CN2069593U - 自感现象演示实验仪 - Google Patents

Abstract

一种用于电磁学中自感现象演示实验装置，它由 原、副线圈，发光二极管、电阻、电源组成。该实验装 置能够演示通、断电自感现象，自感电动垫与外电阻 的关系，线圈铁芯中磁场的变化情况自感系数随磁化 过程不同而产生变化的情况。能够满足自感教学及 实验的需要。该装置设计合理，使用元器件少、操作 方便，实验效果很明显，特别适用于课堂教学或学生 实验。该装置具有生产成本低的特点，利于生产及推 广使用。

Description

自感现象演示实验仪

本实用新型涉及一种演示自感现象的实验装置，它属于电磁学教学仪器。

关于自感演示实验仪器，国内物理杂志介绍了一些有关自感演示实验装置，《物理教师》1987年第12期介绍了一种“用示波器定量测试断电自感电动势的大小”的实验装置，《物理通报》1987年第10期介绍一种断路自感现象的演示实验装置。它们大多是演示单一自感现象，而没有深入、系统、全面地解决自感现象及有关问题的演示。中国专利CN87207333.5介绍了一种多用自感演示实验仪，它是由电感线圈、电阻、电表、发光二极管，小灯泡、电源及开关组成，其整个装置为一插接件，由于组件多，不便于固定在示教板上，且电路中采用的灯泡、大型演示电表能耗大，实验暂态过程持续时间短，不利于实验现象的观察。所以，在教学中没有得到广泛地应用。

本实用新型的目的是设计一种新型的自感演示实验装置，该装置可以演示通电、断电自感现象。自感电动势及电流的方向，磁场变化情况，自感电动势与外接电阻的关系，不同磁化过程自感系数的变化规律，以满足自感教学中演示实验的需要。

自感演示实验仪是由线圈，发光二极管。电阻和开关，通过组合的连接方式做成示教板的形式，图中L是自感线圈。L′是副线圈，A₁～A₆为发光二极管，R₁、R₂为电阻，K₁、K₂、K₄为单刀开关、K₃为双刀双掷换向开关。E为直流电源。线圈铁芯采用E型硅钢片或U型硅钢片叠合而成。自感线圈L绕制在中间，自感回路条件一般应满足。这样能保证实验现象暂态过程在0.1秒以上，以便实验者观察，副线圈L′的匝数应与发光二极管相匹配。保证实验现象较为明显，一般情况下，自感线圈的匝数4000＜n＜8000，匝数太小，实验现象不够明显，太大则造成浪费，副线圈的匝数保持在1500～3000就能满足实验的需要，这时，漆包线的线径为0.3～0.5mm。自感线圈分两组抽头，一组匝数少，另一组匝数较多。电阻R₂＞＞R₁，电源E选用10～15V的直流电源。

本实用新型具有如下结构。A₁、A₂反向并联后与L串联组成一组电路，A₃、A₄反向并联后与R₁、R₂串联组成另一组电路。两组电路并联再与电源E组成闭合回路，K₁是电源开关，K₂位于R₂的两端，K₃位于L的两端，A₅、A₆反向并联后接在L′的两个抽头上，K₄用于控制L′、A₅、A₆组成的回路。为了突出演示某一实验现象，整个装置制成折叠式示教板，L′、K₄、A₅、A₆位于示教板的折叠轴的上部。

附图1是本实用新型的电路示意图

下面详细叙述本实用新型演示的几个实验现象。

一、通路、断路自感现象

将K₂接通，K₃向上接通，K₄断开。当K₁接通时，A₃立即发亮，而A₁缓慢发亮，经过一短暂时间后才稳定达到与A₃相同的亮度。这一现象说明在线圈中产生了一个与电源电势方相相反的自感电动势，阻碍电流的立即增大，同时还可知电流的方向是从左到右的，从A₁逐渐发亮面A₂不发亮可以定性地说明自感电动势不大于电源电动势。K₁断开时，A₃立即熄灭，A₄立即发亮，其亮度与A₁同步变化，均由亮变暗，经过一短暂时间后熄灭。这表明断路后，线圈中产生了自感电动势，电流是沿A₁、A₄、R₁、L、A₁方向流动的。

二、自感电动势大小与外电阻的关系

断开K₂，接通K₁，由于流过A₃的电流太小，因此A₃发出很微弱的光甚至不足以发光，但A₁仍逐渐发亮(与K₂接通的情形一样)，这说明通路自感电动势与外接电阻R₂无关。在电流稳定后断开K₁，A₄立即发亮(亮度明显)并与A₁同步迅速熄灭。由于流经A₄的电流一定要经过R₂，可见这时自感电动势远大于电源电动势。实际上，当R₂＞＞R₁时，断开电源后产生的自感电动势与R₂几乎成正比例增大。如当R₂→∞时，即在R₂处断路，则自感电动势可增大到以至发生火花放电。

三、线圈铁芯中磁场的变化情况

为了直观地显示自感现象实际上是磁场变化的特点。接通K₄，当接通K₁时，可以观察到A₅立即发亮和A₁逐渐发亮，至稳定后，A₅熄灭。断开K₁时，可观察到A₆和A₄立即发亮，且同步熄灭。这是因为，当接通电源时，线圈中的磁场增强，在副线圈中产生感生电动势形成电流使A₅发亮，至磁场稳定时，感生电动势消失，A₅熄灭。切断电源，线圈中的磁场减弱，这时副线圈中的反向电动势又使A₆发亮，至磁场稳定后A₆熄灭。根据A₅、A₆的亮度变化就能知道铁芯中磁场的变化情况。同时也可以判断副线圈感生电流的方向。

四、不同磁化过程自感系数的变化情况

把K₂接通，K₄断开，先把K₃向上接通，当接通K₁后，通过A₁的亮度变化观察暂态过程的长短。再断开K₁将K₃向下接通后接着接通K₁，再观察暂态过程的长短。通过对比观察可知后一暂态过程更长，即 ${\mathrm{\τ}}_2=\frac{L_2}{R}{>\mathrm{\τ}}_1=\frac{L_1}{R}.$ 这是因为当线圈内充有铁磁介质时，它的自感系数为L＝μ_rLo(Lo是线圈内外是空气时的自感系数)，由于μr随着磁场强度H变化，所以自感系数L不再是常数，而是变量。对于固定的线圈及电路，电阻R为常数，根据时间常数τ＝L/R，就可以检验自感系数L是否发生变化。通过换向开关K₃，即可对自感线圈进行正向及反向两种磁化过程，从而检验L的变化。表1，表2是本实用新型与现有技术的几个参数的比较。

该实用新型稍作变动，做成两种简单的自感现象演示仪，用于中等学校自感教学，如去掉换向开关K₃和大电阻R₂，构成一种型号、而去掉付线圈L′，发光二极管A₅、A₆，大电阻R₂，换向开关K₃，构成另一种型号。

与现有技术相比，该实用新型有如下几个显著的特点：

1、该装置设计思想新颖，操作简便，演示实验内容多。

2、演示实验效果明显、暂态时间长，利于学生观察及理解。

3、使用元器件少，性能稳定，坚固耐用，生产成本低，利于推广应用。

           表一：发光二极管与小灯泡性能比较

                表二：暂态过程与时间常数

实验数据实验内容	暂态过程(秒)		时间常数(τ)
					本技术	已有技术	本技术	已有技术
	通路自感	2.2	0.5	0.37					0.08
断路					0.7	0.2	0.12	0.03
	A5发亮	2.20		0.37
A6发亮					0.7		0.12
	K3向上接通(通路)	1.0		0.17
K3向下接通(通路)					2.4		0.40

其中时间常数τ＝t/6估算。

实施例1

例1  本实用新型使用的E型硅钢片铁芯，叠厚5cm，中间绕有自感线圈7000匝。其中5000匝有一组抽头，所用漆包线线径φ＝0.4mm，副线圈绕在E型硅钢片的两端，每端1500匝，呈串联连接。所用线径φ′＝0.34mm，其中R₁＝400Ω，R₂＝10kΩ。电源E＝10～15v直流电源，A₁、A₂、A₃、A₄是2EF302型发光二极管，A₅A₆是2EF2120A型发光二极管。其连接方式如图所示，演示实验操作按说明要求进行。

例2  将E型硅钢片换用U型硅钢片，副线圈匝数为1500匝。其它原器件型号，数据均不变。

Claims (7)

1、一种自感现象演示实验仪，其特征在于该装置采用了原副线圈，六个发光二极管及电阻R₁、R₂组成两个演示回路，该装置设计为折叠式，副线圈L′，发光二极管A₅、A₆、开关K₄组成一回路位于示教板上部，原线圈L，发光二极管A₁、A₂、A₃、A₄、电阻R₁、R₂电源E、开关K₁、K₂、K₃组成另一回路，它位于示教板的下部。

2、根据权利要求1的自感现象演示实验仪，其特征是A₁、A₂反向并联后与L串联组成一电路，A₃、A₄反向并联后与R₁、R₂串联组成另一电路，两电路并联接在电源E上，组成原线圈闭合回路，A₅、A₆反向并联后接在L′的两个抽头上，组成副线圈闭合回路，K₁为电源开关，K₂为R₂的短路开关，K₃为双刀双掷换向开关，其触点为L的一组抽头，K₄是副线圈闭合回路开关。

3、根据权利要求1或2的自感现象演示实验仪，其特征在于，R₂＞＞R₁，原线圈自感系数/回路电阻＞1/60。

4、根据权利要求1的自感现象演示仪，其特征在于自感线圈铁芯由E型或U型硅钢片叠合而成，原线圈的匝数为4000～8000，副线圈的匝数为1500～3000。

5、根据权利要求3的自感演示仪，其特征是、R₁＝400Ω、R₂＝10KΩ

6、一种自感现象演示实验仪，其特征在于A₁、A₂反向并联后与L串联组成一电路，A₃、A₄反向并联后与R₁串联组成另一电路，两组电路并联接在电源E上，组成原线圈闭合回路，K₁为回路开关，A₅、A₆反向并联后接在L′的两个抽头上，组成副线圈闭合回路，K₄为副线圈回路开关。

7、一种自感现象演示实验仪，其特征在于A₁、A₂反向并联后与线圈L组成一电路，A₃、A₄反向并联后与R₁串联组成另一电路，两组电路并联后接在电源E上，组成自感回路，K₁为回路开关。