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不论用什么方式,也不管是什么原因,只要穿过电路的磁通量发生了变化,都能引起电磁感应现象。
如果电路是闭合的,电路中就会有感应电流。
二、知识讲解
考点1:
自感现象和自感电动势
当导体中电流发生变化时,导体自身产生的电磁感应现象,叫自感现象,在自感现象中产生的电动势叫自感电动势.自感电动势的表达式为:
E=LΔI/Δt(不要求定量计算),L叫自感系数,自感系数的单位是亨利(H).
自感系数由线圈自身条件决定,线圈直径大、长度长、单位长度匝数多,自感系数大;
若线圈中有铁芯,自感系数会更大.
考点2:
自感现象的一般性和特殊性
一般性:
自感电动势阻碍磁通量变化.
特殊性:
阻碍发生自感现象的导体自身电流的变化,即当它所在支路电流增大,自感电动势即与原电流方向相反,反之相同.
考点3:
自感现象的应用和防止
图12-3-1
应用:
日光灯
电路图:
如图12-3-1所示:
原理:
当开关闭合后,电源电压加在启动器的两极之间,使氖泡发出辉光,产生的热量使U形动触片膨胀,接通电路.此时有电流过镇流器和灯丝,这时启动器停止放电,U形动触片冷却收缩,电路断开,镇流器线圈产生很高的自感电动势,电动势的方向与原电压的方向相同,因而形成一瞬间高压,加在灯管两端,使灯管中的气体放电,从而灯管成为电流通路,使日光灯发光.正常发光后,镇流器起到降压限流的作用,保证日光灯正常工作.
图12-3-2
防止:
定值电阻的双线绕法如图12-3-2所示,双线并绕制成定值电阻器,以排除自感电动势的影响.
考点4:
自感现象的分析
分析自感现象时,除了要定性分析通电和断电时的自感现象外,还应半定量地分析电路中的电流变化,分析时主要抓住通过自感线圈的电流不能突变这一特点,其次是注意电路结构在稳定和不稳定时的变化.要明确自感电动势总是阻碍电流的变化.线圈中电流增大时,自感电动势(电流)方向与原电流方向相反,阻碍电流的增大;
线圈中电流减小时,自感电动势(电流)方向与原电流方向相同,阻碍电流的减小.正是这种阻碍作用,使线圈中的电流只能从原来的值逐渐变化,不能发生突变.
三、例题精析
【例题1】图12-3-3中灯LA、LB完全相同,带铁芯的线圈L的电阻可忽略,则()
图12-3-3
A.S闭合瞬间,LA、LB同时发光,接着LA变暗,LB变亮
B.S闭合瞬间,LA不亮,LB立即亮
C.S闭合瞬间,LA、LB都不立即亮
D.稳定后再断开S瞬间,LB灯熄灭,LA灯亮并比开始时LB更亮
【答案】A
【解析】在S闭合瞬间,L支路中的电流从无到有发生“变化”,因此在L中产生自感电动势阻碍电流增加,由于自感系数较大,对电流的阻碍作用强,所以S接通的极短时间内L中电流几乎为零,L并没有起到“短路”作用.LA灯中有电流流过,LA、LB灯同时亮.由于L中电流从无到有很快稳定,感应电动势消失,上述那种电流的阻碍不存在,它对LA灯的短路作用形成,LA灯熄灭.由于电路电阻变小,LB便更亮,故A正确.
分析自感现象,关键是分清电流的变化,确定自感电动势的方向及怎样阻碍电流的变化.
【例题2】下列关于自感现象的论述中,正确的是()
A.线圈的自感系数跟线圈内电流的变化率成正比
B.当导体中电流减小时,自感电流的方向与原电流方向相反
C.当导体中电流增大时,自感电流的方向与原电流方向相同
D.穿过线圈的磁通量变化和线圈中电流的变化成正比
【答案】D
【解析】线圈的自感系数是由线圈本身性质决定的,与线圈长度、单位长度的匝数、线圈的横截面积、铁芯……有关,而与线圈内电流无关,A错.自感电流方向总是阻碍线圈中电流的变化,即原电流增大,自感电流与原电流方向相反,线圈中电流减小,自感电流的方向与原电流方向相同,B、C错.根据E=L
和E=n
比较可知ΔΦ∝ΔI,则D对.
【例题3】如图12-3-4所示的电路中,A1、A2为完全相同的灯泡,线圈L的电阻忽略不计.下列说法中正确的是()
A.合上开关K接通电路时,A2先亮A1后亮,最后一样亮
B.合上开关K接通电路时,A1和A2始终一样亮
C.断开开关K切断电路时,A2立即熄灭,A1过一会儿才熄灭
D.断开开关K切断电路时,A1、A2同时立即熄灭
【解析】接通时,由于线圈的自感作用,A1支路相当于断路,电流增大得慢,A1后亮;
稳定后,线圈的作用消失,又相当于短路,A1、A2并联,亮度一样;
断开开关,都过一会儿才熄灭.
四、课堂运用
【基础】
1、如图12-3-5所示,多匝线圈L的电阻和电池内阻都忽略不计,两个电阻的阻值都是R,电键S原来打开,电流I0=
,今合上电键将一电阻短路,于是线圈有自感电动势产生,此电动势()
图12-3-5
A.有阻碍电流的作用,最后电流由I0减到零
B.有阻碍电流的作用,最后电流总小于I0
C.有阻碍电流增大的作用,因而电流I0保持不变
D.有阻碍电流增大的作用,但最后电流还是增大到2I0
解析:
根据电磁感应定律,自感电动势是阻碍电流增大的,到最终电路达到稳定时电流I=
=2I0,D对.
答案:
D
2、某日光灯接通电源后,灯管两端一直发红光,但灯管就是不亮,可能的原因是()
A.电源电压过低B.镇流器损坏
C.启动器内的电容击穿D.启动器动静触片烧结不能分离
从日光灯电路可知,当启动器的动静触片不能分离时,启动器将日光灯管短路,有较大的电流一直通过日光灯管的灯丝,电流通过灯丝发热使灯丝发红.
【巩固】
1、在下列四个日光灯的接线图中,S为起辉器,L为镇流器,图12-3-6中正确的是()
图12-3-6
日光灯电路的接法是:
启动器与灯管并联,镇流器与灯管串联.
A
2、如图12-3-7所示,L是电感足够大的线圈,其直流电阻可忽略不计,D1和D2是两个相同的灯泡.若将开关S闭合,待灯泡亮度稳定后,再断开开关S,则()
图12-3-7
A.S闭合时,D2先亮,然后D1再亮
B.S闭合时,D1很亮,D2逐渐亮,最后D1和D2一样亮
C.S断开时,D2立即熄灭,D1会更亮一下才熄灭
D.S断开时,D1立即熄灭,D2会更亮一下再熄灭
S闭合时,电路中电流增大,线圈中电流瞬时为零.D1、D2立即亮且一样亮,当电路稳定时,线圈L不再产生自感电动势,将D1短路,D1熄灭,D2变得更亮.当S断开时,D2立即熄灭;
线圈产生自感电动势使D1闪一下再熄灭.
C
【拔高】
1、如图12-3-8所示电路中,S是闭合的,此时流过L的电流为i1,流过灯A的电流为i2,且i1<
i2.在t1时刻将S断开,那么流过灯泡的电流随时间变化的图象是图12-3-9中的…()
图12-3-8
图12-3-9
断开S前,灯中电流的方向向右,断开S后,由于自感现象,灯泡中电流从i1减小至0,方向与原方向相反.
2、如图12-3-10所示,A、B、C是三只相同的白炽灯泡,其额定电压稍大于电源的电动势,L是一个自身电阻可忽略不计的电感线圈,E是电源电动势.(电源内阻忽略不计)电键S原来闭合,现在突然断开,若在此过程中灯泡都不会被烧坏,则关于电灯的说法正确的是()
图12-3-10
A.A灯变亮,B灯变亮,最后A、B灯一样亮
B.B灯的亮度始终保持不变
C.C灯闪亮一下而后逐渐恢复原来的亮度
D.C灯变暗一下而后逐渐恢复原来的亮度
开始时线圈将A短路,B、C电压均为电源电压.断开S时A、B串联,A立即亮,B变暗,线圈中原来电流为B、C原来电流之和;
断开瞬间C中电流突然增大,然后逐渐减小到原值.
课程小结
自感现象是由于导体本身的电流变化而产生的电磁感应现象,自感现象中产生的感应电动势叫做自感电动势。
当电流增大时,产生的自感电动势的方向与电流方向相反,阻碍电流增大;
当电流减小时,产生的自感电动势的方向与电流方向相同,阻碍电流减小。
由于自感电动势的作用,闭合电键后,串联有自感元件的支路中电流不能立即增大;
断开电键后,串联有自感元件的支路中电流不能立即减小到零。
课后作业
1.关于线圈的自感系数,下列说法中正确的是( )
A.线圈中电流变化量越大,线圈的自感系数越大
B.若线圈中通入恒定电流时,线圈的自感系数等于零
C.当线圈中的电流均匀增大时,线圈的自感系数也均匀增大
D.不管线圈中是否通入电流及电流如何变化,线圈的自感系数均不变
线圈的自感系数是线圈本身的属性,由线圈自身的因素决定,与线圈是否通电,以及所通电流的变化情况无关。
所以只有D项正确。
2.在制作精密电阻时,为了消除使用过程中由于电流变化而引起的自感现象,采用双线并绕的方法,如图1所示,其道理是( )
A.当电路中的电流变化时,两股导线产生的自感电动势相互抵消
B.当电路中的电流变化时,两股导线产生的感生电流相互抵消
C.当电路中的电流变化时,两股导线中原电流的磁通量相互抵消图1
D.以上说法都不对
由于采用了双线并绕的方法,当电流通过时,两股导线中的电流方向是相反的,不管电流怎样变化,任何时刻两股导线中的电流总是等大反向的,所产生的磁通量也是等大反向的,故总磁通量等于零,在该线圈中不会产生电磁感应现象,因此消除了自感,选项A、B错误,只有C正确。
3.某同学为了验证断电自感现象,自己找来带铁心的线圈L、小灯泡A、开关S和电池组E,用导线将它们连接成如图2所示的电路。
检查电路后,闭合开关S,小灯泡发光;
再断开开关S,小灯泡仅有不显著的延时熄灭现象。
虽经多次重复,仍未见老师演示时出现的小灯泡闪亮现象,他冥思苦想找不出原因。
你认为最有可能造成小灯泡未闪亮的原因是
( )
图2
A.电源的内阻较大 B.小灯泡电阻偏大
C.线圈电阻偏大D.线圈的自感系数较大
由自感规律可知在开关断开的瞬间造成灯泡闪亮以及延时的原因是在线圈中产生了与原电流同向的自感电流且大于稳定时通过灯泡的原电流。
由题图可知灯泡和线圈构成闭合的自感回路,与电源无关,故A错;
造成不闪亮的原因是自感电流不大于稳定时通过灯泡的原电流,当线圈电阻小于灯泡电阻时才会出现闪亮现象,故B错C正确。
自感系数越大,则产生的自感电流越大,灯泡更亮,故D错。
4.在如图3所示电路中,L为电阻很小的线圈,G1和G2为零点在表盘中央的相同的电流表。
当开关S闭合时,电流表G1指针偏向右方,那么当开关S断开时,将出现的现象是( )
A.G1和G2指针都立即回到零点
B.G1指针立即回到零点,而G2指针缓慢地回到零点图3
C.G1指针缓慢回到零点,而G2指针先立即偏向左方,然后缓慢地回到零点
D.G1指针先立即偏向左方,然后缓慢地回到零点,而G2指针缓慢地回到零点
根据题意,电流自右向左时,指针向右偏。
那么,电流自左向右时,指针应向左偏。
当开关S断开瞬间,G1中电流立即消失,而L由于自感作用,电流不能立即消失,电流沿L、G2、G1的方向在由它们组成的闭合回路中继续维持一个短时间,即G2中的电流按原方向自右向左逐渐减为零,而G1中的电流和原方向相反,变为自左向右,和G2中的电流同时减为零;
也就是G1指针先立即偏向左方,然后缓慢地回到零点,而G2指针缓慢地回到零点,故D正确。
5.如图4所示为测定自感系数很大的线圈L直流电阻的电路,L的两端并联一个电压表,用来测量自感线圈的直流电压。
在测量完毕后,将电路拆解时应( )
A.先断开S1图4
B.先断开S2
C.先拆除电流表
D.先拆除电压表
因S1断开瞬间,L中产生很大的自感电动势,若此时S2闭合,则可能将电压表烧坏,故应先断开S2,B正确,A错误;
不能在通电状态下拆除电流表和电压表,因此C、D错误。
B
6.如图5所示,灯泡LA、LB与固定电阻的阻值均为R,L是自感系数较大的线圈。
当S1闭合、S2断开且电路稳定时,LA、LB亮度相同,再闭合S2,待电路稳定后将S1断开,下列说法中正确的是( )
图5
A.LB灯比原来更亮一下然后再熄灭
B.LA灯将比原来更亮一下然后再熄灭
C.有电流通过LB灯,方向为c→d
D.有电流通过LA灯,方向为b→a
S2断开而只闭合S1,稳定时,LA、LB两灯一样亮,说明两个支路电流相等,这时线圈没有自感作用,可知线圈L的电阻也是R。
在S2闭合、S1闭合且稳定时,通过L、LA、LB的电流相等,当S2闭合、S1突然断开时,流过LA灯的电流方向变为b→a,但其大小由原电流大小逐渐变小不能突然增大,LA灯不能出现更亮一下再熄灭的现象,故选项D正确,B错误;
由于固定电阻R几乎没有自感作用,故断开S1时,LB灯被断路,电流迅速变为零,LB灯立即熄灭,故选项A、C错误。
7.在如图6所示的电路中,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的变化的图像是( )图6
图7
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,直至到达电流为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立即达到电流为I,故C、D错误。
8.(2012·
北京高考)物理课上,老师做了一个奇妙的“跳环实验”。
如图8,她把一个带铁芯的线圈L、开关S和电源用导线连接起来后,将一金属套环置于线圈L上,且使铁芯穿过套环。
闭合开关S的瞬间,套环立刻跳起。
某同学另找来器材再探究此实验。
他连接好电路,经重复试验,图8
线圈上的套环均未动。
对比老师演示的实验,下列四个选项中,导致套环未动的原因可能是( )
A.线圈接在了直流电源上
B.电源电压过高
C.所选线圈的匝数过多
D.所用套环的材料与老师的不同
金属套环跳起的原因是开关S闭合时,套环上产生的感应电流与通电线圈上的电流相互作用而引起的。
无论实验用交流电还是直流电,闭合开关S瞬间,金属套环都会跳起。
如果套环是塑料材料做的,则不能产生感应电流,也就不会受安培力作用而跳起。
所以答案是D。
9.如图9甲所示为研究自感实验电路图,并用电流传感器显示出在t=1×
10-3s时断开开关前后一段时间内各时刻通过线圈L的电流(如图乙)。
已知电源电动势E=6V,内阻不计,灯泡R1的阻值为6Ω,电阻R的阻值为2Ω。
图9
(1)线圈的直流电阻RL=________Ω。
(2)开关断开时,该同学观察到的现象是________________________,并计算开关断开瞬间线圈产生的自感电动势是________V。
由图像可知S闭合稳定时
IL=1.5A
RL=
-R=
Ω-2Ω=2Ω
此时小灯泡的电流I1=
=
A=1A
S断开后,L、R、R1组成临时回路
电流由1.5A逐渐减小,所以灯泡会闪亮一下再熄灭,自感电动势E=IL(R+RL+R1)=15V
(1)2
(2)灯泡闪亮一下后逐渐变暗,最后熄灭 15
10.如图10所示,自感线圈的自感系数很大,直流电阻为零,开关S原来是合上的,在S断开后:
(1)若电阻R1>
R2,灯泡明暗情况如何变化?
(2)若电阻R1<
当S断开后,原来电源提供的电流I2立即消失,但自感线圈贮存图10
的磁场能释放变成电能通过小灯泡。
通过自感线圈的电流I1由于自感的作用,在开关断开后是逐渐衰减的,因而小灯泡逐渐变暗到熄灭。
(1)因为R1>
R2,即I1<
I2,所以小灯泡在熄灭前不会比原来变得更亮。
(2)因为R1<
R2,即I1>
I2,所以小灯泡开始时比原来更亮,再逐渐变暗,直至熄灭。
(1)小灯泡立刻变暗再逐渐熄灭
(2)小灯泡闪亮一下再逐渐熄灭
1.下列装置中没有利用感应圈的是( )
A.煤气灶电子点火装置
B.汽车发动机点火装置
C.物理、化学实验中的小功率高压电源
D.自动设备中的延时继电器
煤气灶电子点火装置,汽车发电机点火装置都是利用感应圈产生的高压电火花来完成点火工作的,物理、化学实验中的小功率电源是利用感应圈通过低压直流电源获得高电压,A、B、C正确;
延时继电器利用线圈的电磁感应来正常工作的,没有用到感应圈,D错误。
2.下列说法不正确的是( )
A.日光灯在开始工作时,需要启动器
B.日光灯在开始工作时,需要镇流器
C.日光灯在正常工作时,不需要启动器
D.日光灯在正常工作时,不需要镇流器
启动器在日光灯启动时起一个自动开关的作用,日光灯正常工作时就不需要启动器了,所以A、C正确;
日光灯在启动时需要一个高出电源电压很多的瞬时电压,正常发光时,灯管电阻变得很小,只允许通过不大的电流,这时要使加在灯管上的电压大大低于电源电压,这两个方面都是利用镇流器来完成的,所以日光灯开始工作和正常工作时都需要镇流器,故B正确,D错误。
3.关于日光灯的发光实质,下列说法正确的有( )
A.是由于灯管两端的灯丝在炽热状态下发光,后经灯管壁多次反射和透射传到周围空间
B.是在镇流器的高电压作用下,灯管内气体被电离成为导体,形成大电流,使气体处于炽热状态而发光
C.日光灯发出的其实就是紫外线
D.日光灯发出的光,实质上是紫外线激发荧光物质发光
日光灯发光的本质,是灯丝发射的电子与汞原子碰撞而放出紫外线,紫外线照射灯管内壁的荧光物质而发光。
故D项正确。
4.日光灯中镇流器的作用有( )
A.启动器触片接触时,产生瞬时高压
B.日光灯工作时,降压、限流,保证日光灯正常工作
C.日光灯工作时,使日光灯管的电压稳定在220V
D.日光灯工作时,不准电流通过日光灯管
镇流器的工作原理实质上是自感现象的应用。
启动器接通后再断开时,镇流器产生断电自感电动势,方向与原来电压的方向相同,两者加在一起形成瞬时高压,故A错误;
日光灯正常工作时,因交流电通过镇流器产生自感电动势,故镇流器起降压限流的作用,故B正确。
日光灯管正常工作时有电流通过日光灯管,灯管的电阻很小,且只允许通过很小的电流,这时加在灯管上的电压要小于220V,故C、D错误。
5.启动器是由电容和氖泡两大部分组成,其中氖泡中充有氖气,内部有静触片和U形动触片。
通常动、静触片不接触,有一个小缝隙。
则下列说法中不正确的是( )
A.当电源的电压加在启动器两极时,氖气放电并产生热量,导致双金属片受热膨胀
B.当电源的电压加在启动器两极后,启动器的两个触片才接触,使电路有电流通过
C.电源的电压加在启动器两极前,启动器的两个触片就接触着,电路就已经有电流通过
D.当电路通电后,两个触片冷却,两个触片重新分离
依据日光灯的工作原理可知,电源把电压加在启动器的两极之间,使氖气放电而发出辉光。
辉光产生热量使U形动触片膨胀伸展,跟静触片接触把电路接通。
电路接通后,启动器的氖气停止放电,U形动触片冷却收缩,两个触片分开,电路自动断开。
6.在如图1所示的四个日光灯的接线图中,S1为启动器,S2为开关,L为镇流器,能使日光灯正常发光的是( )
图1
A.①③ B.②③
C.①④D.②④
日光灯启动时,电流通过镇流器、灯丝和启动器构成回路,使启动器发出辉光,相当于启动器短路接通,同时电流加热灯丝,灯丝发射电子,之后启动器断开瞬间,镇流器产生很大的自感电动势,出现一个高电压加在灯管两端,灯管中的气体被击穿而导电,于是日光灯管成为电流的通路开始发光,此时启动器已无作用。
所以启动器可用手动的开关来代替(实际操作时,因启动器丢失或损坏时,可手持带绝缘皮的导线短接后再断开来启动灯管)。
7.日光灯是最常用的节能照明工具,它的主要构成有灯管、镇流器、启动器。
启动器的构造如图2所示,为了便于日光灯工作,常在启动器两端并上一个纸质电容器C,现有一盏日光灯总是出现灯管两端亮而中间不亮,经检查,灯管是好的,电源电压正常,镇流器无故障,其原因可能是
( )图2A.启动器两脚A、B与启动器座接触不良
B.电容器C断路
C.电容器C击穿而短路
D.镇流器自感系数L太大
题目说镇流器无故障,故D项错误。
日光灯管两端亮而中间不亮,说明灯管两端的灯丝处于通电状态,即启动器接通,但不能自动断开,说明电容器C短路了,选C。
8.如图3所示,一个处于自由状态的螺线管,沿x轴方向为轴向,线圈圆面(如y)方向为径向,在通电的瞬间发生的现象是( )
A.沿轴向将伸长,径向将变大
B.沿轴向将收缩,径向将变大图3
C.沿轴向将收缩,径向将变小
D.沿轴向将伸长,径向将变小
通电的瞬间,线圈中的磁通量增加,产生自感现象,将阻碍磁通量的增加,线圈在径向将采取收缩的措施来阻碍磁通量的变化;
对线圈的每一匝来说,都是同向电流,同向电流相互吸引,所以在轴向上有收缩的现象。
选项C正确。
9.(2012·
江苏高考改编)某同学设计的家庭电路保护装置如图4所示,铁芯左侧线圈L1由火线和零线并行绕成。
当右侧线圈L2中产生电流时,电流经放大器放大后,使电磁铁吸起铁质开关K,从而切断家庭电路。
仅考虑L1在铁芯中产生的磁场,下列说法不正确的是( )
A.家庭电路正常工作时,L2中的磁通量为零图4
B.家庭电路中使用的电器增多时,L2中的磁通量不变
C.家庭电路发生短路时,开关K将被电磁铁吸起
D.地面上的人接触火线发生触电时,开关K将被电磁铁吸起
当家庭电路正常工作时,火线和零线中的电流大小始终相等,方向始终相反,由于采用双线绕成,当电路
正常工作时,火线和零线在铁芯内部产生的磁场大小相等,方向相反,所以内部的磁通量为零,A正确;
当电路中的电器增多时,火线和零线中的电流都增大了,但大小始终相等,方向始终相反
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