高中物理《电流互感器》的解读误区，本文主要内容关键词为：误区论文,高中物理论文,电流互感器论文，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。
自感与互感是最常见的电磁感应现象，互感原理在电工技术和电子技术中都有广泛应用。人教版普通高中新课程标准实验教科书《物理》选修3-2中，结合《变压器》教学在《科学漫步》中介绍了“电压互感器”和“电流互感器”的概念及其应用例子。教学中无论是中学物理教材，还是一些参考资料，或在教师的课堂中，都能发现一些有关这两种互感器练习与讨论。笔者认为其中对《电流互感器》教学都存在着一种低级的、不应该有的“解读误区”。
一、两种互感器的常见解读
电压互感器与“被感知电路”（或被检测电路）并联，用来“感知”被检测电路的电压。在理想状况下，电压互感器与理想变压器工作“环境”与工作原理几乎完全相同，只是电压互感器通常由输出的低电压“感知”检测电路两端的高电压——通常相当于一只降压变压器。因此电压互感器使用时“被感知”的输入电压
（高电压）与输出电压
（低电压）满足
电流互感器反映（感知）的是“被感电路”中的电流，因此使用时是串联在“被感电路”中的。《科学漫步》中也认为“可以把变压器上原线圈的匝数做得较少，而副线圈的匝数做得较多，这时副线圈的电流比原线圈的电流小。如果把原线圈串联在电路中，副线圈的两端接在普通的交流电流表上，就可以测量很大的电流。这样的变压器叫做电流互感器。”
《科学漫步》最后还设计了一个“问题”。“如果电流互感器的效率是100%，请推导两个线圈中电流之比与它们的匝数之比的关系。”
——笔者注）
又如：如图1所示输电线
上接着两只互感器。则甲是（电压）互感器；乙是（电流）互感器。若甲、乙中原、副线圈的匝数比分别是100:1、1:10，且两表读数分别是220V、10A。则线路的输送电压是（22000）V，输送电流为（100）A。
这是各种物理资料、教师课堂中一个常见的关于电压互感器和电流互感器的练习题。
也就是说在《科学漫步》和“常见习题”中，都明显包含这样一种“常见解读”：“理想的”电流互感器中输出电流
（小电流）与“感知”出的输入电流
大电流）之间满足关系
电流互感器与电压互感器，在“理想条件——不计电能损失”下，它们都可以“完全等同”于理想变压器。它们都满足与理想变压器相同的电压、电流与原、副线圈匝数之间的“规律”
二、对电流互感器的三个“困惑”
《科学漫步》和“常见习题”对两种互感器在电能损耗不计的“理想条件下”，搬用“理想变压器”的规律和结论，似乎这“一切都很自然”。但笔者在思考中产生了下列三个“困惑”。
困惑之一 电流互感器中的输出电流怎么会与副线圈回路中的“负载”无关呢？
与副线圈“回路状况”无关！与回路中的“负载”也无关！然而无论是电压还是电流互感器，它们的工作过程都属于电流的磁效应与电磁感应现象范畴。而在法拉第电磁感应定律中，只有感应电动势才会与“回路状况”、负载是无关的。很难想象用不同内阻的交流电流表分别接在电流互感器副线圈两端，副线圈中电流会仍然是不变的；更不能想象一只理想（内阻很小，可忽略）的电流表直接接在副线圈两端，副线圈回路电流仍然保持由原、副线圈匝数比
和原线圈中电流决定的理想变压器“本色”不变，也不会过载！
困惑之二 若电流互感器输出端“故障”而无输出电流（=0）时，“能让”输入端电流（欲“被感知”的本不应改变的电流）也变为零？
与困惑之一情形相反，电流互感器原线圈中电流也果然如此“依赖”副线圈中电流？设想出现了一种“极端”状况——接在副线圈两端的电流表因“故障”而断路（R→∞），则→0，此时原线圈中电流——输电线路电流也会因副线圈回路的“故障”趋向于零？显然这里的“故障状况”并没有排除在“常见解读”的（2）式“适用范围”之外，而结论“=0”是明显不可能出现的。
困惑之三 综合“困惑之一”与“困惑之二”，“理想变压器模型”理论应用于电流互感器为何失灵？
毫无疑问，“理想变压器模型”理论应用于电压互感器后的所有结论，在理想状况下都没有发现“困惑”。那么是电流互感器的什么“不同机理”与理想变压器模型的“理想”出现了“差错”，从而影响“理想变压器模型”理论对电流互感器的应用，使笔者产生一连串的“困惑”了呢？
笔者对上述三个“困惑”，曾在很长一段时间里，可谓百思不得其解。
三、“理想变压器模型”的再思考
“解铃还需系铃人”。笔者的思考与“困惑”还与大学生时代学习《电工学》课程时的“陈病”有关。曾记得《电工学》对“不计电能损失”的“理想变压器模型”的研究中，得出的结论是：理想变压器仅有两条基本规律：
是安全可靠的，而由这两条规律得出的理想变压器原、副线圈中电流与线圈匝数关系
会有不可靠，即是有附加条件的——“随意运用这一结论是不安全的”。但限于当时笔者对《电工学》“学得不精”，一直没有弄清其中缘由。
变压器其实是一种专供改变交流电电压的互感器。原线圈输入交流电压时，在原线圈中产生的自感电动势与互感电动势（副线圈有输出电流时）共同阻碍原线圈中电流通过，在不计线圈电阻（理想变压器的“理想”之一，下同）时有
当变压器有负载时，由于原线圈并联在输入电路两端，输入电压是不变的，当副线圈的电流输出时，输出电流在原线圈中产生的互感电动势会使输入电流增大，在不计漏磁及电磁涡流的条件（理想变压器的“理想”之三）下，理论（电工学理论）和实验研究都可证明：变压器原、副线圈中电流与原、副线圈匝数的关系为
实际上，“所有用途的电压互感器，原线圈的匝数都必须足够多！”就是为了满足理想的电压互感器“原线圈自感
必须趋向无穷大”的这一附加条件之需要。
从变压器与原电路连接情况分析，变压器恰好属于电压互感器类型，因此运用“理想变压器模型”于理想的电压互感器，是一种“合理回归”，是“恰到好处”。“理想变压器”其实就是“理想的电压互感器”。
至此，笔者认为“常见解读”把“理想变压器模型”的结论机械地搬用于电流互感器，由于此“理想”非彼“理想”，是一种严重脱离两者实际的“生拉硬扯”的做法。对电流互感器的“常见解读”是不可靠的，甚至可能是错误的。
四、电流互感器工作原理的解读
对照理想变压器（理想的电压互感器），并联接入电路，有输入电压不随输出变化（即输入端连接电压源）的特点，由于理想的电流互感器是串联接入原电路（“被感电路”或输电线路），又有输入电流不随输出变化（输入端连接电流源）的特点。参考对电压互感器的分析思路，对电流互感器工作中电流和电压作初步的定量分析如下。
在理想的电流互感器的副线圈回路负载z固定情况下，有
众所周知，所有的电流互感器都会努力设计成原线圈匝数尽量少。这完全是为了避免电流互感器的串联接入电路，导致对原电路（原线圈电路）电流的产生明显影响的实际需要，也是为了实现电流互感器的“理想”——原线圈的自感→0的需要。而副线圈匝数不少是为了足够的互感效果（增大互感系数）。它们对副线圈产生电动势具有“同等贡献”。
若再回头作直接的定性思考，由于电流互感器输入端连接的是电流源，若原线圈匝数越多，根据电流的磁效应及磁感应强度与线圈匝数的关系，原线圈电流激发产生磁场“越强”，在匝数不变和回路负载一定副线圈中，理应有更大的感应电动势产生，理应有更大的副线圈回路电流，也理应有“与原线圈匝数成正比”之结果。它与电压互感器输入端连接的是电压源不同。电压互感器中原线圈匝数越多，自感越大，输入电流就会越小，就会对原线圈电流激发产生磁场产生负面作用。难道这也会有人怀疑两者应该不同？何来电流互感器也同样有“输出电流与副线圈匝数成反比”之说法？
直接的定性分析结果，从另一方面说明上述初步的定量分析结论是可以信任的。
实际上，最简单的方法是你动手试一试，仅增加前述常见习题图乙中的电流互感器（电流表）原线圈匝数，保持其他条件（包括被测电路电流），你相信电流表读数是增大还是减小？
五、两种理想互感器的知识梳理
笔者认为，根据理想的电压互感器和电流互感器的特点及其理想化过程，可归纳、梳理如下：
理想变压器就是一种专门用来改变交流电电压的理想的电压互感器。
总之，理想的电压互感器和理想的电流互感器分别从输入电压、输入电流获得“感应”，输出相同的表征量——感应电动势或者说是输出电压。其“电压互感器”与“电流互感器”的称谓区别，反映的也就是输入量或者说是“被感量”的区别。它们通过不同的“机制”，从不同的输入表征量——电压和电流，根据相同的原理（电磁感应原理）感应得到相同的输出表征量——感应电动势或者说输出电压。
理想的电流互感器之“理想”，非理想变压器的“理想”，两者混淆不得。
多年来在中学教材中对电流互感器的“常见解读”是错误的。
六、题外话
回头再看一看、想一想，对电流互感器的“解读误区”问题，其实在高校《电工学》理论中，对电压、电流两种互感器工作原理早已经有定量分析与研究，有了正确的结论。然而在中学物理中，却长期来从教材到教辅资料、教师的课堂上，犯着这样一个“低级的错误”。静下心来想想，真可谓使人“思绪万千”，“久久不能平静”。
笔者常常想，一个教师除了要专心教学生学，实在还有太多的东西自己需要学。也许一不小心，你教给学生的就是错误的。教师学得多点，能发现“误区”多点，给学生教错少点，能教得好点！做好教师真需要不断学、不断思考！
注：由于自感电动势与互感电动势之间存在相位差，严格的定量分析，应该用复向量形式表示对应的交流电物理量，本文从中学物理角度，为了方便仍借用“代数形式”表示。