演示电感和电容对交变电流影响的装置

潘永祥

(凯里市第一中学,贵州 凯里 556000)



演示电感和电容对交变电流影响的装置

潘永祥

(凯里市第一中学,贵州 凯里 556000)

摘要：将电源、电容、电感、电阻及小灯泡安装在电路演示板上，连接不同的电路，通过灯泡的明暗，可以分别直观地展示出电感和电容对交变电流的影响，同时也可以探究影响电感感抗大小的因素.

关键词：电感;电容;交变电流

文献[1]第5章第3节内容为“电感和电容对交变电流的影响”，在该节中，设计了2个演示实验验证电感和电容对交变电流的影响. 实验一能简单说明电感器对交变电流有阻碍作用，实验二能简单说明交变电流能够通过电容器并且电容器对交变电流有阻碍作用. 但笔者认为这2个演示实验并不能引导学生突破本节难点，即 “线圈的自感系数越大、交流的频率越高，电感对交流的阻碍作用就越大”和“电容器的电容越大、交流的频率越高，电容器对交流的阻碍作用就越小”. 通过多次探究和实践，笔者设计并自制了电感电容对交变电流的影响演示装置. 通过课堂教学实践证明，该演示装置演示现象直观明显，节约时间，效率高，能引导学生掌握重点、突破难点，教学效果良好.

1电路设计及选材

电路中，电感、电容对交变电流的影响通过小灯泡的明暗变化呈现，因此该电路采用两灯泡明暗对比或单只灯泡动态明暗变化的方式进行演示说明，实验操作简便快捷，效果直观明显. 电路图如图1所示.

图1　电感电容对交变电流影响的演示装置

选用尺寸为450 mm×550 mm和25 mm×550 mm光面木工板2张. 图1中，S为双刀双掷开关，C3为双联可变电容器，L1和L2为不同感抗的电感器(电阻值均为0.5 Ω，L1为空心,L2带

铁芯)，R2为电阻值与L2相同的水泥电阻，L3为空心带抽头自绕电感线圈(线圈管径为15 mm,线径为0.5 mm,300匝,每100匝接出1个抽头)L1~L6为同一批次规格相同的小灯泡(2.8 V,0.3 A)，1~21均为接线柱，为交流毫安表.

实验电源：直流采用2节干电池串联得到3 V供电；交流选用J24022低频信号发生器供电，该低频信号发生器正弦波输出电压大于3.5 V，输出频率范围为10~30 000 Hz并由数码管显示具体输出频率，带功率输出及过载保护功能，能满足实验要求.

2演示实验

按电路设计图要求，在木工板上画线、钻孔、组装成图1所示演示实验板.

1)验证电感器对交变电流阻碍作用.

原教材采用的演示方法是:在操作过程中“取直流电源的电压与交流电压的有效值相等”来观察对比灯泡的亮度，该要求比较难做到，并且花费较长时间.

现改为：把开关S置于交流位置，调节低频信号发生器使之输出50 Hz正弦波交变电流供电，用导线连接1~2和13~14，观察到小灯泡L5发光但比较暗(该步骤可通过改变低频信号发生器输出交流电的频率来改变小灯泡的亮度以达到实验目的)，把该导线的连接点从14改接到15，此时小灯泡L5发光较亮，而小灯泡L1亮度始终保持不变. 进行电路分析，电感器L2和电阻器R2的电阻值相同，连接到14较暗而连接到15较亮的原因是在交流电路中，电感器对交变电流除了具有阻抗作用外，还有感抗作用.

2)验证线圈的自感系数越大，电感对交流电的阻碍作用就越大.

把开关S置于交流位置，用导线连接1~2，11~12，13~14，调节低频信号发生器使之输出40 Hz正弦波交流电供电，观察到L1和L4较亮，L5较暗，微调低频信号发生器输出频率为30 Hz和50 Hz，2次都观察到L4比L5亮，而L1亮度始终保持不变. 这是因为电感器L2的自感系数比电感器L1的自感系数大，导致电感器L2对交变电流的阻碍作用比电感器L1的阻碍作用大.

3)验证交变电流的频率越高，电感对交流电的阻碍作用就越大.

在实验2)的基础上，慢慢调高低频信号发生器的输出频率，当频率达到70 Hz时小灯泡L5熄灭(此时仍有微小电流通过L5，但不足以使其发光)，当频率达到4 500 Hz时小灯泡L4熄灭，而L1亮度始终保持不变. 验证了交变电流的频率越高，电感对交变电流的阻碍作用就越大.

4)初步探究影响电感器感抗大小的因素.

a.把开关S置于交流位置，调节低频信号发生器使之输出15 000 Hz正弦波交变电流供电，用导线连接1~2和16~19，调节滑动变阻器R1使小灯泡L1和L6的亮度相同，接着把连接导线16~19的连接点从19分别改接到18和17，发现小灯泡L6变暗、熄灭，而小灯泡L1亮度始终保持不变.

b.把开关S置于交流位置，调节低频信号发生器使之输出2 300 Hz正弦波交变电流供电，用导线连接1~2和16~17，调节滑动变阻器R1使小灯泡L1和L6亮度相同，接着把铁芯慢慢插入空心电感线圈内部，随着插入深度的增加，发现小灯泡L6逐渐变暗直至熄灭，而小灯泡L1亮度始终保持不变.

c.把开关S置于交流位置，用导线连接1~2和16~17，调节低频信号发生器使之输出2 300 Hz正弦波交变电流供电，调节滑动变阻器R1使小灯泡L1和L6亮度相同，接着慢慢调高低频信号发生器的输出频率，发现小灯泡L6逐渐变暗，当输出频率达到11 500 Hz以上时小灯泡L6熄灭，而小灯泡L1亮度始终不变.

通过以上探究实验，初步探明了电感器感抗的大小与线圈匝数有关,与线圈中心是否插入铁芯有关,与交变电流的频率有关.

5)验证交变电流能通过电容器而直流电不能通过电容器.

a.把开关S置于直流位置，用导线连接1~2和3~4，可观察到小灯泡L1亮，L2不亮，验证了直流电不能通过电容器.

b.把开关S置于交流位置，调节低频信号发生器使之输出80 Hz正弦波交变电流供电，用导线连接1~2和3~4，可观察到小灯泡L1和L2均发光，验证了交变电流能通过电容器.

6)验证电容器对交变电流的阻碍作用与电容值的大小有关.

a.把开关S置于交流位置，调节低频信号发生器使之输出1 000 Hz正弦波交变电流供电，用导线连接1~2,3~4,5~6，可观察到小灯泡L2较亮，L3较暗，验证了交变电流的频率相同时，电容器的电容值大产生的阻碍作用小、电容值小产生的阻碍作用大.

b.把开关S置于交流位置，调节低频信号发生器使之输出30 000 Hz正弦波交变电流供电，用导线连接1~2和7~8，把交流毫安表连接在9~10接线柱上，调节可变电容器，当增大电容值时，观察到毫安表示数变大，当减小电容值时，观察到毫安表示数变小，验证了交变电流的频率相同时，电容器的电容值变大时产生的阻碍作用变小、电容值变小时产生的阻碍作用变大.

7)验证电容器对交变电流的阻碍作用与交变电流本身的频率有关.

把开关S置于交流位置，用导线连接1~2，3~4，调节低频信号发生器使之输出40 Hz正弦波交变电流供电，可观察到小灯泡L2开始发光亮，频率继续增大到60 Hz，80 Hz时小灯泡亮度不断增大，而小灯泡L1亮度保持不变，验证了电容器的电容值相同时，交变电流的频率越高，电容器对交变电流产生的阻碍作用越小.

总之，该演示装置制作简单，操作简便快捷，节约课堂演示时间，演示效果直观明显.

参考文献：

[1]物理课程教材研究开发中心：高中物理(选修)(3-2)[M]. 3版. 北京：人民教育出版社，2010:37-40.

[2]王富根. “电感和电容对交变电流的影响”演示实验设计[J]. 物理教师，2005,26(2)：20.

[3]洪钟,叶水茵. “电感和电容对交变电流的影响”演示实验的设计[J]. 实验教学与仪器，2005,22(11):51.

[4]孙伏优. “电感和电容对交变电流的影响”演示实验的改进[J]. 物理实验，2008，28(2)：21.

[责任编辑：尹冬梅]

Demonstrator of the effects of inductance and

capacitance on alternating current

PAN Yong-xiang

(Kaili No.1 High School, Kaili 556000, China)

Abstract:A circuit with power source, capacitance, inductance, resistance and bulb was designed. After connecting different circuit, by judging the brightness of the bulb, the effects of inductance and capacitance on alternating current were obviously shown. Using this demonstrator, the influence factors on inductive reactance were explored.

Key words:inductance; capacitance; alternating current; alternating current

中图分类号：G633.7

文献标识码：A

文章编号：1005-4642(2016)01-0040-03

作者简介：潘永祥(1967-),男，贵州凯里人，凯里市第一中学高级教师，学士，从事中学物理教学及研究工作.

收稿日期：2015-05-25