自感现象中的电磁感应应用

2018-01-11黄敬

科学家 2017年24期

电磁感应内容历年来在高考中都占着重要位置，包括电磁感应定律、磁通量、楞次定律、自感、涡流等内容，其中自感现象作为常见的电磁感应现象，在实际生活中也有很多应用。

概述

自感现象从本质上来说只是一种的电磁感应现象，是由于流经导体或者线圈本身的电流变化的时候而在导体或者线圈自身产生了感应电动势的电磁感应现象。这样产生的感应电动势又叫作自感电动势，根据楞次定律，这个自感电动势产生之后会阻碍线圈磁通量的变化，即通过阻碍线圈中原电流的变化来实现的，从而使得原电流的变化时间延长的电磁感应现象。

对于线圈，我们知道，由于感生电动势的存在，线圈在电流变化的电路中除了普通的欧姆电阻以外，还存在感抗，阻碍电流的变化，除了在交流电路中存在，在直流电路开关“闭合”和“断开”的瞬间，自感电动势的效果也比较明显，即线圈中的电流是不能发生突变的，这样的线圈我们又叫自感线圈。下面对比在开关“闭合”“断开”以及电路稳定时，在只有小灯泡和只有自感线圈的直流电路中，流过小灯泡和自感线圈的电流大小的比较（自感线圈在稳定的直流电路中的电阻和小灯泡的电阻相同，均为R），如表1。

通电自感与断电自感

通电自感，顾名思义，即在开关闭合的瞬间，讨论自感线圈的自感现象。断电自感即在开关断开的瞬间，讨论自感线圈的自感现象。

例1：如图1，自感线圈L的自感系数比较大，在开关闭合后，小灯泡能够正常发光，那么闭合开关和断开开关的瞬间，观察到的现象是（）。

A.闭合开关S后小灯泡逐渐变亮，断开开关S小灯泡立即熄滅。

B.闭合开关S后小灯泡立即亮，断开开关S小灯泡立即熄灭。

C.闭合开关S后小灯泡逐渐变亮，断开开关小灯泡比原来更亮一下后再慢慢熄灭。

D.闭合开关S后小灯泡立即亮，断开开关S小灯泡比原来更亮一下再慢慢熄灭。

分析：电路中小灯泡的亮度直接反映了流过小灯泡的电流，即流过小灯泡的电流越大，小灯泡越亮，则在开关闭合的瞬间，电路中的电流本来应该迅速增大，但因为有自感线圈的原因，根据电磁感应中的楞次定律，自感线圈会阻碍电流的迅速增加，所以灯泡应该是逐渐变亮；再看开关断开的瞬间，此时不能进入出题者的陷阱中，开关断开的瞬间，电路处于开路状态，不会有电流流过小灯泡，小灯泡会立即熄灭。所以，选A。

小结：要解决自感问题，就要好好地运用电磁感应现象中总结出的楞次定律，即电磁感应产生的感应电流的效果总是要反抗引起感应电流产生的原因，不过注意是在闭合回路的前提下的。

自感在生活中的应用

电感镇流器中的自感现象，普通日光灯中，启辉器和镇流器不可或缺，其中电感镇流器是一个带铁芯的线圈，匝数很多并且为闭合铁芯，自感系数很大，其在日光灯中的工作原理如下。

如图4所示，即为电感镇流器日光灯的电路示意图，在电感镇流器日光灯启动时，将开关闭合，电源电压加在启辉器的两极上，使其中的氖气发出辉光，发出辉光伴随的热量使启辉器中的U型片膨胀变形，直至把电路接通，电路接通后灯管的灯丝有电流流过开始预热，启辉器两端的电压也开始降低，氖气也无法再发出辉光加热U型片，U型片冷却、收缩，两个触片分离，电路断开瞬间，通过镇流器的电流急剧减小，自身产生一个高压，这个高压足够将灯管中的汞蒸气，从而在灯管中形成通路，使日光灯发光。日光灯正常发光的工作电压需要低于220V，此时在交流电路中镇流器还起到了限制灯管两端的电压的作用。