對自感實驗的進一步探究

田 川 陳 怡 董 彥

(1. 重慶市第八中學校，重慶 400030； 2. 重慶市沙坪壩區教師進修學院，重慶 400030)

1 對該實驗的進一步探究

共識1:如圖1所示,斷開開關,握住M、N兩點的人會有觸電的感覺,設人體接入的電阻為R,那么斷電前一瞬間流過自感線圈的電流為I,則斷開開關的一瞬間,人就會感受到一個大小等于IR的電壓．I一定時,R越大,則感受到的瞬間電壓就越大．

圖1

問題1:這個電壓可以達到多大呢?將人換成一個大電阻,例如一段空氣縫隙,即將M、N兩點靠的很近但又不接觸．如圖2所示,空氣的電阻率可達1013Ω·m[1],取導線間距1 mm,正對橫截面積1 mm2,由電阻定律可知此小段空氣縫隙的電阻約為1016Ω．若斷開開關前,流過自感線圈的電流為0.1 A,那么斷開開關時,此空氣縫隙間的電壓可達1015V．空氣的擊穿場強為30000 V/cm[1],可知擊穿長度為1 mm的空氣縫隙電壓需要達到3000 V,由此可知,1015V的強大電壓擊穿這個空氣縫隙是綽綽有余的,所以,斷開開關時,應該可以在M、N兩點間看到火花．

探究1:所需器材:舊式日光燈的鎮流器、電源、開關、導線若干．按圖2連線,閉合開關,待穩定后,斷開開關,M、N兩點間縫隙處未見火花．再縮短空氣縫隙的間距,重復實驗,也未見火花．使導線的正對處更加尖銳,重復實驗也未見火花．反復實驗,始終未見火花．

問題2:原因為何?

圖3

探究2:再重復以上實驗,但是將觀察的位置由M、N兩點間縫隙改為開關處(為了使實驗效果更易觀察用一根導線與鱷魚夾相接觸表示開關閉合,脫離表示開關斷開),實驗發現,在導線與鱷魚夾脫離的瞬間總能看到放電火花,如圖3所示．

問題3:為什么在斷開開關的時候,總是在開關處看到火花,而不是在M、N兩點間縫隙處．

探討1:為什么火花是在開關處產生?這個現象背后的原因其實是一個“誰先更小”的問題．假設將M、N兩點間縫隙間距事先設定為0.1 mm,那么當開關斷開時,開關的兩個金屬片脫離后的距離一定是從0開始增大的,在從0增大到0.1 mm的過程中,與M、N兩點縫隙間的空氣電阻相比,開關處的電阻更小,因此自感線圈會選擇電阻更小的回路放電．因此放電的位置是在率先獲得“更小電阻”的開關處,而不是M、N兩點間縫隙處．

共識2:如圖4所示,閉合開關,燈L2延遲亮,燈L1立即亮．因為滑動變阻器不是自感線圈．

圖4

問題4:仔細觀察滑動變阻器的構造,可以發現纏繞的電阻絲其實是一根“彈簧”．如圖5所示,是拆取下來的變阻器的電阻絲(圖5中的彈簧圈)和一個完好的滑動變阻器的對比圖．筆者不禁要問,彈簧也是線圈呀!為什么沒有看到自感現象呢?是因為沒有插入鐵芯致使自感系數小嗎?

探究3:取下彈簧狀的電阻絲,中間插入一根鐵芯．按圖4連線,閉合開關,未見燈泡延遲亮．

問題5：是不是自感電動勢太小，導致現象不易察覺，可否考慮用更靈敏的器材加以檢驗.

探究4:所需器材:干電池、插有鐵芯的彈簧圈、保護電阻、電流傳感器(采集頻率選定為2000 Hz)、導線若干,如圖6所示．按圖7連線,閉合開關,待穩定后斷開開關．結果在電流傳感器中檢測到一個短暫的反向電流,持續時間約為2.5 ms,如圖8所示,由此說明滑動變阻器也是一個電感元件,只是由于自感系數較小,因此在實驗的過程中將其視為一個理想的純電阻．

圖6

圖8

圖9

問題6:既然滑動變阻器也是自感元件,那么滑動變阻器對串聯的燈泡的延時效果究竟弱到什么樣的程度,以致于肉眼察覺不到這種延時呢?

探究5:所需器材:干電池、插有鐵芯的彈簧圈、變壓器副線圈、舊式日光燈的鎮流器、保護電阻、電流傳感器(采集頻率選定為2000 Hz)、導線若干,如圖9所示．

首先將插有鐵芯的彈簧圈、保護電阻、電流傳感器串聯接入電路,閉合開關,得到電路中電流的躍升圖,局部放大后的輪廓如圖10所示,其中圖10(甲)顯示的是電流剛剛開始躍升時的情景,從圖中不難看出電流從1.39 s開始躍升,圖10(乙)顯示電流剛剛穩定的時刻為1.40 s,由此可知,插有鐵芯的彈簧圈對電路中電流的躍升是有延時作用的,遲滯時間約為0.01 s．由于人眼的視覺暫留效應因而看不到延遲現象．[2]

圖10

換用變壓器的副線圈和鎮流器重復以上實驗,可以看出明顯的遲滯作用,實驗結果如圖11所示．變壓器的副線圈可以使得電路經0.05 s才達到穩定,鎮流器可以使電路經0.1 s后才逐漸達到穩定．

圖11

通過實驗,可以看出,剛才那位學生提出的問題應該這樣解釋:“嚴格地說,學生常用的滑動變阻器也是一個自感線圈,但是由于圈數不太多,又沒有插入鐵芯,所以自感現象極其不明顯,因此,在研究自感現象時常常將滑動變阻器視為純電阻”．如果教師能夠說出“通常學生使用的20 Ω規格的滑動變阻器對電路中電流的遲滯時間約為0.01 s”,那么提問的這個學生一定對教師的回答會很滿意．教師在課前充分的準備換來的是提問學生由衷的欽佩,這樣對教與學的良性互動是極其有利的．

2 以上探究實驗給實驗教學帶來的啟示

以上探究實驗表明,滑動變阻器的確是一個自感元件．因此教師在進行圖4所示的實驗時,如果有學生提出“滑動變阻器也有一圈圈電阻絲,為什么不考慮它帶來的影響”時．作為教師不能通過簡單的一句“它不是自感線圈”來應付學生．

由此可見,教師深度研究自感實驗中的一些細節問題是很有必要的．