电感器对交直流作用演示仪*

马志华 黄春如

(江西省樟树市第三中学 江西 樟树 331200)

在“电感和电容对交变电流的影响”这一节的教材中，要求学生定性认识电感和电容对电流的阻碍作用，书中电感器对交变电流的阻碍作用的大小表述为：线圈的自感系数越大、交流电的频率越高，电感对交流电的阻碍作用就越大，线圈的感抗也就越大[1]．但教材中这一部分的实验却较少，仅有一个是对比电感对交、直流电流的不同阻碍作用，教材中与上面的表述相对应的实验，即自感系数的变化、频率的变化与感抗关系的实验却没有．由于频率变化的交流电难以找到，更增加了交流电的频率变化对电感器感抗影响的实验难度[2]．为了突破上述难点，我们用手头的简易器材做实验，特别是用直流模拟出交流的效果，用实验直观地得出电感器“通直流、阻交流”的结论，并通过演示明确了电感器对交变电流的阻碍作用与线圈的自感系数的大小及电源频率的关系，教学效果明显．

1 实验电路

如图1所示，单刀双掷开关中心头接实验电路，1和2端接交流电源， 3和4端接直流电源．A1和A2为3.8 V小电珠，A1的作用是通过其亮度变化来显示电路中的电流的强弱变化，从而体现电路中各元件对交流电和直流电的作用情况．A2的作用是检验交流电源电压的有效值与直流电源电压大小的关系．电感器L的线圈匝数和铁芯做成活动式，按电感量大小分为3组，如图2所示．

图1

图2 电感器实物照片

2 实验装置

实物装置如图3所示，交流电源采用家用多功能电源变压器(可输出0～12 V)中的一组线圈，使其输出的交流电压约为3.7 V．直流电源采用废旧手机电池，输出电压3.7 V．

图3 演示仪实物装置图

线圈L的制作方法：取线径0.5～0.6 mm的漆包线约35 m长，绕成半径约5.5 cm的线圈，可绕100匝．为防止匝间散开，用胶带缠绕固定．之后，再将100匝的大线圈通过两次“8”字形扭转，做成一个3大匝的线圈．线圈的铁芯用废旧彩电行输出中的铁氧体磁芯．将1大匝线圈穿入磁芯，此时线圈的电感较小；将2大匝穿入铁芯，线圈的电感较大；将3大匝线圈全部穿入铁芯，线圈的电感最大，如图2中的(a)、(b)、(c)所示，这样就做成了一个电感量可变化的线圈．

3 实验方法

单刀双掷开关断开，将变压器初级线圈接入220 V交流电源．

3.1 验证交流电源电压的有效值与直流电源大致相等(等效替代法)

为了比较交流与直流对电感作用的效果，须选择交流电源电压的有效值与直流电源电压值大致相等，精确的方法是用多用电表交、直流挡分别测单刀接入交、直流电源时的电压值，本实验设计为等效替代的方法解决上述问题，方案是：图1中先将小电珠A2连线的两端插入5和6插孔(此时线圈L不接入电路)，将单刀双掷开关与交流电源1和2端接通，观察小电珠的亮度；之后将单刀双掷开关与直流电源3和4端接通，观察小电珠的亮度．通过前后交、直流供电小电珠亮度的比较，说明交流电源电压的有效值与直流电源电压大致相等．

3.2 验证电感器“通直流 阻交流” 且电感越大其对交流电的感抗越大(控制变量法)

移开小电珠A2，将线圈L按电感量从小到大的顺序接入插孔5和7中，后将单刀双掷开关分别接通交流电源和直流电源，观察小电珠A1的亮暗情况．

(1)若单刀双掷开关接入直流电源，L变化时可发现小电珠A1的亮度不发生变化，即电感大小对直流作用无变化；

(2)若单刀双掷开关接入交流电源，随着L的变大可发现小电珠A1的亮度逐渐变暗．图3实验电路中的线圈组合与小电珠亮度的对应关系如图4所示．在这个实验中，我们还可轻易的将铁芯从封闭变为分离，或从分离变为封闭，引起线圈电感大小的进一步变化，对比小电珠的亮暗可得出电感对交流电的作用结果．

图4 随着自感变大，小电珠亮度变暗

3.3 验证交流电变化的频率越大电感器的感抗越大(模拟替代)

为了探究交流电频率变化对电感的影响，我们试图用手摇交流发电机做实验，当转动快慢变化时，输出交流电的频率发生了变化，但随着转速的加快，输出电源的电压也增大，因而多个变量作用于电感线圈L，形成不了有效的结论．如何使方向变化而输出电压不变呢，我们设计了以下方案：脱开图1中交流电源与1和2的连接，将单刀双掷开关中的1和4接线柱、2和3接线柱分别连接，电路图及实物连线图如图5所示．

图5 电路图及实物连线图

这样，当单刀开关分别与上触头1和2，下触头3和4交替接通时，电路输入端5和6两端电源的极性交替变化，导致A1和L回路中的电流方向交替变化，即用一个直流电源模拟出了交替变化的交流电的效果，随着单刀开关交替变化的速度加快，即回路中电流变化频率变大时，小电珠A1的亮度明显减弱．按照上述思路，我们用废旧多用电表的挡位转动开关，加工制作了一个可使直流电源极性交替连续变化的旋转式开关，内部电路如图6所示，应用到上述电路中，效果非常明显．综上实验过程，从而得出结论：电流交替变化的频率越高，电感器对交流电的阻碍作用就越大，感抗也就越大．

图6 旋转式开关的内部电路

上述实验原理简单，易操作，其中蕴涵的物理思想和研究方法，对提升学生科学素养和实验设计与动手能力都能起到很好的促进作用．

参考文献

1 普通高中课程标准实验教科书.物理选修3-2(第2版).北京：人民教育出版社,2010.37～40

2 丁兵.低频信号发生器在感抗、容抗实验中的应用.物理通报，2008(4)：48～49