測量線圈自感系數的新型裝置

黃萍萍　向得精　劉宏　羅鼎為　陳曉莉

【摘要】開關斷開時，自感線圈中的電流不能突變，設計合理裝置，利用能量轉化，將自感線圈中儲存的磁場能量轉化為熱能，測量熱能，得到自感線圈中儲存的磁場能量，通過電流表測量待測線圈電流大小，再結合公式，測量線圈的自感系數。

【關鍵詞】線圈 自感系數 測量

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）03-0182-01

線圈的自感是高中物理選修3-2中的重點內容，可每當教師講到線圈的自感系數時，學生總感覺不夠形象具體。在教材中也僅僅簡單提出自感系數與線圈的大小、形狀、圈數及是否有鐵芯等因素有關，這不利于鍛煉學生的感性思維。傳統測量電感的自感系數是用交流電橋，它存在平衡點較難找，并且在空間雜散信號干擾下很容易產生誤差等問題；同時，交流電橋結構復雜、造價高。筆者借“測量線圈自感系數的新型裝置”， 快速且更加準確地測量線圈的自感系數。新型實驗裝置如圖1。

一、裝置制作

1.主要制作材料

電源1個、開關1個、待測線圈1個、滑動變阻器1個、電流表1個、理想二極管1個、用電阻絲做成的電阻器1個、試管1支、三通管1個、注射器筒1個、活塞1個、閥門1個、毛細管1個、有色液注1滴、刻度尺1個、導線若干。

2.制作步驟及相應介紹

（1）制作教具左端的電路裝置

①制作第一串聯回路

直流電源需電壓可調，與開關，待測線圈、滑動變阻器、電流表通過導線相連，構成第一串聯回路。

②制作第二串聯回路

用電阻絲做成的電阻器，與直流電源，開關，理想二極管，電流表、滑動變阻器相連構成第二串聯回路。

③制作第三串聯回路

將電阻絲與待測線圈，理想二極管相連構成第三串聯回路。

（2）添加試管

將用電阻絲做成的電阻器放入試管內。

（3）制作教具右端的測量裝置

①使活塞位于注射器筒內，調節壓強使毛細管中的有色液柱處于0刻度位置，再通過關閉閥門使兩邊氣體隔絕。

②用三通管用來連接封閉試管，注射器筒及毛細管，四者皆為絕熱的。毛細管上固定有刻度尺，可以比較精確地測量有色液柱移動的距離。

（4）連接電路裝置和測量裝置。

二、裝置原理與應用

1.裝置原理

開關斷開時，自感線圈中的電流不能突變，設計合理裝置，利用能量轉化，將自感線圈中儲存的磁場能量轉化為熱能，間接測量線圈的自感系數。

2.裝置應用

（1）閉合開關，直流電源與開關，待測線圈、滑動變阻器、電流表構成的第一串聯回路接通，電流漸趨于穩定。線圈中將儲存能量

（2）利用活塞調節壓強，使毛細管中的有色液柱處于0刻度位置，關閉閥門10使兩邊氣體隔絕。

（3）斷開開關時，由于自感線圈中的電流不能突變，它將充當電源與理想二極管、電阻2串聯，構成回路。此時線圈中儲存的磁場能量釋放，原來線圈中儲存的磁場能量轉化為在待測線圈內阻和電阻絲上放出的熱量。

（4）調節滑動變阻器，使電路中的電流改變，再次利用活塞調節壓強，使毛細管中的有色液柱處于0刻度位置，關閉閥門使兩邊氣體隔絕。這時，毛細管中有色液柱移動的距離△x也將改變，但L不變，證明在一定條件下，自感系數與線圈中所通電流大小無關。

（5）在電阻絲及其它影響因素不變的情況下，改變待測線圈的大小，形狀，圈數以及向線圈內放入鐵芯，控制變量，可得出自感系數與線圈大小、形狀、圈數及是否有鐵芯等因素有關。

（6）綜合上述，該裝置不僅可定量測量線圈的自感系數，還可以驗證自感系數與線圈中所通電流大小無關，與線圈大小、形狀、圈數及是否有鐵芯等因素有關。

三、新型實驗裝置優點

（1）該裝置結構簡單，操作簡便，且造價低。

（2）較傳統裝置，更加快速且準確地測量線圈的自感系數。

（3）所用原理比較簡單，學生容易理解，同時可以指導學生自己動手做實驗，并進行計算，激發學生學習興趣，培養學生的動手能力和科學探究精神。

參考文獻：

[1]趙凱華. 電感系數的定義問題[J]. 大學物理，2001，20（2）.

[2]葛宇宏，葛志利. 有限長多層直螺線管的自感系數[J]. 大學物理，2010，29（7）.endprint