2017-2018学年高二物理新人教版选修3-2基础训练：第4章 6 互感和自感

6　互感和自感
学
习
目
标
知
识
脉
络
1.了解互感现象及互感现象的应用．(重点)2．了解自感现象，认识自感电动势对电路中电流的影响．(难点)3．了解自感系数的意义和决定因素．(重点)4．知道磁场具有能量．(难点)
互感现象和自感现象
1．互感现象
(1)定义
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感应电动势的现象．产生的电动势叫做互感电动势．
(2)应用
互感现象可以把能量由一个线圈传递到另一个线圈，变压器、收音机的“磁性天线”就是利用互感现象制成的．
(3)危害
互感现象能发生在任何两个相互靠近的电路之间，在电力工程中和电子电路中，有时会影响电路正常工作．
2．自感现象
(1)定义
当一个线圈中的电流变化时，它所产生的变化的磁场在它本身激发出感应电动势的现象．产生的电动势叫作自感电动势．
(2)通电自感和断电自感
1．互感现象只能发生于绕在同一铁芯的两个线圈之间，而不可能产生于相互靠近的电路之间．(×)
2．互感现象和自感现象均属于电磁感应现象．(√)
3．自感现象中感应电流的方向一定与引起自感的原电流的方向相反．(×)
自感电动势的作用是什么？方向如何判断？
【提示】　作用：总是阻碍导体中原电流的变化．
方向：当原电流增大时，自感电动势与原电流方向相反；当原电流减小时，自感电动势与原电流方向相同．
如图4 6 1为互感线圈．
图4 6 1
探讨1：互感现象中能量是怎样转化的？
【提示】　互感现象中能量是依靠原线圈电流产生的磁场能，磁场能通过铁芯传递到另一线圈，又转化为电能．
探讨2：电感线圈在电路中的作用是什么？
【提示】　阻碍电流的变化．
探讨3：自感电动势怎样产生？如何确定其方向？
【提示】　通过线圈的电流发生变化时，导致穿过线圈的磁通量发生变化，产生了自感电动势；其方向根据原电流的变化进行判断．
1．对互感现象的理解
(1)互感现象是一种常见的电磁感应现象，它不仅发生于绕在同一铁芯上的两个线圈之间，而且可以发生于任何相互靠近的电路之间．
(2)互感现象可以把能量由一个电路传到另一个电路．变压器就是利用互感现象制成的．
(3)在电力工程和电子电路中，互感现象有时会影响电路的正常工作，这时要求设法减小电路间的互感．
2．对自感现象的理解
(1)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．
(2)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．
3．自感现象中，灯泡亮度变化的问题
分析通断电时，灯泡亮度变化问题，关键要搞清楚电路的连接情况，根据电路特点进行具体分析．
与线圈串联的灯泡
与线圈并联的灯泡
电路图
通电时
电流逐渐增大，灯泡逐渐变亮
电流I1突然变大，然后逐渐减小达到稳定
断电时
电流逐渐减小灯泡逐渐变暗电流方向不变
电路中稳态电流为I1、I2①若I2≤I1，灯泡逐渐变暗②若I2>I1，灯泡闪亮一下后逐渐变暗，两种情况灯泡电流方向均改变
1．(多选)如图4 6 2所示，是一种延时装置的原理图，当S1闭合时，电磁铁F将衔铁D吸下，C线路接通；当S1断开时，由于电磁感应作用，D将延迟一段时间才被释放．则(　　)
图4 6 2
A．由于A线圈的电磁感应作用，才产生延时释放D的作用
B．由于B线圈的电磁感应作用，才产生延时释放D的作用
C．如果断开B线圈的开关S2，无延时作用
D．如果断开B线圈的开关S2，延时将变化
【解析】　线圈A中的磁场随开关S1的闭合而产生，随S1的断开而消失．当S1闭合时，线圈A中的磁场穿过线圈B，当S2闭合，S1断开时，线圈A在线圈B中的磁场变弱，线圈B中有感应电流，B中电流的磁场继续吸引D而起到延时的作用，所以B正确，A错误；若S2断开，线圈B中不产生感应电流而起不到延时作用，所以C正确，D错误．
【答案】　BC
2．(多选)如图4 6 3所示的电路中，线圈自身的电阻几乎为零．LA、LB是两个相同的灯泡，下列说法中正确的是(　　)
图4 6 3
A．开关S由断开变为闭合，LA、LB同时发光，之后亮度不变
B．开关S由断开变为闭合，LA立即发光，之后又逐渐熄灭
C．开关S由闭合变为断开的瞬间，LA、LB同时熄灭
D．开关S由闭合变为断开的瞬间，LA再次发光，之后又逐渐熄灭
【解析】　S闭合的瞬间，通过L的电流从无到有发生变化，从而产生阻碍作用，LA有电流通过而发光；电流稳定通后过L的电流恒定无阻碍作用，LA被L短路两端无电压而熄灭，所以A错误，B正确；开关S断开的瞬间，通过L的电流减小而产生感应电动势(或说阻碍电流的减小)从而有电流通过LA再次发光，故C错，D正确．
【答案】　BD
3．在生产实际中，有些高压直流电路中含有自感系数很大的线圈，当电路中的开关S由闭合到断开时，线圈会产生很大的自感电动势，使开关S处产生电弧，危及操作人员的人身安全．为了避免电弧的产生，可在线圈处并联一个元件，在下列设计的方案中(如图所示)可行的是(　　)
【解析】　断开开关S，A图中由于电容器被充电，开关S处仍将产生电弧；B、C图中闭合开关时，电路发生短路；而D图是利用二极管的单向导电性使开关断开时线圈短路可避免开关处电弧的产生，故D正确．
【答案】　D
自感现象问题的分析思路
1．明确通过自感线圈的电流的变化情况(是增大还是减小)．
2．根据“增反减同”，判断自感电动势的方向．
3．分析阻碍的结果：当电流增强时，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；当电流减小时，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．
自感系数、磁场的能量
1．自感系数
(1)自感电动势的大小
E＝L，其中L是自感系数，简称自感或电感．
单位：亨利，符号：H.
(2)决定线圈自感系数大小的因素
线圈的大小、形状、圈数，以及是否有铁芯等．
2．磁场的能量
(1)线圈中电流从无到有时，磁场从无到有，电源的能量输送给线圈，储存在磁场中．
(2)线圈中电流减小时，线圈中的能量释放出来转化为电能．
1．线圈的自感系数大，其电阻不一定大．(√)
2．在断开电路时，与线圈并联的灯泡会亮一下后再逐渐熄灭，说明能量不再守恒了．(×)
3．自感系数越大，自感电动势不一定越大．(√)
在演示断电自感时，开关断开后小灯泡并不立即熄灭，这一现象是否违背了能量守恒定律？小灯泡消耗的电能是从何处获得的？
【提示】　线圈中有电流时，线圈就具有了磁场能，断开开关后，线圈相当于电源，线圈中所储存的磁场能转化为电能，给灯泡提供能量，这一现象并不违背能量守恒定律．
如图4 6 4所示，一个灯泡A与一个线圈L并联，接一电源和开关S.
图4 6 4
探讨1：开关断开前后，流过灯泡的电流方向是否相同？
【提示】　不同．S闭合时，灯泡A中电流向左，S断开瞬间，灯泡A中电流方向向右．
探讨2：在断开开关S的瞬间，灯泡A一定要闪亮一下吗？
【提示】　不一定．灯泡A是否出现闪亮一下的现象，取决于两个支路中电流的大小关系，只有在IL>IA的情况下，才可以出现闪亮一下的现象．
1．对自感系数的理解
(1)自感系数的大小由线圈本身的特性及有无铁芯决定，线圈越长、单位长度的匝数越多，自感系数越大．
(2)线圈的自感系数与E、ΔI、Δt无关．
2．断电自感的分析
实验电路
实验要求
电路稳定时L1、L2亮度相同
IL>IL1
L1猛然亮一下再逐渐熄灭
L2立刻熄灭
R0为纯电阻，不产生自感现象，L2立即熄灭．L为自感系数较大的线圈，断开S后，L中产生自感电动势，与L1组成闭合回路，线圈中的电流在原来电流值基础上逐渐减小
IL＝IL1
L1由原来亮度逐渐熄灭
ILL1先立即变暗一些再逐渐熄灭
3.通电自感的分析
实验电路
实验要求
电路稳定时L1、L2亮度相同
S闭合的瞬间
L1先亮
由于L1支路为纯电阻电路，不产生自感现象
L2逐渐变亮，最后与L1一样亮
由于L的自感作用阻碍L2支路电流增大，出现“延迟”现象
4．通过一个线圈的电流在均匀增大时，则这个线圈的(　　)
A．自感系数也将均匀增大
B．自感电动势也将均匀增大
C．磁通量保持不变
D．自感系数和自感电动势不变
【解析】　线圈的磁通量与电流大小有关，电流增大，磁通量增大，故C项错误；自感系数由线圈本身决定，与电流大小无关，A项错误；自感电动势EL＝L，与自感系数和电流变化率有关，对于给定的线圈，L一定，已知电流均匀增大，说明电流变化率恒定，故自感电动势不变，B项错误，D项正确．
【答案】　D
5．(多选)如图4 6 5所示，E为电池组，L是自感线圈(直流电阻不计)，D1、D2是规格相同的小灯泡．下列判断正确的是(　　)
图4 6 5
A．开关S闭合时，D1先亮，D2后亮
B．闭合S达稳定时，D1熄灭，D2比起初更亮
C．断开S时，D1闪亮一下
D．断开S时，D1、D2均不立即熄灭
【解析】　开关S闭合时D1、D2同时亮，电流从无到有，线圈阻碍电流的增加，A错；闭合S达稳定时D1被短路，电路中电阻减小，D2比起初更亮，B对；断开S时，线圈阻碍电流减小，故D1会闪亮一下，而D2在S断开后无法形成通路，会立即熄灭，所以C对，D错．
【答案】　BC
6．(多选)如图4 6 6所示的电路中，灯泡LA、LB电阻相同，自感线圈L的电阻跟灯泡相差不大．先接通S，使电路达到稳定，再断开S.对于电流随时间变化的图象，下列正确的是(　　)
图4 6 6
【解析】　S接通时，流过线圈的电流发生变化，线圈中会产生自感电动势，阻碍电流的变化，经过一段时间后，自感作用消失，电路达到稳定，选项A错误，B正确；S接通且电路稳定时，流过灯泡LB的电流大于流过灯泡LA的电流，方向是从左到右，当S断开时，线圈L产生自感电动势，并与灯泡LB组成回路，产生自感电流，使流过灯泡LB的电流反向，并突然减小，从断开前流过线圈的电流大小开始逐渐减小到零，选项D正确，C错误．
【答案】　BD
自感现象中的能量转化
1．在接通电路时，电路中的电流由于自感电动势的作用不能发生突变而只能逐渐增加，这个过程中电源的电动势要克服自感电动势做功，把电源的一部分电能转化为线圈的磁场能，电流稳定后线圈中就储存有一定量的磁场能．
2．在断电自感现象中，线圈和灯泡组成闭合回路，线圈的自感电动势把原来储存在线圈内的磁场能转化为电能用以维持这个闭合回路中保持一定时间的电流，电流逐渐减小，线圈中的磁场减弱，磁场能减少．
3．当电流为零时，线圈中原来储存的磁场能全部转化为电能并通过灯泡(或电阻)转化为内能．
4．自感现象是电能转化为线圈内的磁场能或线圈内的磁场能转化为电能的过程，因此自感现象遵循能量守恒定律