资源简介

10-3 自感和互感
一、教学目标
理解自感现象的原理及自感系数的意义，会求自感电动势。
理解互感现象，理解变压器的工作原理。
二、教学重点难点
重点: 自感、互感、自感系数的概念和自感电动势的计算
难点: 自感、自感系数
三、教学器材
自感现象示教板，实验装置图
四、教学建议
教法建议：讨论、演示实验、讲解
教学设计方案：
（一）引入新课
我们认识了电磁感应现象，学习了楞次定律和法拉第电磁感应定律，会计算感应电动势并判定其方向。在日常生活和生产技术中，电磁感应现角都有哪些应用呢？我们以自感、互感为例为了解电磁感应的应用。
（二）引出课程内容
1．自感现象
当闭合电路本身的电流发生变化时，也会引起电磁感应现象，我们通过实验来研究这种现象。
实验一：按图1组成电路。合上开关S，调节变阻器R，使规格相同的灯H1和H2达到相同的亮度，再调节变阻器R1，使两灯都正常发光，然后断开开关S。再接通电路时，可以看到H2立即达到正常亮度，而H1逐渐达到正常亮度。原因何在呢？这是因为H1和线圈L串联，接通电路的瞬间，通过线圈L的电流增大，穿过线圈的磁通量增加，在线圈中产生了感应电动势。由楞次定律可知，线圈产生的感应电动势要阻碍线圈中电流的增大，所以H1缓慢地达到正常亮度。
图1 自感现象（1） 图2 自感现象（2）
实验二：按图2组成电路。接通电路，在灯泡正常发光后，再断开开关S。我们看到灯H1并不立即熄灭，而是逐渐暗下来，经过一段时间后才熄灭。这是由于开关断开的瞬间，与H1并联的线圈L中电流突然减小，使穿过线圈的磁通量迅速减小，在线圈中产生了感应电动势。开关S断开后，线圈和H1组成了闭合电路，感应电动势在这个回路中产生感应电流，以阻碍原来的电流减小，所以断电后灯泡不会立即熄灭。灯H2也是用来与H1对比的，可以看到H2在开关S断开后立即熄灭。
由以上两个实验可知，当导体中电流发生变化时，导体本身就会产生感应电动势。这种由于导体本身电流的变化而产生的电磁感应现象，称为自感现象，简称自感。
2.自感电动势
在自感现象中产生的感应电动势，称为自感电动势，用来表示。自感电动势与哪些因素有关呢？
由电磁感应定律可知，自感电动势和所有感应电动势一样，其大小与穿过线圈中磁通量的变化率成正比。因为磁通量的变化是由于线圈中电流的变化引起的，所以，磁通量的变化率与线圈中电流的变化率成正比。因此，自感电动势与电流的变化率成正比，即
电流的改变量，应用上式计算时，取绝对值。
自感电动势的方向：由实验可以看出，自感电动势总是要阻碍导体中原来电流的变化。它的方向可用楞次定律判断：当电流增大时，自感电动势的方向与线圈中原来电流的方向相反；当电流减小时，自感电动势的方向与线圈中原来电流的方向相同。
3.自感系数
在公式中，L称为线圈的自感系数，简称自感或电感。
自感系数反映了线圈对其中电流变化的阻碍作用，它由线圈本身的性质决定。线圈的匝数越多，截面积越大，自感系数越大。在线圈中放入铁心，会显著增大自感系数。
自感系数的SI单位是亨利，符号是H。
1 H=1 V·s/A 1 H=103 mH=106 μH
自感现象在实际中有很多应用，如收音机的高频线圈，日光灯的镇流器，自耦变压器等。但是，自感也有不利的一面，例如在电压较高、电流较强的电路中，在切断电路的瞬间，会产生很强的自感电动势，容易在开关处产生电弧，烧坏开关，甚至伤害操作人员，因此这些场所应使用特制的安全开关。
4.互感现象
演示实验如图2,当一个线圈中的电流发生变化时，在邻近的另一个线圈回路中会产生感应电动势。这种现象称为互感现象。
互感现象的应用：变压器
图3 互感现象 图4 变压器
变压器是利用互感现象改变电压的电气设备，它广泛应用于电力工程、通信工程及电子电路中。变压器种类很多，但工作原理基本相同。最简单的变压器是在一个闭合铁心上，用绝缘导线绕上两上线圈，当原线圈中通上交变电流时，在铁心上产生交变磁场。交变磁场的磁通经铁心穿过副线圈， 使穿过副线圈的磁通量发生变化，从而在副线圈中产生感应电动势。如果副线圈接上用电器，则副线圈中就会产生感应电流。
设原线圈两端电压为，匝数为，副线圈两端电压为，匝数为。实验证明，变压器原线圈与副线圈两端电压之比等于它们的匝数比，即
当＞时，＞，这种变压器称为升压变压器；当＜时，＜，这种变压器称为降压变压器。
如果忽略变压器本身的能量损失，变压器的输出功率与输入功率相等，。结合式可得
说明变压器工作时原副线圈中的电流与它们的匝数成反比。
实际上，电流通过线圈时，线圈的电阻消耗电流产生热量；铁心中磁通量发生变化时，铁心会发热，也要消耗能量。因此变压器的输入功率和输出功率并不相等。变压器的输出功率与输入功率的比值称为变压器的效率。大型变压器的效率可达98%——99.5%。
互感现象的应用：电焊机
电焊机利用变压器得到大电流，利用焦耳热熔化焊条，把金属件焊接在一起，在机械制造、管道安装、建筑工程等领域有广泛的应用。图5是交流电焊机原理图。电焊机由电焊变压器、电抗器、焊钳和地线组成。
电焊变压器是降压变压器，次级线圈匝数少、电压小，输出电流很大。次级线圈的一端与焊钳连接，另一端（通过电抗器）与焊件连接，与焊件的连接线常称为地线。焊接时，先使焊条轻触焊件，电路接通（次级线圈—焊钳—焊条—焊件—地线—电抗器—次级线圈）；然后迅速使焊条、焊件分开，但间距极小，次级电压U2使它们之间空气隙的气体分子电离，电路仍保持接通状态（次级线圈—焊钳—焊条—空气隙中的离子—焊件—地线—电抗器—次级线圈），焊接开始。由于电流大、空气隙处电阻大，按照焦耳定律（Q=I2Rt），该处会大量发热，结果使焊条熔化，把焊件焊接在一起。如果焊条、焊件间距离过大，次级电压无法使空气隙的分子电离，电路就会断开。
在电焊变压器的次级线圈上，串联有电抗器，电抗器对交流电的阻碍作用，类似于电阻在直流电路的作用。根据焊接的需要，通过调节旋钮，可改变电抗，从而改变次级线圈输出电流的大小。电抗器还具有保护作用，防止在电焊机刚开始工作、焊条与焊件直接接触时由于短路而烧毁次级线圈。
图5 电焊机
1-变压器 2-电抗器 3-调节旋钮 4-焊钳 5-焊条6-底线 7-焊件
（三）小结：
自感、互感都是电磁感应现象。
在自感、互感现象中，依然遵守法拉第电磁感应定律和楞次定律。
（四）作业布置：
p.101 4、5、6题 《技术物理练习册》（第3版）相关习题
（五）教法建议：
让学生反复观察实验现象。让学生参与讨论，教师引导并加以总结得出规律。

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