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4.2 自感与互感

电场、电路与磁场 · 高三
先确认一下:这一关能不能学
上面这几节是它的地基 —— 没通的话,补完再回来,比硬啃快得多。
讲清楚它是什么

定义 自感是自身电流变化引起自身感应电动势;互感是邻近线圈电流变化引起另一线圈感应电动势。

从哪来 它建立在 1.2 运动的合成与分解 之上。

为什么 根据法拉第电磁感应定律,感应电动势源于磁通量的变化。 1. 自感:线圈中电流变化 $\rightarrow$ 穿过线圈自身的磁通量变化 $\rightarrow$ 产生阻碍电流变化的电动势。这体现了“电生磁,磁生电”的反馈机制,本质是电磁惯性。 2. 互感:一个线圈电流变化 $\rightarrow$ 磁场变化 $\rightarrow$ 穿过邻近线圈的磁通量变化 $\rightarrow$ 产生感应电动势。这是能量通过磁场空间进行非接触传递的过程。 两者共同揭示了磁场作为媒介,将电路中的电学量(电流)与感应效应(电动势)耦合起来的物理机制。

类比法:水力学模型** * **适合学生
抽象思维较弱,喜欢直观形象的学生。 * 内容: * 自感:想象水管中流动的水。当你突然想加速水流(增加电流),水的惯性会阻碍加速,产生一个反向的压力(自感电动势)。当你突然想停止水流(减小电流),水的惯性会维持流动,产生正向的压力。电感线圈就是电路中的“水惯性”。 * 互感:想象两根平行的水管,中间有弹性隔膜。当第一根水管中水流速度变化时,隔膜振动,带动第二根水管中的水产生波动。第一根管是“原边”,第二根是“副边”。
数学推导法:从公式到物理意义** * **适合学生
数学基础好,喜欢逻辑严密推导的学生。 * 内容: * 写出 $E = -L \frac{dI}{dt}$。强调 $L$ 是常数(由几何结构决定),$E$ 与 $\frac{dI}{dt}$ 成正比。 * 解释负号:楞次定律的数学表达,即“阻碍变化”。 * 互感公式 $E_2 = -M \frac{dI_1}{dt}$。强调 $M$ 是耦合系数,取决于两线圈的相对位置、匝数和介质。 * 通过量纲分析:$V = H \cdot A/s$,推导 $L$ 的单位亨利(H)的物理意义:1H 的线圈中,电流以 1A/s 的速率变化时,产生 1V 的自感电动势。
实验演示法:断电自感与变压器原理** * **适合学生
动手能力强,对实验现象敏感的学生。 * 内容: * 自感演示:展示“断电自感”实验。电路中有灯泡和电感线圈并联,串联开关。断开开关瞬间,灯泡闪亮一下再熄灭。提问:为什么断开电源后灯泡还会亮?能量从哪来?(线圈磁场能转化为电能)。 * 互感演示:展示简易变压器。原线圈接交流电源,副线圈接小灯泡。改变原线圈电流频率或副线圈匝数,观察灯泡亮度变化。提问:没有导线连接,能量如何传递?(通过交变磁场)。
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练一道
基础题
一个自感系数 $L=0.5\text{H}$ 的线圈,电流在 $0.02\text{s}$ 内从 $2\text{A}$ 均匀增加到 $6\text{A}$。求线圈中产生的自感电动势大小。
变式
两个线圈 A 和 B 靠近放置。当线圈 A 中的电流以 $10\text{A/s}$ 的速率均匀增加时,线圈 B 中产生的感应电动势为 $5\text{V}$。若保持线圈位置不变,将线圈 A 中的电流变化率提高到 $20\text{A/s}$,求此时线圈 B 中的感应电动势。
试试手自己判
检测题
如图所示,电路中有两个灯泡 $L_1$ 和 $L_2$,以及一个带铁芯的电感线圈 $L$。$L_1$ 与 $L$ 串联后与 $L_2$ 并联,接在直流电源上。开关 S 闭合稳定后,突然断开 S。请问: (1) 断开瞬间,$L_1$ 和 $L_2$ 的亮度如何变化? (2) 若 $L$ 的自感系数很大,断开瞬间 $L_1$ 是否可能比稳定时更亮?为什么?
看答案和判分标准
答案:(1) $L_1$ 逐渐熄灭;$L_2$ 闪亮一下后逐渐熄灭。 (2) 可能。因为断开瞬间,线圈 $L$ 产生自感电动势,维持原方向电流。该电流流过 $L_1$ 和 $L_2$ 构成的回路。若线圈直流电阻远小于 $L_1$ 电阻,则稳定时流过 $L$ 的电流大于流过 $L_1$ 的电流。断开瞬间,线圈释放的电流初始值大于 $L_1$ 原电流,故 $L_1$ 可能闪亮。
判对标准:
答出 $L_1$ 逐渐熄灭,$L_2$ 闪亮后熄灭,得 2 分。
* 答出“可能更亮”并解释原因是“线圈中稳定电流大于灯泡电流,断开瞬间线圈电流流过灯泡”,得 3 分。
* 仅答“更亮”或“不更亮”无解释,得 1 分。
* 方向判断错误(如认为 $L_1$ 闪亮),不得分。
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