师:同学们好,这节课我们一起来学习第四章第六节互感和自感。首先,我们来探讨什么是互感。“互”,顾名思义,是互相;“感”,就是感应,互感即互相有感应。我们知道,两者之间谓之“互”,那么互感究竟是谁和谁之间的感应?又会产生什么样的感应呢?物理中所讲的互感,是指两个电路之间的相互感应。那么,两个电路之间会出现什么样的感应呢?我们通过实验来寻找答案。为表述方便,我们把两个电路分别记作电路一和电路二,在这两个电路中接入电流表,以便观察它们的变化。我们从最简单的情形开始实验,将电路二中的电源、滑动变阻器撤去,闭合开关,为感应做好准备。现在,我们来观察当电路一中开关闭合时,电路二能否感应到电路一的变化。
下面我们开始观察实验。这是事先连接好的电路,我们用两个演示用的电流表接入电路,方便观察。闭合开关,大家注意观察A2表指针的变化。我们拉近镜头再看一次,发现A1表的指针并没有偏转。所以在这个实验中,我们看到电路二对电路一的变化没有感应。接下来,我们对这两段电路进行一些改造,把靠近的两段导线换成线圈,在开关S闭合时,看看电路二会不会有感应。好了,下面继续观察实验。我们取下导线,接上线圈。这个线圈是用漆包线绕制而成的,漆包线是涂有绝缘漆的铜丝,所以它们是绝缘的。我们把右边的线圈也接上,并将两个线圈靠近。
师:好,请同学们观察,开关闭合时,A2的指针有偏转吗?拉近镜头再看一次,我们发现A2的指针有一点点偏转,这说明电路二对电路一有一点感应,但这个感应和预期还是有一定差距的。我这里有个秘密武器——软铁棒,它在磁场中能够被磁化,使磁场增强。我们把这个软铁棒放入两个线圈中间,看看电路二的感应会发生什么变化。下面来看实验。
放入软铁棒,闭合开关。我们拉近镜头再看一次闭合开关的情况,发现A2表的指针有了较大的偏转,这表明电路二对电路一有明显感应。实验分析到这里,同学们应该能想到电路二感应的物理原理是什么了吧?对,就是我们这一章所学的电磁感应。当开关闭合时,线圈中的电流增加,磁场增强,那么在电路二中磁通量增加。由于电磁感应,一定会形成感应电流,该电流形成的磁场会阻碍原来磁通量的增加,而这个形成的感应电动势在原来的电路中就相当于一个电源,在电路二中就形成了顺时针方向的电流,这就是电路二感应的原理。所以说,互感中的“感”,其实就是电磁感应的“感”。
师:那么,请同学们再分析一下,如果开始实验的时候,我们保留电路二的电源,撤去电路一的电源,那么电路一能否对电路二的变化有感应呢?根据对称的思想,我们相信它一定也会有感应。那如果把两个电路的电源都保留下来,它们能否感应到对方的变化呢?根据叠加的思想,我们相信也一定有感应,这就叫互有感应,简称为互感。
接下来我们做个小结,什么是互感呢?两个不相连的电路,当其中一个电路中电流变化时,会在另一个电路中产生感应电动势的现象,反之亦然,这就叫互感。通过刚才的分析,我们知道互感实质上是一种电磁感应现象,而电磁感应现象是磁生电现象。磁生电,电能的产生来源于磁,而磁又来源于另一个电路的电,所以说互感总是伴随着能量的传递。
师:请同学们接着思考,刚才在最初的实验当中,电路二没有感应。但当电路一开关S闭合时,电路一中电流增大,周围磁场变强,电路二中的磁通量一定会发生变化,我们相信这里一定有电磁感应,一定会有感应电流,只是我们这个电流表测量不出来这个微弱的电流,所以不是没有感应,而是感应太微弱。因此,互感是电路中广泛存在的现象,如果电路中有线圈、有铁心,互感效果就会大大加强。另外,还有些特殊的结构,互感效果会更好。
这里有一个由两部分组成的闭合铁心,如果我们把它套在线圈上,看看它们的互感会有什么变化。请大家看实验。好,我们把闭合铁心套在线圈上,闭合开关。大家仔细看A2表的指针,拉近再看一次闭合开关的情况,我们发现A2表的指针发生了强烈的偏转,这说明电路二发生了强烈的感应。以后我们还会遇到各种各样的线圈,比如方形的、圆形的,还有其他形状的。为简便起见,也为了交流方便,物理学上我们用由一个个小半圆组成的符号来表示线圈,如果线圈中有铁心,就在上面再加一个横杠,这就是以后我们用到的线圈的符号。有了这个符号,左边的电路就可以画成一种简单的形式。
师:接下来,请同学们再思考一个问题,如果把电路二撤去,当开关闭合时,这个电路中会不会有电磁感应现象呢?也就是说,单个电路中电流变化时会不会有电磁感应现象?我把这个问题说得再具体一点,开关闭合,线圈中的电流就会增加,对应的磁场也会增强,这就造成了这个线圈磁通量的增加。那么,这个增加的磁通量能不能在它自身产生感应电动势呢?
我们以前学习的都是磁铁与导线之间、磁铁与线圈之间、线圈和线圈之间的电磁感应。也就是说,线圈能不能自己感应自己呢?我们也通过实验来研究这个问题。如果线圈能够自己感应自己,那么根据电磁感应的规律,它一定会产生感应电流,且感应电流的磁场会阻碍原来磁场的增强。大家会发现这个电流的方向会和原来的电流方向相反,这个电流一定会阻碍原来电流的增加。
师:那么在实验中我们可能会看到什么样的现象呢?开关S闭合时,电流表指针的偏转会不会有滞后呢?好,请同学们看实验。我们撤去电路二,闭合开关,大家观察电流表指针的变化,再来一次闭合开关。我们发现指针的偏转果然滞后于手的动作,这能不能说明这个线圈中发生了自己感应自己的现象呢?我们知道指针以及指针下面的动圈系统本身是有惯性的,我们不确定这个滞后是因为指针和动圈系统的惯性造成的,还是线圈自己感应自己造成的,所以这个实验不能确定线圈中是不是发生了电磁感应现象。
大家知道惯性是物体的固有属性,无法克服,那么我们能不能有一个变通的方法呢?这里有个小灯泡,大家知道灯泡的亮度取决于其中的电流,那么我们能不能把电流表换成小灯泡,用小灯泡的亮度来体现电路中电流的变化呢?如果电路中开关S闭合,灯泡的变亮会不会滞后呢?接下来我们观察实验。
好,我们接入小灯泡,取下电流表。开关闭合,大家看灯泡变亮是否有滞后,再看一遍。大家有没有观察到小灯泡变亮滞后了?反正我没看出来,所以这个实验我也不能确定线圈中发生了自己感应自己的现象。那么,我们能不能让这个实验现象更清晰一些呢?我们可以在这个灯泡旁边再并联一个灯泡,在这个支路中只设置一个滑动变阻器。那么当S闭合时,如果线圈中有自己感应自己的现象,那么L1这个灯泡的变亮一定会落后于L2。是否有这个现象,我们接下来通过实验观察。好,我们接上对比支路。
开关闭合。大家再看一次开关闭合的情况,我们发现L1果然落后于L2变亮,这是因为线圈中感应电流的阻碍造成的。这说明线圈发生了自己感应自己的电磁感应现象。这个实验是上个世纪50年代设计的,限于当时的条件,人们只能用灯泡来间接地观测电路中电流的变化。
