測(cè)量線圈自感系數(shù)的新型裝置

張瑜釗 花合飛 彭俊淇 楊強(qiáng) 王豪杰 劉冰 朱萬軍 郭玉書

摘 ?要：開關(guān)斷開時(shí)，自感線圈中的電流不變，線圈產(chǎn)生自感現(xiàn)象，將儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)化成電阻絲的熱能，然后氣體吸收熱量發(fā)生膨脹，通過液體反映氣體膨脹的量，根據(jù)電學(xué)、熱學(xué)公式機(jī)算出答案，從而間接的測(cè)量出線圈自感系數(shù)。

關(guān)鍵詞：自感;熱膨脹;能量

線圈的自感現(xiàn)象是高中物理知識(shí)體系中的重點(diǎn)內(nèi)容，內(nèi)容抽象不易理解。在教材中也僅僅簡單提出自感系數(shù)與線圈的大小、形狀、圈數(shù)及是否有鐵芯等因素有關(guān)。傳統(tǒng)測(cè)量電感的自感系數(shù)是用交流電橋，然而存在平衡點(diǎn)較難找，而且在空間雜散信號(hào)干擾下，很容易產(chǎn)生誤差等問題;重點(diǎn)是，交流電橋結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜、造價(jià)也高，不利于用于教學(xué)。以下是我們借“測(cè)量線圈自感系數(shù)的新型裝置”，可以快速且更加準(zhǔn)確地測(cè)量出線圈的自感系數(shù)。

實(shí)驗(yàn)裝置圖如上所示

標(biāo)注數(shù)字解釋：

（1）直流電源（2）開關(guān)（3）待測(cè)線圈內(nèi)阻（4）待測(cè)線圈（5）滑動(dòng)變阻器（6）電流表（7）二極管（8）試管（9）電阻絲做成的電阻器（14）毛細(xì)管

（15）有色液注（16）刻度尺

一、新型裝置制作

1.主要制作材料如下：

電源1個(gè)、開關(guān)1個(gè)待測(cè)線圈1個(gè)、滑動(dòng)變阻器1個(gè)、電流表1個(gè)、二極管1個(gè)、用電阻絲做成的電阻器1個(gè)、試管1支、注射器筒1個(gè)、活塞1個(gè)、閥門1個(gè)，毛細(xì)管1個(gè)、有色液注1滴、刻度尺1個(gè)、橡皮泥、導(dǎo)線若干。

2.制作步驟與相應(yīng)的介紹：

（1）根據(jù)電路圖制作裝置

①根據(jù)電路圖制作第一串聯(lián)回路，直流電源與開關(guān)，待測(cè)線圈、滑動(dòng)變阻器、電流表通過導(dǎo)線相連，組成第一串聯(lián)回路。

②制作第二串聯(lián)回路，用電阻絲做成的電阻器，與直流電源，開關(guān)，二極管，電流表、滑動(dòng)變阻器相連接，組成第二串聯(lián)回路。

③制作第三串聯(lián)回路，將線圈、電阻、理想二極管相連組成第三串聯(lián)回路。

（2）安裝試管：

將用電阻絲做成的電阻器放入試管內(nèi)。

（3）制作安裝測(cè)量裝置：

①使用活塞注射器調(diào)節(jié)，使毛細(xì)管中的有色液柱處于0刻度位置。

②毛細(xì)管上固定有刻度尺，可以比較精確地測(cè)量有色液柱移動(dòng)的距離。

（4）連接電路裝置和測(cè)量裝置。

二、裝置原理與應(yīng)用

1、原理：

開關(guān)閉合時(shí)，自感線圈中有電流，此時(shí)給線圈充能，然后斷開開關(guān)，線圈產(chǎn)生自感現(xiàn)象，將儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)化成電阻絲的熱能，然后氣體吸收熱量發(fā)生膨脹，通過液體反映氣體膨脹的量，根據(jù)電學(xué)、熱學(xué)公式機(jī)算出答案，從而間接測(cè)量出自感系數(shù)。

2、應(yīng)用：

（1）閉合開關(guān)，直流電源與開關(guān) 待測(cè)線團(tuán)、滑動(dòng)變阻器、電流表構(gòu)成的第一串聯(lián)回路接通，當(dāng)電流電流穩(wěn)定。線圈中將儲(chǔ)存能量 。

（2）利用活塞調(diào)節(jié)液柱，使毛細(xì)管中的有色液柱處于0刻度位置。

（3）斷開開關(guān)時(shí)，由于自感線圈中的電流不變，自感線圈相當(dāng)于電源與理想二極管、電阻串聯(lián)，組成回路。此時(shí)講線圈中儲(chǔ)存的能量釋放，使線圈中儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)化為在待測(cè)線圈內(nèi)阻和電阻絲上放出的熱量。

（4）調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，改變電路中的電流，再次利用注射器調(diào)節(jié)，使毛細(xì)管中的有色液柱處于0刻度位置。這時(shí)，毛細(xì)管中有色液柱移動(dòng)的距離X也將改變，但L不變，證明在一定條件下，自感系數(shù)與線圈中所通電流大小無關(guān)。

（5）在電阻絲及其它影響因素不變的情況下，改變待測(cè)線圈的大小，形狀，圈數(shù)，在線圈內(nèi)放入鐵芯，用控制變量法，可得出自感系數(shù)與線圈大小、形狀、圈數(shù)及是否有鐵芯等因素有關(guān)。

綜合上述，該裝置既可以測(cè)量線圈的自感系數(shù)，還可以驗(yàn)證自感系數(shù)與線圈中電流大小無關(guān)，與線圈大小、形狀、圈數(shù)及是否有無鐵芯等因素有關(guān)的概念。

三、新型實(shí)驗(yàn)裝置優(yōu)點(diǎn)

（1）原理簡單，裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作非常簡便，而且且造價(jià)低，非常適合用于教學(xué)。

（2）相對(duì)于傳統(tǒng)裝置，更加快速且準(zhǔn)確地測(cè)量線圈的自感系數(shù)，而且比較形象的反應(yīng)出來。

（3）所用原理清楚，計(jì)算公式準(zhǔn)確，學(xué)生容易理解與計(jì)算，可以學(xué)生自己動(dòng)手做線圈自感系數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行計(jì)算，能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，還可以讓同學(xué)們學(xué)會(huì)轉(zhuǎn)化，變通，學(xué)習(xí)解決問題的方法，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和思考能力。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙凱華.電感系數(shù)的定義問題[D].大學(xué)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(shù)].大學(xué)物理，2010，297.

基金項(xiàng)目：遼寧科技學(xué)院校A級(jí)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目、測(cè)量線圈自感系數(shù)的新型裝置、202011430080。