【高中物理】互感和自感課件 2022-2023學年高二下學期物理人教版（2019）選擇性必修第二冊

2.4互感和自感

1.互感現(xiàn)象

法拉第及互感現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)1831年8月29日，法拉第又進行了一個新的實驗：他用軟鐵做成右圖所示的環(huán)，其上繞有A、B兩線圈，B線圈接檢流計，A線圈和十個電池組連接，當接通或斷開電源時，發(fā)現(xiàn)電流計指針擺動。當維持通電狀態(tài)時，指針則無反應(yīng)。法拉第稱之為“伏打電感應(yīng)”?；ジ信c互感電動勢兩個線圈之間并沒有導線相連，但當一個線圈中的電流變化時，它所產(chǎn)生的變化的磁場會在另一個線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。這種現(xiàn)象叫作互感。其產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢叫互感電動勢。2.自感現(xiàn)象

思考，下列現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是什么我國高鐵車廂上方的“受電弓”沿著高壓(25kV)接觸線滑行，為電力機車提供穩(wěn)定的電能。然而在有凍雨或者電線結(jié)冰等氣象條件下，受電弓和接觸線之間往往會接觸不良，導致受電弓在高速滑行的過程中容易出現(xiàn)沖擊和離線狀態(tài)，甚至會跳出電火花產(chǎn)生電磁輻射。碰碰車的尾部有一根長導線與頂部帶電金屬板接觸而獲得電力(110V)。由于碰碰車的尾部長導線與金屬板的接觸并不牢靠，一旦出現(xiàn)空隙，就會打出“噼噼啪啪”的電火花。正常工作的電風扇(220V)在調(diào)換轉(zhuǎn)速擋時，開關(guān)盒中往往也會產(chǎn)生電火花。這些電火花產(chǎn)生的原因是什么呢?亨利及自感現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)美國人，少年時做過鐘表店的學徒，在一個偶然機會讀了《實驗哲學講義》后，對自然科學產(chǎn)生興趣。后來進入奧巴爾尼學院學習，1826年成為該學院教授，1832年受聘于普林斯頓大學作自然哲學教授，1846年任新成立的華盛頓斯密斯學院院長，亨利像法拉第一樣，對奧斯特實驗很感興趣。1829年，亨利在作電磁鐵的提舉力時，發(fā)現(xiàn)當通電線圈斷開時產(chǎn)生強烈的電火花。1830年，他繼續(xù)對這一現(xiàn)象進行研究：他將一個線圈接到電流計上，把線圈放在兩個電磁鐵之間，他發(fā)現(xiàn)，當電磁鐵接通和斷開電流時，電流計的指針都會突然發(fā)生偏轉(zhuǎn)。但由于當時教學工作繁重，他沒能接著將實驗進行下去。1831年底法拉第電磁感應(yīng)現(xiàn)象的報告發(fā)表出來，當亨利得知這一消息后，趕忙回頭感做自己的實驗，并于1832年7月將實驗結(jié)果發(fā)表在《美國科學雜志》，但這已是在法拉第之后了。亨利及自感現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)1832年亨利在論文《在長螺線管中的電自感》中還公布了自己的另一個新發(fā)現(xiàn)：一只線圈的電流不僅能在另一只線圈中感生出電流，而且也能在自身中感生出電流。在這個線圈中實際觀測到的電流則為原電流的許多倍，這種現(xiàn)象叫自感。此外，亨利還發(fā)明了繼電器。自感與自感電動勢當一個線圈中的電流變化時，它所產(chǎn)生的變化的磁場在線圈本身激發(fā)出感應(yīng)電動勢。這種現(xiàn)象稱為自感，由于自感而產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢叫作自感電動勢。自感電動勢的作用：阻礙導體中原來的電流變化。3.活動：觀察通電與斷電自感現(xiàn)象

觀察：通電自感與斷電自感現(xiàn)象實驗現(xiàn)象閉合開關(guān)S，調(diào)節(jié)變阻器R，使燈泡A1和A2亮度相同，再調(diào)節(jié)滑動變阻器R1，使兩個燈泡都正常發(fā)光，然后斷開開關(guān)S。重新閉合開關(guān)S，注意觀察開關(guān)閉合后兩個燈泡的發(fā)光情況。接通電源的瞬間，可以看到與滑動變阻器R串聯(lián)的燈泡A2立即正常發(fā)光;而與有鐵芯的線圈L串聯(lián)的燈泡A1卻是慢慢亮起來的。請你結(jié)合楞次定律和電路相關(guān)知識，解釋觀察到的現(xiàn)象現(xiàn)象的解釋在接通電路的瞬間，電路中的電流增大，穿過線圈L的磁通量也隨著增加，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，線圈中必然會產(chǎn)生感生電動勢，這個感生電動勢阻礙線圈中電流的增大.所以通過A1的電流只能逐漸增大，燈A1只能逐漸亮起來.電路斷開的瞬間，通過線圈的電流突然減弱，穿過線圈的磁通量也就很快地減少，因而在線圈中產(chǎn)生感生電動勢.雖然這時電源已經(jīng)斷開，但線圈L和燈泡A組成了閉合電路，在這個電路中有感生電流I通過，所以燈泡不會立即熄滅.4.自感系數(shù)

自感系數(shù)L自感電動勢的大小：與電流的變化率成正比。自感系數(shù)L：實驗表明，線圈越大、越粗，匝數(shù)越多，自感系數(shù)越大。另，帶有鐵芯的線圈的自感系數(shù)比沒有鐵芯時大得多。自感系數(shù)的單位：亨利，簡稱亨，符號是H。常用單位：毫亨mH微亨μH5.自感現(xiàn)象的應(yīng)用與防止

自感現(xiàn)象的應(yīng)用與防止節(jié)能燈和高壓汞燈的鎮(zhèn)流器就是利用自感現(xiàn)象產(chǎn)生的高電壓激發(fā)氣體導電，正常工作時又可以起到穩(wěn)流和限流作用，保護節(jié)能燈和高壓汞燈不被燒毀。自感現(xiàn)象在日光燈電路中的應(yīng)用燈管中有一些汞(Hg)的蒸氣。燈不亮時，Hg處于分子狀態(tài)，在高電壓的激發(fā)下Hg分子會電離。于是燈管內(nèi)便會形成電流，工作過程如下:(1)當S閉合瞬間燈管兩端雖然加上了220V電壓，而因Hg分子尚未電離故燈管內(nèi)無電流，此時燈不亮。但同時啟動器加上了220V電壓，其內(nèi)相距很近的兩金屬片間放電，溫度迅速升高。因為“П”形雙層金屬片內(nèi)層的金屬膨脹系數(shù)較大，于是上翹并與豎立的金屬片相觸，電路接通不再放電，溫度又降低。自感現(xiàn)象在日光燈電路中的應(yīng)用于是П形金屬片收縮并將電路斷開。斷開瞬間，連接在電路中的鎮(zhèn)流器是一個電感量很大的線圈，會產(chǎn)生一個很高的自感電動勢。從而使燈管兩端加上了一個幾千伏的瞬時高電壓，將燈管內(nèi)的Hg原子電離，這時燈管便有電流通過，于是燈就亮了。(2)燈亮了之后，啟動器處于斷路狀態(tài)不再工作;而鎮(zhèn)流器此時仍處于工作狀態(tài)。因為它是一個電感線圈，而通過的又是變化的交變電流，這樣線圈內(nèi)就會感應(yīng)出一個自感電動勢E，它的作用是阻礙電流變化，從而使電流不會太大，也不會太小，于是燈管正常發(fā)光。自感現(xiàn)象的應(yīng)用與防止在有些情況下自感現(xiàn)象是有害的，要加以防止。前面提到的高鐵通過受電弓從高壓接觸線輸入強電流，使大功率電動機驅(qū)動列車行駛。當受電弓與高壓接觸線之間瞬間脫離時，內(nèi)部有帶鐵芯的線圈的電動機就會產(chǎn)生很大的自感電動勢，甚至出現(xiàn)電火花。同理，碰碰車內(nèi)部也是由帶鐵芯的電動機作為動力，尾部長導線與金屬板的瞬間脫離接觸同樣會產(chǎn)生很大的自感電動勢。常見的變壓器和電動機等設(shè)備中帶有鐵芯的線圈都有很多匝，當電路中的開關(guān)斷開時會產(chǎn)生很大的自感電動勢，使得開關(guān)中金屬片與接觸點之間的空氣電離，產(chǎn)生的電火花容易燒蝕接觸點，有時甚至會延伸到開關(guān)外殼上，引起人身傷害。因此，電動機等大功率用電器的開關(guān)一般都裝