“逐漸變亮”還是“閃亮”？

金世華

摘 要：自感是區(qū)別于互感的一種特殊的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，它是由于導(dǎo)體本身電流變化而產(chǎn)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：自感；實(shí)驗(yàn)；分析

所謂“自感”，簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是線圈自身電流發(fā)生變化時(shí)，線圈本身就感應(yīng)出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（若電路閉合，就產(chǎn)生感應(yīng)電流），這個(gè)自感電動(dòng)勢(shì)總是阻礙原電流的變化。由楞次定律知道，電磁感應(yīng)產(chǎn)生的效果總是阻礙引起電磁感應(yīng)現(xiàn)象的磁通量的變化，在自感現(xiàn)象中，其效果總是阻礙導(dǎo)體中原電流的變化，即總是起著推遲電流變化的作用，在分析自感現(xiàn)象的問(wèn)題中，經(jīng)常利用這種電磁感應(yīng)的效果來(lái)分析問(wèn)題。下面我們來(lái)討論一下自感中小燈泡亮度變化的問(wèn)題。

例1.如圖1所示，在研究自感現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)中，用兩個(gè)完全相同的燈泡A、B分別與自感系數(shù)很大的自感線圈和定值電阻組成如圖1所示的電路，定值電阻為R1，線圈的電阻為R2，電源的電動(dòng)勢(shì)為E，內(nèi)阻為r，電鍵S開(kāi)始處于閉合狀態(tài).。當(dāng)電鍵S斷開(kāi)的過(guò)程中，兩燈泡的亮度怎樣變化？

分析：設(shè)電鍵S閉合時(shí)，通過(guò)燈泡A與B的電流分別為IA和IB。現(xiàn)斷開(kāi)電鍵S，IA將馬上變?yōu)榱悖捎谕ㄟ^(guò)線圈的電流發(fā)生變化而產(chǎn)生自感現(xiàn)象，阻礙電流IB的減小，使通過(guò)B燈的電流IB不能馬上變?yōu)榱悖怯蒊B逐漸變?yōu)榱恪Ｒ虼送ㄟ^(guò)B燈的電流方向并不變，大小由IB逐漸變?yōu)榱悖ㄟ^(guò)燈泡A的電流由IA突然變?yōu)镮B，且方向也變化，與原來(lái)相反，然后由IB逐漸變?yōu)榱恪?/p>

由以上分析知，燈泡B的亮度是逐漸變暗，直到熄滅。而燈泡A的亮度變化有三種情況：

（1）當(dāng)IB=IA時(shí)，燈泡A也是逐漸變暗，直到熄滅。

（2）當(dāng)IB>IA時(shí)，由于此時(shí)通過(guò)燈泡A的電流要比斷開(kāi)電鍵S前還要大，所以A燈先突然閃亮一下，然后由此亮度逐漸變暗，直到熄滅。

（3）當(dāng)IB

例2.如圖2所示的電路中，燈A、燈B完全相同，帶鐵芯的線圈L的電阻可忽略，則（ ）

A.S閉合瞬間，燈A、B同時(shí)發(fā)光，接著燈A熄滅，燈B更亮

B.S閉合瞬間，燈A不亮，燈B立即亮

C.S閉合瞬間，燈A、B都不會(huì)立即亮

D.穩(wěn)定后再斷開(kāi)S瞬間，燈B立即熄滅，燈A亮并且比燈B更亮

分析：線圈電阻可忽略，說(shuō)明當(dāng)電路穩(wěn)定后L相當(dāng)于一根無(wú)阻導(dǎo)線；線圈帶鐵芯，說(shuō)明自感系數(shù)值很大，當(dāng)電路變化時(shí)，流過(guò)線圈L的電流瞬時(shí)不變。

當(dāng)S閉合瞬間，L支路中的電流從無(wú)到有發(fā)生變化，因此，在L中產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)，阻礙電流增加。由于自感系數(shù)很大，對(duì)電流的阻礙作用很強(qiáng)，所以在接通S極短的時(shí)間里L(fēng)中的電流幾乎為零，可以將L支路看作斷路，故燈A、B同時(shí)發(fā)光。由于L中的電流從無(wú)到有很快穩(wěn)定，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)消失，L相當(dāng)于一根無(wú)阻導(dǎo)線將燈A短路，故燈A將熄滅。由于此時(shí)電路中的電阻僅為燈B的電阻，比原來(lái)變小，故電路中流過(guò)燈B的電流增大，燈B比原來(lái)更亮。故選項(xiàng)A正確。

在S斷開(kāi)瞬間，L中的電流減小，L產(chǎn)生一個(gè)自感電動(dòng)勢(shì)來(lái)阻礙流過(guò)自身的電流變化，與燈A構(gòu)成閉合回路。由于流過(guò)L的電流瞬時(shí)不變，等于原先流過(guò)燈B的電流，故S斷開(kāi)的瞬間，燈A亮度與原來(lái)電穩(wěn)定時(shí)燈B的亮度相同，不會(huì)比原來(lái)更亮，燈B則是立即熄滅。

本題正確答案為選項(xiàng)A。

例3.如圖3所示的電路中，燈泡P和燈泡Q是完全相同的燈泡。自感線圈L是直流電阻為零的純電感，且自感系數(shù)很大。電容器C的電容較大且不漏電，請(qǐng)選出下列說(shuō)法中正確的是（ ）

A.開(kāi)關(guān)S閉合后，P燈亮后逐漸熄滅，Q燈逐漸變亮

B.開(kāi)關(guān)S閉合后，P燈、Q燈同時(shí)亮，然后P燈變暗，Q燈更亮

C.開(kāi)關(guān)S閉合，電路穩(wěn)定后，S斷開(kāi)時(shí)，P燈突然亮一下，然后熄滅，Q燈立即熄滅

D.開(kāi)關(guān)S閉合，電路穩(wěn)定后，S斷開(kāi)時(shí)，P燈突然亮一下，然后熄滅，Q燈逐漸熄滅

分析：在S閉合瞬間，電容器C電壓較小，充電電流較大，故Q燈的電流較小，而自感線圈L由于自感系數(shù)很大，故幾乎沒(méi)有電流流過(guò)，也就是說(shuō)此時(shí)基本上是P燈與電容器C形成通路。在電路達(dá)到穩(wěn)定的過(guò)程中電感L上的電流逐漸增大，電容器C上的充電電流逐漸減小，P燈上的電流逐漸減小，Q燈上的電流逐漸增大，達(dá)到穩(wěn)定后，P燈無(wú)電流，Q燈達(dá)到最亮，所以選項(xiàng)A

正確。

開(kāi)關(guān)S閉合，電路達(dá)到穩(wěn)定后，S斷開(kāi)時(shí)，電感L與燈P組成閉合回路，電感中的電流流經(jīng)P燈，使P燈突然亮一下再熄滅，而電容器C中所帶的電荷經(jīng)Q燈放電，Q燈不是立即熄滅，而是逐漸熄滅。所以選項(xiàng)D正確。答案為選項(xiàng)A、D。

總之，在討論燈泡的亮度是“逐漸變亮”時(shí)，要注意分析是否有自感現(xiàn)象，因?yàn)樽愿械男Ч亲璧K原電流的變化，而研究小燈泡是否出現(xiàn)“閃亮”時(shí)，需比較變化前后通過(guò)燈泡電流的大小

關(guān)系。

參考文獻(xiàn)：

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[2]蒙杏雄.對(duì)“自感現(xiàn)象演示實(shí)驗(yàn)”的一些體會(huì)[J].物理教師，1981（4）.

編輯 張珍珍