電感器對交直流作用演示儀*

馬志華 黃春如

(江西省樟樹市第三中學 江西 樟樹 331200)

在“電感和電容對交變電流的影響”這一節的教材中，要求學生定性認識電感和電容對電流的阻礙作用，書中電感器對交變電流的阻礙作用的大小表述為：線圈的自感系數越大、交流電的頻率越高，電感對交流電的阻礙作用就越大，線圈的感抗也就越大[1]．但教材中這一部分的實驗卻較少，僅有一個是對比電感對交、直流電流的不同阻礙作用，教材中與上面的表述相對應的實驗，即自感系數的變化、頻率的變化與感抗關系的實驗卻沒有．由于頻率變化的交流電難以找到，更增加了交流電的頻率變化對電感器感抗影響的實驗難度[2]．為了突破上述難點，我們用手頭的簡易器材做實驗，特別是用直流模擬出交流的效果，用實驗直觀地得出電感器“通直流、阻交流”的結論，并通過演示明確了電感器對交變電流的阻礙作用與線圈的自感系數的大小及電源頻率的關系，教學效果明顯．

1 實驗電路

如圖1所示，單刀雙擲開關中心頭接實驗電路，1和2端接交流電源， 3和4端接直流電源．A1和A2為3.8 V小電珠，A1的作用是通過其亮度變化來顯示電路中的電流的強弱變化，從而體現電路中各元件對交流電和直流電的作用情況．A2的作用是檢驗交流電源電壓的有效值與直流電源電壓大小的關系．電感器L的線圈匝數和鐵芯做成活動式，按電感量大小分為3組，如圖2所示．

圖1

圖2 電感器實物照片

2 實驗裝置

實物裝置如圖3所示，交流電源采用家用多功能電源變壓器(可輸出0～12 V)中的一組線圈，使其輸出的交流電壓約為3.7 V．直流電源采用廢舊手機電池，輸出電壓3.7 V．

圖3 演示儀實物裝置圖

線圈L的制作方法：取線徑0.5～0.6 mm的漆包線約35 m長，繞成半徑約5.5 cm的線圈，可繞100匝．為防止匝間散開，用膠帶纏繞固定．之后，再將100匝的大線圈通過兩次“8”字形扭轉，做成一個3大匝的線圈．線圈的鐵芯用廢舊彩電行輸出中的鐵氧體磁芯．將1大匝線圈穿入磁芯，此時線圈的電感較小；將2大匝穿入鐵芯，線圈的電感較大；將3大匝線圈全部穿入鐵芯，線圈的電感最大，如圖2中的(a)、(b)、(c)所示，這樣就做成了一個電感量可變化的線圈．

3 實驗方法

單刀雙擲開關斷開，將變壓器初級線圈接入220 V交流電源．

3.1 驗證交流電源電壓的有效值與直流電源大致相等(等效替代法)

為了比較交流與直流對電感作用的效果，須選擇交流電源電壓的有效值與直流電源電壓值大致相等，精確的方法是用多用電表交、直流擋分別測單刀接入交、直流電源時的電壓值，本實驗設計為等效替代的方法解決上述問題，方案是：圖1中先將小電珠A2連線的兩端插入5和6插孔(此時線圈L不接入電路)，將單刀雙擲開關與交流電源1和2端接通，觀察小電珠的亮度；之后將單刀雙擲開關與直流電源3和4端接通，觀察小電珠的亮度．通過前后交、直流供電小電珠亮度的比較，說明交流電源電壓的有效值與直流電源電壓大致相等．

3.2 驗證電感器“通直流 阻交流” 且電感越大其對交流電的感抗越大(控制變量法)

移開小電珠A2，將線圈L按電感量從小到大的順序接入插孔5和7中，后將單刀雙擲開關分別接通交流電源和直流電源，觀察小電珠A1的亮暗情況．

(1)若單刀雙擲開關接入直流電源，L變化時可發現小電珠A1的亮度不發生變化，即電感大小對直流作用無變化；

(2)若單刀雙擲開關接入交流電源，隨著L的變大可發現小電珠A1的亮度逐漸變暗．圖3實驗電路中的線圈組合與小電珠亮度的對應關系如圖4所示．在這個實驗中，我們還可輕易的將鐵芯從封閉變為分離，或從分離變為封閉，引起線圈電感大小的進一步變化，對比小電珠的亮暗可得出電感對交流電的作用結果．

圖4 隨著自感變大，小電珠亮度變暗

3.3 驗證交流電變化的頻率越大電感器的感抗越大(模擬替代)

為了探究交流電頻率變化對電感的影響，我們試圖用手搖交流發電機做實驗，當轉動快慢變化時，輸出交流電的頻率發生了變化，但隨著轉速的加快，輸出電源的電壓也增大，因而多個變量作用于電感線圈L，形成不了有效的結論．如何使方向變化而輸出電壓不變呢，我們設計了以下方案：脫開圖1中交流電源與1和2的連接，將單刀雙擲開關中的1和4接線柱、2和3接線柱分別連接，電路圖及實物連線圖如圖5所示．

圖5 電路圖及實物連線圖

這樣，當單刀開關分別與上觸頭1和2，下觸頭3和4交替接通時，電路輸入端5和6兩端電源的極性交替變化，導致A1和L回路中的電流方向交替變化，即用一個直流電源模擬出了交替變化的交流電的效果，隨著單刀開關交替變化的速度加快，即回路中電流變化頻率變大時，小電珠A1的亮度明顯減弱．按照上述思路，我們用廢舊多用電表的擋位轉動開關，加工制作了一個可使直流電源極性交替連續變化的旋轉式開關，內部電路如圖6所示，應用到上述電路中，效果非常明顯．綜上實驗過程，從而得出結論：電流交替變化的頻率越高，電感器對交流電的阻礙作用就越大，感抗也就越大．

圖6 旋轉式開關的內部電路

上述實驗原理簡單，易操作，其中蘊涵的物理思想和研究方法，對提升學生科學素養和實驗設計與動手能力都能起到很好的促進作用．

參考文獻

1 普通高中課程標準實驗教科書.物理選修3-2(第2版).北京：人民教育出版社,2010.37～40

2 丁兵.低頻信號發生器在感抗、容抗實驗中的應用.物理通報，2008(4)：48～49