新课标三维人教物理选修32第四章电磁感应第6节互感与自感.docx
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新课标三维人教物理选修32第四章电磁感应第6节互感与自感
第6节互感和自感
1.当一个线圈中的电流变化时,会在另一个线圈中产生感应电动势,这种现象叫互感,互感的过程是一个能量传递的过程。
2.一个线圈中的电流变化时,会在它本身激发出感应电动势,叫自感电动势,自感电动势的作用是阻碍线圈自身电流的变化。
3.自感电动势的大小为E=L,其中L为自感系数,它与线圈大小、形状、圈数,以及是否有铁芯等因素有关。
4.当电源断开时,线圈中的电流不会立即消失,说明线圈中储存了磁场能。
一、互感现象
1.定义
两个相互靠近的线圈,当一个线圈中的电流变化时,它所产生的变化的磁场会在另一个线圈中产生感应电动势的现象。
产生的电动势叫做互感电动势。
2.应用
互感现象可以把能量由一个线圈传递到另一个线圈,变压器、收音机的“磁性天线”就是利用互感现象制成的。
3.危害
互感现象能发生在任何两个相互靠近的电路之间。
在电力工程和电子电路中,互感现象有时会影响电路正常工作。
二、自感现象和自感系数
1.自感现象
当一个线圈中的电流变化时,它产生的变化的磁场在它本身激发出感应电动势的现象。
2.自感电动势
由于自感而产生的感应电动势。
3.通电自感和断电自感
电 路
现 象
自感电动势的作用
通电自感
接通开关瞬间,灯泡A1逐渐地亮起来
阻碍电流的增加
断电自感
断开开关瞬间,灯泡A逐渐变暗,直至熄灭
阻碍电流的减小
4.自感电动势的大小
E=L,其中L是自感系数,简称自感或电感,单位:
亨利,符号为H。
5.自感系数大小的决定因素
自感系数与线圈的大小、形状、圈数,以及是否有铁芯等因素有关。
三、磁场的能量
1.自感现象中的磁场能量
(1)线圈中电流从无到有时:
磁场从无到有,电源的能量输送给磁场,储存在磁场中。
(2)线圈中电流减小时:
磁场中的能量释放出来转化为电能。
2.电的“惯性”
自感电动势有阻碍线圈中电流变化的“惯性”。
1.自主思考——判一判
(1)两线圈相距较近时,可以产生互感现象,相距较远时,不产生互感现象。
(×)
(2)在实际生活中,有的互感现象是有害的,有的互感现象可以利用。
(√)
(3)只有闭合的回路才能产生互感。
(×)
(4)线圈的自感系数与电流大小无关,与电流的变化率有关。
(×)
(5)线圈自感电动势的大小与自感系数L有关,反过来,L与自感电动势也有关。
(×)
(6)线圈中电流最大的瞬间可能没有自感电动势。
(√)
2.合作探究——议一议
(1)如何理解互感现象?
提示:
互感现象是一种常见的电磁感应现象,它不仅发生于绕在同一铁芯上的两个线圈之间,而且可以发生于任何相互靠近的电路之间。
(2)断电自感现象中,为什么有的灯泡逐渐熄灭,有的灯泡闪亮后再逐渐熄灭?
提示:
断电前,流过灯泡的电流I1取决于灯泡两端的电压和灯泡自身的电阻,断电后,流过灯泡的电流取决于线圈中的电流,设线圈中电流断电前为I2,断电后逐渐减小,则灯泡中电流也由I2逐渐减小。
所以,若I2≤I1,灯泡中电流由I2逐渐减小,灯泡逐渐变暗;若I2>I1,灯泡中电流先增大后减小,灯泡闪亮后逐渐熄灭。
(3)断电自感现象中,在断开开关后,灯泡仍然亮一会,是否违背能量守恒定律?
提示:
不违背。
断电时,储存在线圈内的磁场能转化为电能,用以维持回路保持一定时间的电流,直到电流为零时,磁场能全部转化为电能并通过灯泡(或电阻)转化为内能,可见自感现象遵循能量守恒定律。
对通电自感的理解
如图461所示的电路,两灯泡规格相同,接通开关后调节电阻R,使两个灯泡亮度相同,然后断开电路,再次接通的瞬间:
图461
条件
现象
原因
S闭合的瞬间
A2先亮
由于A2支路为纯电阻,不产生自感现象
A1逐渐亮起
由于L的自感作用阻碍A1支路电流增大
[典例] 如图462所示,灯L1、L2完全相同,带铁芯的线圈L的电阻可忽略,则( )
图462
A.S闭合的瞬间,L1、L2同时发光,接着L1变暗,L2更亮,最后L1熄灭
B.S闭合瞬间,L1不亮,L2立即亮
C.S闭合瞬间,L1、L2都不立即亮
D.稳定后再断开S的瞬间,L2熄灭,L1比L2(原先亮度)更亮
[思路点拨] 解答本题应把握以下两点:
(1)闭合S瞬间,线圈L由于自感,对电流有阻碍作用,等稳定后,由于线圈L的电阻可忽略,所以相当于短路。
(2)断开S的瞬间,线圈L由于自感,且线圈L与灯泡L1组成了回路,所以电流不会立即消失。
[解析] S接通的瞬间,线圈L支路中电流从无到有发生变化,因此,线圈L中产生的自感电动势阻碍电流增加。
由于有铁芯,自感系数较大,对电流的阻碍作用也就较强,所以S接通的瞬间线圈L中的电流非常小,即干路中的电流几乎全部流过L1、L2,所以L1、L2会同时亮。
又由于线圈L中电流很快稳定,感应电动势很快消失,L的阻值可忽略,对L1起到“短路”作用,因此,L1熄灭。
这时电路的总电阻比刚接通时小,由恒定电流知识可知,L2会比以前更亮。
[答案] A
(1)当流过线圈的电流从零开始增大,也可理解为线圈的电阻由无穷大逐渐减小到零。
(2)当流过线圈中的电流稳定后,线圈相当于导线;如果线圈对电流有阻碍作用,则相当于纯电阻。
1.如图463所示,线圈L的电阻和电源内阻都很小,可忽略不计,电路中两个电阻的阻值均为R,开始时开关S断开,此时电路中电流为I0。
现将开关S闭合,线圈L中有自感电动势产生,下列说法中正确的是( )
图463
A.由于自感电动势有阻碍电流的作用,电路中电流最终由I0减小到零
B.由于自感电动势有阻碍电流的作用,电路中电流最终小于I0
C.由于自感电动势有阻碍电流的作用,电路中电流将保持I0不变
D.自感电动势有阻碍电流增大的作用,但电路中电流最终还要增大到2I0
解析:
选D 当开关S闭合时,通过线圈的电流增大,在线圈中产生自感电动势,自感电动势阻碍电流的增大,但“阻碍”不是“阻止”,“阻碍”实质上是“延缓”,电路中的电流不会立刻变为2I0,但最终仍会增大到2I0。
选项D正确。
2.(多选)如图464所示的电路中,电源电动势为E,内阻r不能忽略。
R1和R2是两个定值电阻,L是一个自感系数较大,电阻可忽略的线圈。
开关S原来是断开的,从闭合开关S到电路中电流达到稳定为止的时间内,通过R1的电流I1和通过R2的电流I2的变化情况是( )
图464
A.I1开始较大而后逐渐变小
B.I1开始很小而后逐渐变大
C.I2开始很小而后逐渐变大
D.I2开始较大而后逐渐变小
解析:
选AC 闭合开关S时,由于L是一个自感系数较大的线圈,产生反向的自感电动势阻碍电流的变化,所以开始I2很小,随着电流达到稳定,自感作用减小,I2开始逐渐变大。
闭合开关S时,由于线圈阻碍作用很大,路端电压较大,随着自感作用减小,路端电压减小,所以R1上的电压逐渐减小,电流逐渐减小,故A、C正确。
3.如图465所示,电路中电源内阻不能忽略,R阻值和L的自感系数都很大,A、B为两个完全相同的灯泡,当S闭合时,下列说法正确的是( )
图465
A.A比B先亮,然后A熄灭
B.B比A先亮,然后A逐渐变亮
C.A、B一起亮,然后A熄灭
D.A、B一起亮,然后B熄灭
解析:
选B 闭合开关的一瞬间,由于线圈中自感电动势的阻碍,B灯先亮,A灯后亮,然后A中电流逐渐增大,A灯逐渐变亮。
B正确。
对断电自感的理解
如图466所示,当电流处于稳定状态时,流过L的电流为I1=(电源内阻不计),方向由a→b;流过灯泡A的电流I2=,断开S的瞬间,I2立即消失,而由于线圈的自感,I1不会马上消失,线圈总力图维持I1的存在,所以线圈上产生一个b端为正、a端为负的自感电动势,与灯泡组成abcd回路,此时流过A的电流则由I2变成I1,方向由d→c变成c→d。
可见通过A的电流大小与方向都发生了变化。
图466
至于灯泡中的电流是否增大一下再减小(也就是灯泡是否闪亮一下再熄灭),取决于I2与I1谁大谁小,也就是取决于R和r谁大谁小。
(1)如果R>r,就有I1>I2,灯泡会先更亮一下再渐渐熄灭。
(2)如果R=r,灯泡会由原来亮度渐渐熄灭。
(3)如果R [典例] 如图467所示甲、乙中,自感线圈L的电阻很小,接通S,使电路达到稳定,灯泡A发光,下列说法正确的是( ) 图467 A.在电路甲中,断开S,A将立即熄灭 B.在电路甲中,断开S,A将先变得更亮,然后逐渐变暗 C.在电路乙中,断开S,A将逐渐变暗 D.在电路乙中,断开S,A将先变得更亮,然后渐渐变暗 [思路点拨] ⇒ [解析] 甲图中,灯泡A与电感线圈L在同一个支路中,流过的电流相同,断开开关S时,线圈L中的自感电动势的作用使得支路中的电流瞬间不变,以后渐渐变小,A、B错误。 乙图中,灯泡A所在支路的电流比电感线圈所在支路的电流要小(因为电感线圈的电阻很小),断开开关S时,电感线圈的自感电动势要阻碍电流变小,此瞬间电感线圈中的电流不变,电感线圈相当于一个电源给灯泡A供电。 因此反向流过A的电流瞬间要变大,然后逐渐变小,所以灯泡要先更亮一下,然后渐渐变暗,C错误,D正确。 [答案] D 自感现象的分析思路 (1)明确通过自感线圈的电流的变化情况(是增大还是减小)。 (2)根据“增反减同”,判断自感电动势的方向。 (3)分析阻碍的结果: 当电流增强时,由于自感电动势的作用,线圈中的电流逐渐增大,与线圈串联的元件中的电流也逐渐增大;当电流减小时,由于自感电动势的作用,线圈中的电流逐渐减小,与线圈串联的元件中的电流也逐渐减小。 1.如图468所示,L1和L2是两个相同的小灯泡,L是一个自感系数相当大的线圈,其电阻与R相同,由于存在自感现象,在开关S接通和断开时,L1、L2先后亮暗的顺序是( ) 图468 A.接通时,L1先达最亮;断开时,L1后暗 B.接通时,L2先达最亮;断开时,L2后暗 C.接通时,L1先达最亮;断开时,L1先暗 D.接通时,L2先达最亮;断开时,L2先暗 解析: 选A 开关闭合时,由于线圈L的自感作用阻碍电流的增大,所以大部分电流从L1中流过,L1先达最亮;开关断开时,线圈中产生的自感电动势阻碍电流减小,自感电流方向与原电流的方向相同,且只能在L与L1的闭合回路中流过,L1中有自感电流,所以L1后暗。 故选项A正确。 2.如图469所示的电路,可用来测定自感系数较大的线圈的直流电阻,线圈两端并联一个电压表,用来测量自感线圈两端的直流电压,在实验完毕后,将电路拆开时应( ) 图469 A.先断开开关S1 B.先断开开关S2 C.先拆去电流表D.先拆去电阻R 解析: 选B 该电路实际上就是伏安法测电感线圈的直流电阻的电路,在实验完毕后,由于线圈的自感问题,若电路拆去的先后顺序不对,可能会烧坏电表。 当S1、S2闭合,电路稳定时,线圈中的电流方向是a→b,电压表右端为“+”,左端为“-”,指针正向偏转,若先断开S1或先拆电流表或先拆去电阻R瞬间,线圈中产生的自感电动势相当于瞬间电源,其a端相当于电源的负极,b端相当于电源的正极,此时电压表两端被加了一个反向电压,指针反偏。 由“自感系数较大的线圈”知其反偏电压很大,会烧坏电压表。 先断开S2,由于电压表内阻很大,电路中总电阻变化很小,电流几乎不变,不会损坏其他器件,故应先断开S2。 3.如图4610所示的电路中,电源的电动势为E,内阻为r,电感L的电阻不计,电阻R的阻值大于灯泡D的阻值,在t=0时刻闭合开关
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- 新课 三维 物理 选修 32 第四 电磁感应 互感 自感