测量线圈自感系数的新型装置

张瑜钊 花合飞 彭俊淇 杨强 王豪杰 刘冰 朱万军 郭玉书

摘  要：开关断开时，自感线圈中的电流不变，线圈产生自感现象，将储存的能量转化成电阻丝的热能，然后气体吸收热量发生膨胀，通过液体反映气体膨胀的量，根据电学、热学公式机算出答案，从而间接的测量出线圈自感系数。

关键词：自感;热膨胀;能量

线圈的自感现象是高中物理知识体系中的重点内容，内容抽象不易理解。在教材中也仅仅简单提出自感系数与线圈的大小、形状、圈数及是否有铁芯等因素有关。传统测量电感的自感系数是用交流电桥，然而存在平衡点较难找，而且在空间杂散信号干扰下，很容易产生误差等问题;重点是，交流电桥结构非常复杂、造价也高，不利于用于教学。以下是我们借“测量线圈自感系数的新型装置”，可以快速且更加准确地测量出线圈的自感系数。

实验装置图如上所示

标注数字解释：

（1）直流电源（2）开关（3）待测线圈内阻（4）待测线圈（5）滑动变阻器（6）电流表（7）二极管（8）试管（9）电阻丝做成的电阻器（14）毛细管

（15）有色液注（16）刻度尺

一、新型装置制作

1.主要制作材料如下：

电源1个、开关1个待测线圈1个、滑动变阻器1个、电流表1个、二极管1个、用电阻丝做成的电阻器1个、试管1支、注射器筒1个、活塞1个、阀门1个，毛细管1个、有色液注1滴、刻度尺1个、橡皮泥、导线若干。

2.制作步骤与相应的介绍：

（1）根据电路图制作装置

①根据电路图制作第一串联回路，直流电源与开关，待测线圈、滑动变阻器、电流表通过导线相连，组成第一串联回路。

②制作第二串联回路，用电阻丝做成的电阻器，与直流电源，开关，二极管，电流表、滑动变阻器相连接，组成第二串联回路。

③制作第三串联回路，将线圈、电阻、理想二极管相连组成第三串联回路。

（2）安装试管：

将用电阻丝做成的电阻器放入试管内。

（3）制作安装测量装置：

①使用活塞注射器调节，使毛细管中的有色液柱处于0刻度位置。

②毛细管上固定有刻度尺，可以比较精确地测量有色液柱移动的距离。

（4）连接电路装置和测量装置。

二、装置原理与应用

1、原理：

开关闭合时，自感线圈中有电流，此时给线圈充能，然后断开开关，线圈产生自感现象，将储存的能量转化成电阻丝的热能，然后气体吸收热量发生膨胀，通过液体反映气体膨胀的量，根据电学、热学公式机算出答案，从而间接测量出自感系数。

2、应用：

（1）闭合开关，直流电源与开关 待测线團、滑动变阻器、电流表构成的第一串联回路接通，当电流电流稳定。线圈中将储存能量 。

（2）利用活塞调节液柱，使毛细管中的有色液柱处于0刻度位置。

（3）断开开关时，由于自感线圈中的电流不变，自感线圈相当于电源与理想二极管、电阻串联，组成回路。此时讲线圈中储存的能量释放，使线圈中储存的能量转化为在待测线圈内阻和电阻丝上放出的热量。

（4）调节滑动变阻器，改变电路中的电流，再次利用注射器调节，使毛细管中的有色液柱处于0刻度位置。这时，毛细管中有色液柱移动的距离X也将改变，但L不变，证明在一定条件下，自感系数与线圈中所通电流大小无关。

（5）在电阻丝及其它影响因素不变的情况下，改变待测线圈的大小，形状，圈数，在线圈内放入铁芯，用控制变量法，可得出自感系数与线圈大小、形状、圈数及是否有铁芯等因素有关。

综合上述，该装置既可以测量线圈的自感系数，还可以验证自感系数与线圈中电流大小无关，与线圈大小、形状、圈数及是否有无铁芯等因素有关的概念。

三、新型实验装置优点

（1）原理简单，装置结构简单，操作非常简便，而且且造价低，非常适合用于教学。

（2）相对于传统装置，更加快速且准确地测量线圈的自感系数，而且比较形象的反应出来。

（3）所用原理清楚，计算公式准确，学生容易理解与计算，可以学生自己动手做线圈自感系数测试实验，并进行计算，能激发学生学习兴趣，还可以让同学们学会转化，变通，学习解决问题的方法，培养学生的动手能力和思考能力。

参考文献

[1] 赵凯华.电感系数的定义问题[D].大学物理，2001，20（2）.

[2] 葛宇宏，葛志利.有限長多层直螺线管的自感系数].大学物理，2010，297.

基金项目：辽宁科技学院校A级创新创业训练项目、测量线圈自感系数的新型装置、202011430080。