关于断电自感现象演示实验的研究，本文主要内容关键词为：演示论文,现象论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
在高中现行教材关于自感现象的教学中，对断电自感现象进行了演示实验。为了取得更好的演示效果、更准确地描述实验状态，我们对这个实验进行了较深入的研究。实验电路见图1。
主要器材：浙江杭州照相器材二厂出产的MV-7型高中电学演示板中的自感现象演示板。为对比实验效果还选用了山西运城师范教仪厂出产的可拆变压器。实验时电源采用三节一号电池。小灯泡用6.3V、0.15A指示泡。
实验数据及实验结果如表1（表中数据用实验室现有仪表测量）：
表中N为电感器匝数，L为电感器电感量，R为电感器绕组的直流电阻。
U为电路稳定状态时电感器和小灯泡两端电压。
I[，L]为电路稳定状态时通过电感器的电流。
I[，D]为电路稳定状态时通过小灯泡的电流。
V[，P]断电时产生灯泡两端的感生电动势峰值，T是断电后在灯泡两端的感生电势持续时间。（V[，P]与T使用示波器观测得出）
图2是根据用示波器观察的图像，描绘通过电感器电流以及小灯泡两端电压的变化。图中U[，O]为不并联电感器时的路端电压，其它字符意义如前述。
通过图像我们看到，当在O时刻接通电源时，以及待电路稳定后在t时刻断开电源时，通过电感器的电流都有一段时间的延迟。在对应通电和断电的过程中小灯泡两端的电压分别有一次跃变。这就是小灯泡会发出闪光的原因。因此，只要我们选择适宜的器材，使用教材中的电路，就可得到满意的实验效果。而且只要对书中电路稍稍改动，不仅能看到断电时小灯泡的闪光，还能看到在通电时小灯泡也会有闪亮现象出现。
综合以上数据及实验结果，我们得出结论：在断开电路后小灯泡内的电流必然要滞后一段时间逐渐消失，因此小灯光泡会逐渐熄灭。由于小灯泡的亮度是随电流减小而降低的，但是随着电流减小，小灯泡亮度的降低却要比电流减小快得多。这样当我们已看不到小灯泡的亮光时，电流却还没消失。加之人类视觉的惰性，我们虽然感到小灯泡很快熄灭了，但是这个熄灭的过程却是逐渐的。只是这个过程只有几十毫秒，人的视觉来不及反应而已。我们只需稍稍改变显示方式，就可以看到这个过程。
另外，从理论上分析，通过电感的电流不能突变。所以当断电之后，其回路中的电流要经过一段时间后才会为零。这个过程由图2a可以看出。t时刻以后的电流只能通过小灯泡，小灯泡自然不会立即熄灭，而是滞后熄灭。滞后时间由电路参数决定。如果在断电之前通过电感的电流远大于小灯泡的工作电流，则这个电流通过小灯泡，就会使小灯泡发出比正常工作时还强的光亮。即出现闪光。
再从电感的定义来看：通过电感的电流在单位时间内的变化所产生的自感电势的大小为它的电感量。即：
。反之，如外加电流突然消失，那就必然要在电感两端感生一同向自感电势。而在我们的实验电路中，电感器是与小灯泡并联的，断电后这个自感电势就被反向加在小灯泡两端了。如图2b所示。这样小灯泡在这个自感电势的作用下就不能在瞬时熄灭，它需要一段时间。这段时间长短与小灯泡闪光强弱，亦为电路参数所决定的。
所以在此实验中，电流滞后消失是必然的，无条件的。而小灯泡发出闪光则是要满足一定条件的。并且，这个闪光是发生在断电之后。
此外，从热学角度来讲，小灯泡必然有一定的热惰性。在断电后小灯泡发出强光时，它的灯丝温度要高于正常工作时，那么它冷却到常温所需时间也必然较正常时间长。发光的时间自然也就要稍长一些了。同时它的冷却，也是需要一个降温过程的。
所以综上所述，我们得出结论为：“在断开电路后，小灯泡会滞后一个时间熄灭”。小灯泡突然发出强光的过程，自然也在这个滞后时间之内。
为了对比实验效果，我们在电路中串入一只5Ω电阻后进行试验，得到如下结果：
电阻串在灯泡回路中时，对实验现象影响不大。虽然在整个实验过程中灯泡的亮度较原先稍低，但是在断电时小灯泡仍会有较明显的闪光。
电阻串入电感回路中时，则对实验现象有较大的影响。虽然在整个实验过程中灯泡的亮度基本不变，但是在断电时小灯泡则没有闪光，或闪光不明显。
再将小灯泡改用3.8V、0.3A，并将电源改用两节干电池。实验结果如表2：
从这次实验可以看出，当电感器的直流电阻与小灯泡灯丝电阻相差不大时，将不能得到较好的实验效果。
综合分析以上实验结果可以看出，如要得到理想的实验效果，首先是电感器的直流电阻要远小于小灯泡工作时的灯丝电阻。这样在通电后，则I[，L]＞＞I[，D]。那么在断电时，小灯泡就会出现较强的闪光。在此基础上，电感器的电感量越大，断电后电流滞后消失的时间就会越长。从前列实验数据可以看出，在一般情况下，当电感量大于100毫亨时即可取得明显的实验效果。
进行演示实验时，如没有专用的演示板，在当前中学实验室条件下，要得到能够满足条件的电感器并不困难。除了前面提到的可拆变压器之外，还可以用万用变压器（变压器原理说明器）。此外，用实验室配备的2kW调压变压器次级绕组（直流总电阻约为3～4Ω，最大电感量约0.2H），作为电感进行实验。在实验中调节手轮改变绕组匝数，也能收到很好的演示效果。
在教学中如想使演示现象更加丰富，我们根据电感器的特性，还可以采用多种演示方法。
例如适当增大电源电压和干路电阻（参见图3（a）），在实验中会看到小灯泡在通电时较亮随后变暗的现象。这是电感器在通电时电流增长滞后所造成的。这显示了通电自感的现象。在断电时仍会看到并联支路的灯泡滞后熄灭。这就用同一电路演示了通、断电的自感现象。
如使用两个反向并联的发光二极管串上限流电阻（参见图3（b）），代替小灯泡做实验也可收到较好的实验效果，同时还可以显示电流方向的变化。
由于发光二极管工作电流很小，除了使用前述的几种电感器外，使用一般的日光灯镇流器做电感器也可收到很明显的实验效果。发光二极管的工作电流小，回路电阻较大。这样在断电后，能获得较长的发光时间。能更清晰地看到回路电流逐渐减小的过程。