摘 要： 演示自感现象实验时,厂家生产的演示器材有两组回路,分别演示通电自感和断电自感现象,而且利用传感器直观观察电流变化不方便,留下一组线圈并结合高中电路实验板改制成多功能实验板,可以实现多个实验的演示．
关键词： 自感现象； 感抗； 容抗
1 原有实验器材使用的改进
(1) 通电自感改进.
演示通电自感现象装置电路如图1(a)所示,通过对比两个完全相同的灯泡在接通直流4V电源后变亮的时间不同,得出线圈在开关接通瞬间自感现象产生的电动势与电源所加电压反向,阻碍电流增大,导致灯泡A2发光延时．为了形象地感知灯泡A2中电流的变化,在A处将导线断开,串联接入电流传感器,再次接通开关,得到图像如图1(b),曲线变化的电流表明线圈的延时阻碍作用．
图1
(2) 断电自感改进.
利用图1电路断开电源时,灯泡A1并没有什么特别变化,因此使用如图2(a)所示电路,所用电源为1节干电池,由于线圈电流较大,断开电源瞬间,灯泡由原来较暗状态忽然闪亮一下后熄灭,为了证明灯泡中闪亮时的电流是由线圈提供的,在B处断开,串接上电流传感器,得到图像如图2(b),第一个峰值是接通电路时形成的,断电时电流反向但峰值却比原来小,按道理不能出现灯泡闪亮的现象,分析原因可能是由于传感器中有其他电器元件阻碍了电流．在B处接上1个二极管,接通开关后灯泡不亮,断开开关瞬间闪亮;若原来灯泡处于接通点亮状态,则断开时不能观察灯泡闪亮现象．后来笔者又使用了示波器,将灯泡两端的电压输入,断开开关瞬间电压变化如图2(c)所示,反向电压远高于原来电压,所以能解释所观察到的明显闪亮现象．
图2
2 自制实验板的来由
使用上述实验器材过程中,用两组线圈分别观察,总让人觉得一组线圈只有通电自感作用,而另一组只有断电自感作用,并且当连接其他器材时,需要将线路断开,非常麻烦．偶然有次在实验室中看到一种实验板,上面布满插孔,学生可以利用导线自由连接电路,于是就产生了自己组装的想法．
3 改进过程及电路板的使用
尝试了多个线圈后,通电自感现象均不明显,所以就使用了原装置中的第一组线圈,将实验板裁成两个长条安装在木板上,将电源插孔和开关,电线连接固定,如图3所示．
图3
图4
(1) 通电自感现象仍使用原来两个相同小灯泡演示,观察电流变化时只要将灯A2与线圈相连的导线拔下,两端串接上电流传感器的接头即可．
(2) 断电自感时,将灯泡A1换成“220 V 3 W”的节能灯泡,这种灯泡内本身就有线圈,所以断电能够看到明显的闪亮现象,并且不用担心会损坏．对比原来的灯泡A1,得出断电时并不是一定会产生“闪亮一下”的现象．
(3) 在演示电容器、电感对直流、交流电路的阻碍时,使用该装置．电容与小灯泡串联,接入直流电压6V,接通电路,可以看到与线圈串联的灯泡发光,而与电容器串联的灯泡不发光如图5所示;换成交流电源6V时,则可以看到与线圈串联的灯泡不发光,而与电容器串联的灯泡发光如图6所示．从而可以得出电容器“隔直通交”、电感器“通直流、阻交流”的特点．
图5
图6
(4) 进一步研究电容器的容抗与哪些因素有关.可以控制电源一定，换用不同电容与灯泡串联,观察灯泡的亮度变化,得出容抗与电容的关系;还可以使用同一电容,接通可变频的信号发生器,观察灯泡的亮度变化,得出容抗与频率的关系,加深对容抗公式的理解．
(5) 同理研究感抗与哪些因素有关时,也用控制变量的方法得出感抗与频率、电感的定性关系．
4 实验中的偶然发现
在观察电容器对直流电的作用时,如果使用学生电源的直流电压电源,适当调高电压,仍可以观察到灯泡发光．原因是学生电源中的直流电源通过滤波产生,输出的电源并不是稳恒电压,虽然方向不变,大小仍在变化,电容实际上在不停地充电放电,造成小灯泡上存在交变电流,当电压达到一定数值,灯泡上的电流达到一定极限,就可以观察到灯泡发光了．
