要求设法减小电路间的互感.

自感现象
1.概念:由于导体 本身的电流 发生变化而产生的 电磁感应现象,叫做自感现象. 2.自感电动势的方向:自感电动势的方向遵从楞次

定律 ,由于在自感现象里,引起穿过线圈磁通量变化的
原因是线圈自身的电流发生变化,因此,根据楞次定律可 以得到自感电动势的方向总是 “阻碍”引起自感电动势 的电流的变化.

对“阻碍”含义的正确理解是:当自感电动势是由于 电流增大而引起时,自感电动势阻碍电流增加,自感电动 势方向与原电流方向 相反 ; 当自感电动势是由于电流减 小而引起时,自感电动势阻碍电流减小,自感电动势方向 与原电流方向 相同.

3.自感电动势的大小:根据已知条件不同,自感电动 势的大小可以有以下两种算法: ΔΦ n ΔΦ Δt 计算,其中 n 为线圈的匝数, 为线圈 由 E= Δt 中磁通量的变化率. ΔI ΔI L 由 E= Δt 计算, 其中 L 为线圈的自感系数, 为 Δt 线圈中电流的变化率.

自感系数
1.概念:自感电动势与导体中电流的变化率成正比,比 例恒量即为 自感系数 ,简称自感或电感. 2.决定因素:自感系数 L 与线圈的形状、长短、匝数 及 有无铁芯 有关.线圈的横截面积越大,线圈越长,匝

数越密,其自感系数 L 就 越大. 如果线圈内有铁芯,则自 感系数 L 会比没有铁芯时 大的多.

3.单位:亨利(符号 H)1H= 103 mH= 106 μH. 4. 物理意义: 表征线圈产生自感电动势 本领大小 的 物理量.数值上等于通过线圈的电流在 1 秒内改变 1 安时 产生的自感电动势的大小.

磁场的能量
1.自感现象中的磁场能量 (1)线圈中电流从无到有,磁场从无到有,电源把能量 输送给 磁场 ,储存在 磁场 中. (2)线圈中电流减小时, 磁场 中的能量释放出来转化 为电能.

2.电的“惯性” 自感电动势有阻碍线圈中 电流变化 的“惯性”.

ΔI 答案:①电流变化的快慢( ) Δt 匝数及有无铁芯

②线圈的形状、长度、

一、自感现象的分析思路 1.明确通过自感线圈的电流的变化情况(增大还是减 小). 2.判断自感电动势方向,电流增强时(如通电时),自 感电动势方向与电流方向相反;电流减小时(如断电时), 自感电动势方向与电流方向相同.

3. 分析线圈中电流变化情况, 电流增强时(如通电时), 由于自感电动势方向与原电流方向相反,阻碍增加,电流 逐渐增大;电流减小时(如断电时),由于自感电动势方向 与原电流方向相同,阻碍减小,线圈中电流方向不变,电 流逐渐减小.

4. 明确电路中元件与自感线圈的连接方式, 若元件与 自感线圈串联,元件中的电流与线圈中电流有相同的变化 规律;若元件与自感线圈并联,元件上的电压与线圈上的 电压有相同的变化规律; 若元件与自感线圈构成临时回路, 元件成为自感线圈的临时外电路,元件中的电流大小与线 圈中电流大小有相同的变化规律.

二、两种电路的自感比较 与线圈串联的灯泡 与线圈并联的灯泡

电路 图

与线圈串联的灯泡 通 电 时

与线圈并联的灯泡

电流逐渐增大,灯 电流突然变大,然后逐渐减小达 泡逐渐变亮 到稳定 电路中稳态电流为 I1、I2

断 电流逐渐减小 电 灯泡逐渐变暗 时 电流方向不变

①若 I2≤I1,灯泡逐渐变暗; ②若 I2>I1,灯泡闪亮后逐渐变 暗. 两种情况灯泡电流方向均改变

特别提醒: 电流减小时,自感线圈中电流大小一定小于原先所通 电流大小,自感电动势可能大于原电源电动势.

三、磁场的能量 自感现象中的能量转化仍然遵循能量守恒定律,其能 量转化过程是这样的:闭合开关时,电源克服自感的阻碍 作用做功,把电能储存在线圈中,此时,电能变成了磁场 能;断开开关时,储存在线圈中的磁场能释放出来转化成 小灯泡的电能,该电能又通过发光、发热,转变成了光能 和内能. 自感实验告诉我们:磁场具有能量,磁场能够储存能 量.

易错点:判断不清自感电动势的作用 案例:如图所示,对于原来闭合的开关 S 突然断开的 瞬间,会看到灯 A 更亮的闪一下再熄灭.设 S 闭合时,灯 中电流为 I 灯,线圈 L 中电流为 IL,断开瞬间灯 A 中电流 为 I 灯′,线圈 L 中电流为 IL′,则( )

A.I 灯 <I 灯′,IL≥IL′ B.I 灯=I 灯′,IL≤IL′ C.I 灯 <I 灯′,IL≤IL′ D.I 灯 >I 灯′,IL≤IL′ [易错答案]C

[易错分析]认为断开 S 瞬间,L 内的电流减少, 中产 L 生很大的自感电动势, L 和灯 A 组成的闭合回路中产生 使 比原电流大得多的感应电流,故断开开关的瞬间电流关系 有 IL′>IL,IL′=I 灯′,故 I 灯 <I 灯′,而使灯 A 闪亮一 下再熄灭.

[正确解答]本题的关键是要认清产生自感现象的根本 原因,断开 S 的瞬间,因为 IL 的减小才产生自感电动势, 自感电动势阻碍 IL 的减小, 因此流过线圈 L 的电流只能是 减小而不能是增大,断开瞬间有 IL≥IL′,这时 L 和灯 A 组成的闭合回路是串联的,在自感电动势的作用下使 IL′ 流过灯 A,故 I 灯′=IL′.虽然 IL′是减小的,但在开始断 开的一小段时间内还是比灯 A 原来的电流 I 灯大,则有 I 灯 <I 灯 ′,使灯 A 在 S 断开瞬间闪亮一下才熄灭.

[正确答案]A

对自感现象的分析
(2010· 东北师大附中高二期中)如下图(a)、(b) 中,电阻 R 和自感线圈 L 的电阻值相等,接通 S,使电路 达到稳定状态,灯泡 D 发光,则( )

①在电路(a)中,断开 S,D 将渐渐变暗 ②在电路(a)中,断开 S,D 将先变得更亮,然后渐渐 变暗 ③在电路(b)中,断开 S,D 将渐渐变暗 ④在电路(b)中,断开 S,D 将先变得更亮,然后渐渐 变暗 A.①③ C.②④ B.②③ D.①④

? 解析:在电路(a)中自感线圈L与灯泡D串联,

D与L电流相等,断开S时产生自感电动势将 使D与L中的电流值从稳定状态逐渐减小,D 将渐渐变暗,而不是立即熄灭.在电路(b)中, L与D并联,稳定时L中电流比D中电流大,断 开S的瞬间,L中电流从稳定值逐渐减小,故S 断开瞬间,通过灯泡D的电流变大,D将先变 得更亮,然后渐渐变暗,故选项D正确. ? 答案:D

如图所示,A、B、C 是相同的白炽灯,L 是自感系数 很大,电阻很小的自感线圈,今将 K 闭合,下面说法正确 的是( )

? A.B、C灯同时亮,A灯后亮;
? B.A、B、C灯同时亮,然后A灯逐渐变暗,

最后熄灭 ? C.A灯一直不亮,只有B和C灯亮 ? D.以上说法都不对 ? 答案:B

解析:K 闭时,A、B、C 三灯都通电,三灯同时亮, 且由于自感线圈的自感作用,L 中瞬间无电流,A 中电流 为 B、C 灯中的两倍,A 灯最亮.电流稳定后,自感现象 消失,A 灯被线圈短路,逐渐熄灭,B 选项对.

自感现象中电流变化的图象问题
在如图所示的电路中电源内阻不能忽略,两个 相同的小灯泡 L1 和 L2 分别串联一个带铁芯的电感线圈 L 和一个滑动变阻器 R.闭合开关 S 后,调整 R,使 L1 和 L2 发光的亮度一样,此时流过两个灯泡的电流均为 I.然后, 断开 S.若 t′时刻再闭合 S, 则在 t′前后的一小段时间内, 正确反映流过 L1 的电流 i1、流过 L2 的电流 i2 随时间 t 变 化的图象是( )

解析:闭合开关 S 后,调整 R,使两个灯泡 L1、L2 发光的亮度一样,电流为 I,说明 RL=R.若 t′时刻再闭合 S,流过电感线圈 L 和灯泡 L1 的电流迅速增大,使电感线 圈 L 产生自感电动势, 阻碍了流过 L1 的电流 i1 增大, 直至 到达电流 I,故 A 错误,B 正确;而对于 t′时刻再闭合 S, 流过灯泡 L2 的电流 i2 立即达到最大, 然后逐渐减小至电流 I,故 C、D 错误.

答案:B

(2010· 潍坊市高二期中)如图所示,开关 S 是闭合的, 流过线圈 L 的电流为 i1,流过灯泡的电流为 i2,且 i1>i2. 在 t1 时刻,开关 S 断开,那么流过灯泡的电流 i 随时间 t 变化的图象是图中的( )

答案:D

解析:S 断开后的瞬间 L 与灯泡构成闭合回路,流过 灯泡的电流反向且从 i1 开始减小,故 D 项正确.

开放探究
如图所示的是一种触电保安器,变压器 A 处 用双股相线(火线)和零线平行绕制成圈,然后接到用电器 上,B 处有一个输出线圈,一旦有电流,经放大后便能立 即推动继电器 J 切断电源, 下列情况下能起保安作用的是 哪一种?说明理由.

(1)增加开灯的盏数,能否切断电源? (2)双手分别接触火线和零线,能否切断电源? (3)单手接触相线,脚与地相接触而触电,能否切断电 源?

解析:(1)不能. 因 A 处线圈是采用的双线绕法,增加开灯的盏数只会 使电路中电流增大,但 A 中两线中电流始终大小相等方向 相反,磁通量相互抵消,B 中磁通量不发生改变,不能产 生感应电流,故不能推动 J 切断电源. (2)不能.理由同(1).

(3)能.因为有电流通过人体而流入地下,使 A 中零线 与火线的电流不同从而产生磁场,B 中磁通量发生改变, B 中产生感应电流,从而推动 J 切断电源.

点评:本例是互感现象的具体实际应用,通过对本题 的研究,深刻理解互感现象.

下图甲是日光灯电路图,由日光灯管、镇流器、启动 器、开关等组成.若将图甲中启动器换为开关 S1,并给镇 流器并联一个开关 S2, 如图乙所示, 则下列叙述正确的是 ( )

? A.只把S3接通,日光灯就能正常发光
? B.把S3、S1接通后,S2不接通,日光灯就能

正常发光 ? C.S2 不接通,接通S3、S1 后,再断开S1 ,日 光灯就能正常发光 ? D.当日光灯正常发光后,再接通S2,日光灯 仍能正常发光 ? 答案:C

解析:一般日光灯启动时瞬间把电源、灯丝、镇流器 接通,然后自动断开,靠镇流器产生瞬时高压,使灯管内 气体导电,所以启动时既要使乙图中 S3 闭合,又需使 S1 瞬间闭合再断开,A、B 错,C 对.正常工作时镇流器起 降压限流作用,若把乙图中 S3 闭合,则镇流器失去作用, 日光灯不能正常工作,D 错.


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