物理人教版选修3-2：4.6互感和自感课件

(共62张PPT)
6　互感和自感
1.电磁感应现象中，产生感应电流的条件：
（1）_________；
（2）___________。
2.当回路面积不变时，磁通量变化的方式：
（1）___________变化；
（2）磁场与回路的_________变化。
电路闭合
磁通量变化
磁感应强度
夹角大小
3.当一个线圈中的电流变化时，它产生的磁场_________，
变化的磁场在周围空间产生_________，在_________的作
用下，周围线圈中的自由电荷定向运动，会产生___________。
4.法拉第电磁感应定律的表达式：E=______。
5.闭合电路欧姆定律的表达式：I=______。
发生变化
感生电场
感生电场
感应电动势
一、互感现象
1.互感：两个相互靠近的线圈，当一个线圈中的电流变化时，
它所产生的变化的磁场会在另一个线圈中产生___________，
这种现象叫互感。
2.互感的应用：利用互感现象可以把_____由一个线圈传递
到另一个线圈，如变压器就是利用_________制成的。
3.互感的危害：互感现象能发生在任何两个相互靠近的电路之间，互感现象有时会影响电路的工作。
感应电动势
能量
互感现象
二、自感现象
1.自感：一个线圈中的电流_____时，它所产生的_____的磁场在它本身激发出感应电动势的现象。
变化
变化
2.通电自感和断电自感：
电　路 现　象 自感电动势的作用
通
电
自
感 接通电源的瞬间，
灯泡L1_____________ _____电流
的增加
断
电
自
感 断开开关的瞬间，
灯泡L_________。
有时灯泡L会闪亮一
下，然后逐渐变暗 _____电流
的减小
较慢地亮起来
阻碍
逐渐变暗
阻碍
3.自感系数：
（1）自感电动势的大小：E=_____，其中L是线圈的自感
系数，简称自感或电感，单位：_____，符号：__。
（2）决定线圈自感系数大小的因素：线圈的_____、_____、
_____以及是否有_____等。
亨利
H
大小
形状
圈数
铁芯
三、磁场的能量
1.自感现象中的磁场能量：
（1）线圈中电流从无到有时：磁场从无到有，电源把能量
输送给_____，储存在_____中。
（2）线圈中电流减小时：_____中的能量释放出来转化为电
能。
2.电的“惯性”：自感电动势有阻碍线圈中_________的“惯性”。
磁场
磁场
磁场
电流变化
【思考辨析】
1.判断正误：
（1）自感现象中，感应电流一定和原电流方向相反。（　　）
（2）一个线圈中的电流均匀增大，自感电动势也均匀增
大。（　　）
（3）线圈中产生的自感电动势较大时，其自感系数一定较
大。（　　）
（4）对于同一线圈，当电流变化较快时，线圈中的自感电动
势也较大。（　　）
（5）无轨电车在行驶的过程中，车顶上的车弓处会产生电火
花是因自感现象所致。（　　）
提示：（1）×。自感现象中感应电流的方向遵从楞次定律。当原电流减小时，自感电流与原电流方向相同；当原电流增大时，自感电流与原电流方向相反。
（2）×。电流均匀增大时，线圈中磁感应强度均匀增大，磁通量均匀增大，而自感电动势取决于磁通量的变化率，所以自感电动势不变。
（3）×。自感电动势的大小E= ，所以自感电动势大不一定是由自感系数大引起的，有可能是由电流的变化率很大引起的。
（4）√。由E= 知，对于同一线圈，自感系数确定，当电流变化越快时，线圈中产生的自感电动势也越大。
（5）√。由于车身颠簸，可使车弓瞬间离开电网，由于自感现象，电车内部的电动机的线圈会产生一个较大的瞬时自感电动势，由于这个电动势较大，使车弓与电网之间的空气电离，产生放电现象。
2.问题思考：
（1）互感现象是否属于电磁感应现象，是否遵守楞次定律和法拉第电磁感应定律？
提示：互感现象属于电磁感应现象，所以遵守楞次定律和法拉第电磁感应定律。
（2）线圈对变化电流的阻碍作用与对稳定电流的阻碍作用相同吗？
提示：不同。对变化电流的阻碍作用是由自感现象引起的，它决定了要达到稳定值所需的时间；对稳定电流的阻碍作用是由绕制线圈的导线的电阻引起的，决定了电流所能达到的稳定值。
一 对自感现象的理解
1.对自感现象的理解：
（1）对自感现象的理解。
自感现象是一种电磁感应现象，遵守法拉第电磁感应定律和楞次定律。
（2）对自感电动势的理解。
①产生原因：通过线圈的电流发生变化，导致穿过线圈的磁通量发生变化，因而在原线圈上产生感应电动势。
②自感电动势的方向：当原电流增大时，自感电动势的方向与原电流方向相反；当原电流减小时，自感电动势的方向与原电流方向相同（即增反减同）。
③自感电动势的作用：阻碍原电流的变化，而不是阻止，原电流仍在变化，只是使原电流的变化时间变长，即总是起着推迟电流变化的作用。
（3）对电感线圈阻碍作用的理解。
①若电路中的电流正在改变，电感线圈会产生自感电动势阻碍电路中电流的变化，使得通过电感线圈的电流不能突变。
②若电路中的电流是稳定的，电感线圈相当于一段导线，其阻碍作用是由绕制线圈的导线的电阻引起的。
2.自感现象的分析思路：
明确通过自感线圈的电流的变化情况（增大或减小）
↓
根据“增反减同”，判断自感电动势的方向
↓
分析阻碍的结果：电流增大时，由于自感电动势的作用，线圈中的电流逐渐增大，与线圈串联的元件中的电流也逐渐增大；电流减小时，由于自感电动势的作用，线圈中的电流逐渐减小，与线圈串联的元件中的电流也逐渐减小
【特别提醒】（1）自感电动势阻碍自身电流的变化，但不能阻止，且自感电动势阻碍自身电流变化的结果，会对其他电路元件的电流产生影响。
（2）自感电动势的大小跟自身电流变化的快慢有关，电流变化越快，自感电动势越大。
【典例1】如图所示，多匝电感线圈的电阻和电池内阻都忽略不计，两个电阻的阻值都是R，开关S原来打开，电流为I0，今合上开关将一电阻短路，于是线圈中有自感电动势产生，此电动势（　　）
A.有阻碍电流的作用，最后电流由I0减小到零
B.有阻碍电流的作用，最后电流总小于I0
C.有阻碍电流增大的作用，因而电流I0保持不变
D.有阻碍电流增大的作用，但电流最后还是增大到2I0
【解题探究】（1）线圈中产生的电动势能阻止电流的增大吗？为什么？
提示：不能阻止。电流增大时，线圈中产生自感电动势的方向与原来的电流方向相反，阻碍电流的增大；自感现象只是延长了电流变化的时间，但不能阻止电流的变化。
（2）电路稳定时，如何计算电路中的电流？
提示：根据闭合电路的欧姆定律进行计算。
【标准解答】选D。当S合上时，电路的电阻减小，电路中电
流要增大，故L要产生自感电动势，阻碍电路中的电流增大，
但阻碍不是阻止；当S闭合电流稳定后，L的自感作用消失，
电路的电流为I= =2I0，D项正确。
【变式训练】关于线圈中自感电动势大小的说法中正确的
是（　　）
A.电感一定时，电流变化越大，自感电动势越大
B.电感一定时，电流变化越快，自感电动势越大
C.通过线圈的电流为零的瞬间，自感电动势为零
D.通过线圈的电流为最大值的瞬间，自感电动势最大
【解析】选B。电感一定时，电流变化越快，即 越大，
由E= 知，自感电动势越大，A错，B对；线圈中电流为零时，电流的变化率不一定为零，自感电动势不一定为零，故C错；当通过线圈的电流最大时，电流的变化率可以为零，自感电动势为零，故D错。
二 对通电自感和断电自感的理解
在处理通断电自感灯泡亮度变化问题时，不能一味套用结论，如通电时逐渐变亮，断电时逐渐变暗，或闪亮一下逐渐变暗，要具体问题具体分析，关键要搞清楚电路连接情况。
通电自感 断电自感
电路图
器材要求 L1、L2同规格，R=RL，L较大 L很大（有铁芯），
RL
现象 在S闭合瞬间，L2灯立即亮起来，L1灯逐渐变亮，最终一样亮 在开关S断开瞬间，LA灯突然闪亮一下后再渐渐熄灭（当抽掉铁芯后，重做实验，断开开关S时，会看到LA灯马上熄灭）
通电自感 断电自感
原因 由于开关闭合时，流过电感线圈的电流迅速增大，使线圈产生自感电动势，阻碍电流的增大，使流过L1灯的电流比流过L2灯的电流增加得慢 断开开关S时，流过线圈L的
电流减小，产生自感电动
势，阻碍电流的减小，使电
流继续存在一段时间；在S断
开后，通过L的电流反向通过
灯LA，且由于RL ，使得流过LA灯的电流在开关断开瞬间突然增大，从而使LA灯的发光功率突然变大
能量转
化情况 电能转化为磁场能 磁场能转化为电能
【特别提醒】电流减小时，自感线圈中电流大小一定小于原先所通电流大小，自感电动势可能大于原电源电动势。
【典例2】如图所示中灯LA、LB完全相同，带铁芯的线圈L的电阻可忽略。则（　　）
A.S闭合的瞬间，LA、LB同时发光，接着LA变暗，LB更亮，最后LA熄灭
B.S闭合瞬间，LA不亮，LB立即亮
C.S闭合瞬间，LA、LB都不立即亮
D.稳定后再断开S的瞬间，LA、LB立即熄灭
【解题探究】（1）S闭合的瞬间，由于自感，电感线圈的支
路相当于_____，无电流通过。
（2）断开S的瞬间，自感线圈与__灯组成回路，产生_______
方向电流。
（3）稳定后，电感线圈的电阻_______，对LA支路起到_____作用。
断路
LA
顺时针
可忽略
短路
【标准解答】选A。S闭合的瞬间，L支路中电流从无到有，因此，L中产生的自感电动势阻碍电流增加，由于有铁芯，自感系数较大，对电流的阻碍作用也就很强，S闭合的瞬间，干路中的电流几乎全部流过LA，所以LA、LB会同时亮。又由于L中电流很快稳定，感应电动势很快消失，线圈L的阻值很快就变得很小，对LA起到“短路”作用，因此，LA熄灭，这时电路的总电阻比刚接通时小，由恒定电流知识可知，LB会比以前更亮，A正确，B、C错误；稳定后再断开S的瞬间，线圈中产生自感电动势，与LA组成回路，有顺时针方向的电流，故LA不会立即熄灭，LB与线圈组不成回路，会立即熄灭，D错误。
【总结提升】自感问题的求解策略
自感现象是电磁感应现象的一种特例，它仍遵循电磁感应定律。分析自感现象除弄清这一点之外，还必须抓住以下三点：
（1）自感电动势总是阻碍电路中原来电流的变化。当原来电流增大时，自感电动势的方向与原来电流方向相反；当原来电流减小时，自感电动势的方向与原来电流方向相同。
（2）“阻碍”不是“阻止”。“阻碍”电流变化的实质是使电流不发生“突变”，使其变化过程有所延缓。
（3）当电路接通瞬间，自感线圈相当于断路；当电路稳定时，相当于电阻，如果线圈没有电阻，相当于导线（短路）；当电路断开瞬间，自感线圈相当于电源。
【变式训练】（2013·汕头高二检测）如图所示电路中，La、Lb两灯相同，闭合开关S电路达到稳定后两灯一样亮，则（　　）
A.当S断开的瞬间，La、Lb两灯中电流立即变为零
B.当S断开的瞬间，La、Lb两灯中都有向右的电流，两灯不立即熄灭
C.当S闭合的瞬间，La比Lb先亮
D.当S闭合的瞬间，Lb比La先亮
【解析】选D。由于La与线圈L串联，Lb与滑动变阻器R串联，当S闭合的瞬间，通过线圈的电流突然增大，线圈产生自感电动势，阻碍电流的增加，所以Lb比La先亮，故C错误，D正确；当S断开的瞬间，线圈产生自感电动势，两灯组成的串联电路中，有顺时针方向的电流，故A、B错误。
【变式备选】如图所示，LA、LB、LC为三个完全相同的灯泡，L为自感线圈（自感系数较大，电阻不计），E为电源，S为开关，闭合开关S，电路稳定后，三个灯泡均能发光，则（　　）
A.断开开关瞬间，LC灯熄灭，稍后LA、LB灯同时熄灭
B.断开开关瞬间，流过LA灯的电流方向改变
C.闭合开关瞬间，LA、LB、LC灯同时亮
D.闭合开关瞬间，LA、LB灯同时先亮，LC灯后亮
【解析】选A。闭合开关S时，由于L的自感作用，流过LA灯的电流逐渐增大，所以LB、LC灯先亮，LA灯后亮，选项C、D错误；断开开关瞬间，LA、LB灯构成闭合回路，由于L的自感作用，LA、LB灯的电流要逐渐减小，流过LA灯的电流方向不变，所以LC灯立即熄灭，LA、LB灯稍后熄灭，选项A正确B错误。
【典例】如图所示的电路中，电源的电动势为E，内阻为r，电感L的电阻不计，电阻R的阻值大于灯泡D的阻值。在t=0时刻闭合开关S，经过一段时间后，在t=t1时刻断开S。下列表示A、B两点间电压UAB随时间t变化的图像中，正确的是（　　）
考查内容 自感现象的图像问题
【标准解答】选B。闭合开关S后，灯泡D直接发光，电感L的电流逐渐增大，电路中的总电流也将逐渐增大，电源内电压增大，则路端电压UAB逐渐减小；断开开关S后，灯泡D中原来的电流突然消失，电感L中的电流通过灯泡形成的闭合回路逐渐减小，所以灯泡D中电流将反向，并逐渐减小为零，即UAB反向逐渐减小为零，所以选项B正确。
断电自感中灯泡出现闪亮情况的辨析
如图所示电路，电路达到稳定状态后，设
通过线圈L和灯LA的电流分别为I1和I2，当
开关S断开时，电流I2立即消失，但是线圈
L和灯LA组成了闭合回路，由于L的自感作
用，I1不会立即消失，而是在回路中逐渐减弱并维持短暂的时间。通过回路的电流从I1开始衰减：
（1）若开始I1>I2，则灯LA会闪亮一下，即当线圈的直流电阻RL（2）若RL≥RLA，I1≤I2，则不会出现LA灯闪亮一下的情况。
【案例展示】在如图所示的电路中，LA、LB为两个完全相同的灯泡，L为自感线圈，在S闭合状态下，LA、LB都能正常发光。现突然断开S，则（　　）
A.LA、LB会突然亮一下再熄灭
B.LA会突然亮一下再熄灭，LB突然熄灭
C.LA、LB同时熄灭
D.LB先熄灭，LA后熄灭
【标准解答】选C。在S接通状态下，LA、LB都能正常发光，则两支路的电流相等，都为I；当开关S断开时，由LA、LB及线圈组成闭合回路，电流由I减小，所以LA、LB中电流不会比原来大，因此LA、LB一定不会突然亮一下，而是同时变暗到熄灭，选项C正确，A、B、D错误。
【易错分析】本题易错选项及错误原因分析如下：
易错选项 错误原因
A 搞不清灯泡突然亮一下的原因，把自感现象的延迟作用误认为能使灯泡突然亮一下
B 误认为有自感电流就能亮一下；而对于灯泡LB，只考虑电源的电流，没考虑自感电流对LB的影响
D 不能正确分析电路，认为只有LA灯所在电路有阻碍，对LB灯所在电路无影响；实际上当开关S断开后，LA、LB灯构成了同一回路，电流变化相同，应同时熄灭
1.（多选）（基础理论辨析题）下列说法正确的是（　　）
A.当线圈中电流不变时，线圈中没有自感电动势
B.当线圈中电流减小时，线圈中自感电动势的方向与线圈中电流的方向相反
C.自感电动势的大小跟线圈中的电流变化大小有关
D.线圈中电流变化越大，线圈自感系数越大
E.自感电动势不能阻止原电流的变化，但能阻碍原电流的变化
【解析】选A、E。由法拉第电磁感应定律可知，当线圈中电流不变时，不产生自感电动势，选项A正确；当线圈中的电流减小时，自感电动势阻碍电流的减小，线圈中自感电动势的方向与线圈中电流的方向相同，选项B错误；自感电动势与引起自感的电流的变化率成正比，与电流变化大小无关，C错误；线圈的自感系数由线圈本身的因素（如长度、面积、匝数等）决定，与电流变化大小无关，D错误；自感电动势的作用是使原电流的变化时间变长，即总是起着推迟电流变化的作用，即“阻碍”，不是“阻止”，E正确。
2.如图所示，L为自感系数较大的线圈，电路稳定后灯LA正常发光，当断开开关S的瞬间会有（　　）
A.灯LA立即熄灭
B.灯LA慢慢熄灭
C.灯LA突然闪亮一下再慢慢熄灭
D.灯LA突然闪亮一下再突然熄灭
【解析】选A。当开关S断开时，由于通过自感线圈的电流从有变到零，线圈将产生自感电动势，但由于线圈L与灯LA串联，在S断开后，不能形成闭合回路，因此灯LA在开关断开后，电源供给的电流为零，灯立即熄灭。
3.如图所示的电路，可用来测定自感系数较大的线圈的直流电阻，线圈两端并联一个电压表，用来测量自感线圈两端的直流电压，在实验完毕后，将电路拆开时应（　　）
A.先断开开关S1　　　　　　B.先断开开关S2
C.先拆去电流表 D.先拆去电阻R
【解析】选B。电路稳定时，电压表右端为“+”，左端为“-”，指针正向偏转，若先断开S1或先拆电流表或先拆去电阻R的瞬间，线圈中产生的自感电动势相当于瞬间电源，其a端相当于电源的负极，b端相当于电源的正极，此时电压表加了一个反向电压，使指针反偏。由“自感系数较大的线圈”知其反偏电压很大，会烧坏电压表。而先断开S2，由于电压表内阻很大，电路中总电阻变化很小，电流几乎不变，不会损坏其他器件，故应先断开S2。
4.（2013·三明高二检测）在如图所示的电路中，L为电阻很小的线圈，G1和G2为零刻度在表盘中央的两相同的电流表。当开关S闭合时，电流表G1、G2的指针都偏向右方，那么当断开开关S时，将出现的现象是（　　）
A.G1和G2指针都立即回到零点
B.G1指针立即回到零点，而G2指针缓慢地回到零点
C.G1指针缓慢地回到零点，而G2指针先立即偏向左方，然后缓慢地回到零点
D.G2指针缓慢地回到零点，而G1指针先立即偏向左方，然后缓慢地回到零点
【解析】选D。根据题意，电流方向自右向左时，电流表指针向右偏，那么，电流方向自左向右时，电流表指针应向左偏。当开关S断开的瞬间，G1中原电流立即消失，而对于G2所在支路，由于线圈L的自感作用，阻碍电流不能立即消失，自感电流沿L、G2、G1的方向，在由它们组成的闭合回路中继续维持一段时间，即G2中的电流按原方向自右向左逐渐减为零，此时G1中的电流和原电流方向相反，变为自左向右，且与G2中的电流同时缓慢减为零，故选项D正确。
5.如图所示的电路中，电流表的内阻不计，电阻R1=2.5Ω，R2=7.5Ω，L为自感系数很大的线圈，线圈的直流电阻可以忽略。闭合开关S的瞬间，电流表读数I1=0.2A，当线圈中的电流稳定后，电流表的读数I2=0.4A。试求电源的电动势和内阻。
【解析】闭合开关S的瞬间，R1和R2串联接入电路，由闭合
电路欧姆定律得I1＝
即0.2＝
电路稳定后，R2被短路，则I2＝ ，即0.4＝
由以上式子解得：E=3 V r=5 Ω
答案：3 V 5 Ω
6.如图所示是一种触电保护器，变压器A处用双股相线（火线）和零线平行绕制成线圈，然后接到用电器上，B处有一个输出线圈，一旦有电流，经放大后便能立即推动继电器J切断电源，下列情况中能起保护作用的是哪一种？说明理由。
（1）增加开灯的盏数，能否切断电源？
（2）双手分别接触相线和零线，能否切断电源？
（3）单手接触相线，脚与地相接触而触电，能否切断电源？
【解析】（1）不能。因A处线圈采用的是双线绕法，增加开灯的盏数只会使电路中电流增大，但A中两线中电流始终大小相等方向相反，磁通量相互抵消，B中磁通量不发生改变，故不能推动J切断电源。
（2）不能。双手接触相线和零线，相当于增加了用电器，理由同（1）。
（3）能。因为有电流通过人体而流入地下，使A中两导线中电流不再大小相等，B中磁通量发生改变，B中产生感应电流，从而推动J切断电源。
答案：见解析