汽車點火系在《電工學》教學中的靈活運用

《電工學》課程是技工學校機電、電工、電微、電工與電子等專業的重要公共基礎課,凡與電相關聯的一切知識均是從《電工學》課程學習開始的,《電工學》是學習后續課程,如《電工工藝學》、《電子技術》、《電工儀表》、《電力拖動與自動控制》等的基礎。學好《電工學》課程,能使學生在對電學的相關學習中具備扎實的知識基礎。

多年來,筆者一直從事汽車電氣設備的教學。今年由于機電專業招生人數增加,筆者承擔了機電專業《電工學》課程的教學任務。在講授第二章“磁與電磁”中第四節“電磁感應定律”的教學內容時,由于該章節內容比較抽象、難懂,學生對課本中電磁感應定律內容的理解普遍比較困難,特別對互感和自感的概念更容易混淆,其原因主要是這部分內容理論性比較強,還存在一些復雜且枯燥的理論推導和難記的公式。由于技校生的理論基礎水平較為薄弱,大多數學生對理論的學習存在一種抵觸情緒,即使再簡單的理論,他們往往缺乏學習的熱情,不愿同教師合作。如果采用單一的教學方法,學生會因教學方法缺乏活力而喪失學習興趣。針對這種情況,筆者把電磁感應現象的自感和互感原理在汽車點火系中的應用,通過實物、示教板的形式向學生演示了傳統汽車點火系的整個工作過程,并幫助學生為過程中的每一步找到電磁理論的支撐。這種通過實踐學習理論、鞏固理論,反過來用理論來指導實踐的教學方法,使學生很快掌握了電磁感應定律的基本知識,達到了促進學生理解、激發學生學習興趣的良好效果。

常規“電磁感應定律”教學過程

我們知道,電流能產生磁場,反過來磁場在一定條件下也會產生電流,我們把變化磁場在導體或線圈中產生電動勢的這種現象稱為電磁感應。在線圈中產生的電磁感應現象存在兩種形式,一種是自感——由于流過線圈本身的電流發生變化而引起的電磁感應現象,自感電動勢方向可用楞次定律來判斷。即線圈中的外電流i增大時,感應電流方向與外電流i的方向相反,外電流減小時感應電流的方向與之方向相同,自感電動勢的大小與線圈的電感及線圈中外電流的變化快慢(變化率)成正比。另一種稱為互感,即由一個線圈(稱一次線圈)中的電流發生變化而在另一線圈(稱二次線圈)中產生電磁感應的現象。互感電動勢的方向仍可用楞次定律來判斷,互感電動勢的大小與二級線圈的匝數和一次線圈中電流的變化率成正比。在講上述教學內容時,常規的教學方法是,先描述教材中敘述的實驗內容(在缺乏實驗器材的條件下),然后,根據實驗結果推出自感和互感現象的概念,以及有關感應電動勢的大小計算公式和方向的判定方法。最后,通過學生做習題來加深和鞏固電磁感應的教學內容。但是,由于該部分教學內容比較抽象,理論性強,與學生以前所學的知識聯系少,加上大部分學生基礎較差,所以,常規教學方法使得學生在掌握和靈活運用電磁感應原理的基礎知識上存在很大障礙,教學效果不太理想。筆者利用汽車傳統點火系的工作原理來講述自感和互感原理,其教學效果比較理想。因為傳統的點火系就是利用點火線圈的互感原理工作的。

汽車點火系在電磁感應

教學過程的應用

首先,準備一只完好的分電器(型號不限),一只相配套的電火線圈,一只充足電的12V蓄電池(容量不限),一條高壓導線和若干條低壓導線,按圖1所示將其連接。

同時,使高壓導線的一端距蓄電池負極保持7～8mm的距離,用手轉動分電器軸會看到在高壓導線距蓄電池負極之間會發生高壓跳火現象,火花的強弱隨轉動分電器軸轉速的增大而增強,在分電器軸轉速不變、高壓導線距蓄電池負極距離保持不變的情況下,拆除電容器。這時我們會看到高壓火花變弱,甚至無火花。學生看到上述演示后,很快激發了學習興趣,喚起了他們的求知欲望。這時,教師應抓住這個有利機會,向學生解釋發生跳火的原因(見圖2)。

接通電路后,分電器軸在人為的作用下轉動,使分電器中的斷電器觸點交替地閉合與斷開,當觸點處于閉合時,蓄電池向點火線圈的一次繞組供電,其電路為:蓄電池“+”極→點火線圈一次繞組→斷電器觸點→搭鐵→蓄電池“-”極。這時,12V的低壓電流流過一次繞組,使鐵心、一次繞組及二次繞組中有磁通通過,鐵心存儲了磁場能。當繼續轉動分電器軸,使凸輪頂開斷電器觸點時,一次繞組斷電(即電流發生了變化),這時,穿過二次繞組的磁通驟然消失。因此,在二次繞組中產生了互感電動勢。根據互感電動勢的大小計算公式(e2M=│-N2△φ12/△t│)可知,互感電動勢的大小與互感磁通量的變化率以及二次線圈的匝數成正比,即正比于第一個線圈中電流的變化率。由于二次繞組的匝數(20000～40000匝)比較多,于是,在二次繞組中感應出高壓互感電動勢,其互感電動勢可達1.5～2.0萬伏,這樣,高電壓加在高壓線端與蓄電池負極之間產生了電火花。而且,火花強弱隨分電器軸轉速增大而增大,轉速增大能提高一次線圈的電流變化率,所產生的互感電動勢就大,產生電火花也就大。

為什么斷開電容器后火花變弱甚至無火呢?主要因為斷電器觸點斷開時,由于電流突然消失,在一次線圈中會產生200～300V的自感電動勢,方向與蓄電池的電動勢方向相同。這兩個電動勢相加使斷電器觸點之間產生火花,將觸點燒壞。同時,觸點火花又會使一次線圈中的電流變化率下降,降低了二次線圈的互感電動勢,使火花變弱,甚至無火。

通過上述理論分析后,大部分學生已能正確掌握電磁感應的基礎知識。為了進一步加深學生對互感電動勢大小的具體感受,我讓部分學生代表親自動手來完成教師演示的試驗。學生動手前,教師先暫時不要講需要注意的一些安全事項及可能發生的情況,結果學生在電路連接(即使未轉動分電器軸)的過程中發生了高壓觸電現象(除非心臟病,否則對人沒有任何危險)。這時,教師通過發生的觸電現象,再引導學生找原因。最終學生得出這樣的結論:要發生觸電刺激,一定發生了互感現象,只憑蓄電池的12V電壓(小于安全電壓36V)是不會發生的,在電路連接過程中,由于導線的連接或斷開,在斷電觸點剛好閉合的情況下,會使點火線圈中一次線圈的電流發生驟然變化,在二級線圈中產生了電壓很高的互感電動勢,才導致觸電現象的發生。通過這種無意識的觸覺的感受,又加深了學生對互感知識的認識。

對于這些理論性比較強的知識點,在整個教學中應多角度地進行思考,研究學生,研究教材,選擇并創新教學方法,實現課堂教學方式的最優化。選擇那些有利于激發學生學習興趣、調動學生學習積極性的教學手段。這樣,才能使抽象的理論知識變得具體,并力求降低學生的理解難度。教學實踐已經證明,這種教學方式是行之有效的。

參考文獻:

[1]周國慶.電工與電子技術基礎(汽車類)[M].北京:中國勞動社會保障出版社,2004.

[2]黃孟濤.汽車電氣設備[M].北京:中國勞動社會保障出版社,1999.

[3]邵展圖.電工學(機械類)[M].北京:中國勞動社會保障出版社,2007.

作者簡介:

張學友(1966—),男,云南玉溪人,云南紅河州技工學校高級講師,長期從事汽車電氣理論教學和汽車維修實習指導工作。