1、6 互感和自感互感和自感 学科素养与目标要求 物理观念：1.了解互感和自感现象.2.了解自感电动势的表达式 ELI t，知道自感系数的决定 因素.3.了解自感现象中的能量转化. 科学探究：通过观察通电自感和断电自感时灯泡亮度的变化，认识自感现象. 科学思维：体会互感和自感现象产生的机理，能运用电磁感应规律分析解释. 一、互感现象 1.互感和互感电动势：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，这种现象叫互感，这种感应电动势叫做互感电 动势. 2.应用：利用互感现象可以把能量由一个线圈传递到另一个线圈，如变压器就是利用互感现 象制成的.
2、3.危害：互感现象能发生在任何两个相互靠近的电路之间.在电力工程和电子电路中，互感现 象有时会影响电路的正常工作. 二、自感现象 当一个线圈中的电流变化时，它产生的变化的磁场不仅在邻近的电路中激发出感应电动势， 同样也在它本身激发出感应电动势， 这种现象称为自感.由于自感而产生的感应电动势叫做自 感电动势. 三、自感电动势与自感系数 1.自感电动势：ELI t，其中 I t是电流的变化率；L 是自感系数，简称自感或电感.单位：亨 利，符号：H. 2.自感系数与线圈的大小、形状、圈数，以及是否有铁芯等因素有关. 四、自感现象中磁场的能量 1.线圈中电流从无到有时，磁场从无到有，电源把能量输送给磁
3、场，储存在磁场中. 2.线圈中电流减小时，磁场中的能量释放出来转化为电能. 1.判断下列说法的正误. (1)两个线圈相距较近时，可以产生互感现象，相距较远时，不产生互感现象.( ) (2)自感现象中，感应电流一定与原电流方向相反.( ) (3)线圈的自感系数与电流大小无关，与电流的变化率有关.( ) (4)线圈中电流最大的瞬间可能没有自感电动势.( ) 2.如图 1 所示，电路中电源内阻不能忽略，L 的自感系数很大，其直流电阻忽略不计，A、B 为两个完全相同的灯泡，当 S 闭合时，A 灯_变亮，B 灯_变亮.当 S 断开时， A 灯_熄灭，B 灯_熄灭.(选填“立即”或“缓慢”) 图 1 答案
4、 缓慢 立即 缓慢 缓慢 一、互感现象 1.当一个线圈中的电流变化时，它产生的磁场就发生变化，变化的磁场在周围空间产生感生 电场，在感生电场的作用下，另一个线圈中的自由电荷定向运动，于是产生感应电动势. 2.一个线圈中电流变化越快(电流的变化率越大)，另一个线圈中产生的感应电动势越大. 例 1 (多选)(2018 惠州市第一次调研)目前无线电力传输已经比较成熟，如图 2 所示为一种 非接触式电源供应系统.这种系统基于电磁感应原理可无线传输电力， 两个感应线圈可以放置 在左右相邻或上下相对的位置，原理示意图如图所示.利用这一原理，可以实现对手机进行无 线充电.下列说法正确的是( ) 图 2 A.
5、若 A 线圈中输入电流，B 线圈中就会产生感应电动势 B.只有 A 线圈中输入变化的电流，B 线圈中才会产生感应电动势 C.A 中电流越大，B 中感应电动势越大 D.A 中电流变化越快，B 中感应电动势越大 答案 BD 解析 根据感应电流产生的条件，若 A 线圈中输入恒定的电流，则 A 产生恒定的磁场，B 中 的磁通量不发生变化，B 线圈中不会产生感应电动势，故 A 错误；若 A 线圈中输入变化的电 流，根据法拉第电磁感应定律 En t 可得，B 线圈中会产生感应电动势，故 B 正确；A 线 圈中电流变化越快，A 线圈中电流产生的磁场变化越快，B 线圈中感应电动势越大，故 C 错 误，D 正确
6、. 二、通电自感现象 1.认识通电时的自感现象 如图 3 所示，先闭合 S，调节 R2使 A1、A2的亮度相同，再调节 R1，使 A1、A2都正常发光， 然后断开 S.再次闭合 S. 图 3 现象：灯泡 A2立即发光，灯泡 A1逐渐亮起来. 原因：电路接通时，电流由零开始增加，穿过线圈 L 的磁通量逐渐增加，为了阻碍磁通量的 增加，感应电流产生的磁通量与原来电流产生的磁通量方向相反，则线圈中感应电动势的方 向与原来的电流方向相反，阻碍了 L 中电流的增加，即推迟了电流达到稳定值的时间. 2.对通电自感的理解 (1)通电瞬间自感线圈处相当于断路. (2)当线圈中的电流增大时，自感电动势的方向与原
7、电流的方向相反，阻碍电流的增大，使电 流从零逐渐增大到稳定值，但不能阻止电流的增大. (3)电流稳定时自感线圈相当于导体(若直流电阻为零，相当于导线). 例 2 如图 4 所示， 电路中电源的内阻不能忽略， 电阻 R 的阻值和线圈 L 的自感系数都很大， A、 B 为两个完全相同的灯泡， 当 S 闭合时， 下列说法正确的是(线圈 L 的直流电阻较小)( ) 图 4 A.A 比 B 先亮，然后 A 灭 B.B 比 A 先亮，然后 B 逐渐变暗 C.A、B 一起亮，然后 A 灭 D.A、B 一起亮，然后 B 灭 答案 B 解析 S 闭合时，由于与 A 灯串联的线圈 L 的自感系数很大，故在线圈上产
8、生很大的自感电 动势，阻碍电流的增大，所以 B 比 A 先亮，稳定后，流过 B 灯支路的电流变小，所以 B 灯 逐渐变暗，故 B 正确. 三、断电自感现象 1.认识断电时的自感现象 如图 5 所示，L 为自感系数较大的线圈，其直流电阻比灯泡的电阻小，先闭合开关使灯泡发 光，然后断开开关. 图 5 现象：灯泡 A 闪亮一下再熄灭 解释：在开关断开后灯泡闪亮一下的原因是灯泡断电后自感线圈中产生的感应电流比开关断 开前流过灯泡的电流大.要想使灯泡闪亮一下再熄灭， 就必须使自感线圈的电阻小于与之并联 的灯泡的电阻.而当线圈电阻大于或等于灯泡的电阻时，灯泡就会缓慢变暗直至熄灭. 2.对断电自感的理解 (
9、1)当线圈中的电流减小时，自感电动势的方向与原电流方向相同； (2)断电自感中， 由于自感电动势的作用， 线圈中电流从原值逐渐减小.若断开开关瞬间通过灯 泡的电流大于断开开关前的电流，灯泡会闪亮一下；若断开开关瞬间通过灯泡的电流小于或 等于断开开关前的电流，灯泡不会闪亮一下，而是逐渐变暗直至熄灭. (3)自感电动势总是阻碍线圈中电流的变化，但不能阻止线圈中电流的变化. 例 3 如图 6 所示，开关 S 处于闭合状态，小灯泡 A 和 B 均正常发光，小灯泡 A 的电阻大 于线圈 L 的电阻，现断开开关 S，以下说法正确的是( ) 图 6 A.小灯泡 A 越来越暗，直到熄灭 B.小灯泡 B 越来越
10、暗，直到熄灭 C.线圈 L 中的电流会立即消失 D.线圈 L 中的电流过一会再消失，且方向向右 答案 D 解析 S 断开瞬间，B 立即熄灭.由于小灯泡 A 的电阻大于线圈 L 的电阻，所以 S 断开前线圈的 电流大于小灯泡 A 中的电流.S 断开瞬间，线圈中的电流由原电流逐渐减小，导致线圈中出现感 应电动势从而阻碍电流的减小，即线圈 L 中的电流过一会再消失，且方向向右，因 L 和 A 组成 新的回路，电流由原线圈中的电流逐渐减小，所以 A 先亮一下，然后慢慢熄灭，故 D 正确. 学科素养 通过例 2 和例 3， 进一步加深对通电自感现象和断电自感现象的理解， 知道通电、 断电瞬间，自感线圈中
11、的电动势阻碍原电流的变化，但阻止不了原电流的变化，且原电流不 能发生突变.运用电磁感应知识解释自感现象，这很好地体现了“科学思维”的学科素养. 四、自感现象中的图象问题 例 4 如图 7 所示的电路中，开关 S 闭合且稳定后流过电感线圈的电流是 2 A，流过灯泡的 电流是 1 A，现将开关 S 突然断开，开关 S 断开前后，能正确反映流过灯泡的电流 i 随时间 t 变化关系的图象是( ) 图 7 答案 D 解析 开关 S 断开前，通过灯泡 D 的电流是稳定的，其值为 1 A.开关 S 断开瞬间，自感线圈 的支路由于自感现象会产生与线圈中原电流方向相同的自感电动势，使线圈中的电流从原来 的 2
12、A 逐渐减小，方向不变，且与灯泡 D 构成回路，通过灯泡 D 的电流和线圈 L 中的电流相 同，也应该是从 2 A 逐渐减小到零，但是方向与原来通过灯泡 D 的电流方向相反，D 对. 提示 要注意断电前后，无线圈的支路电流方向是否变化. 1.(对自感电动势的理解)关于线圈中自感电动势的大小，下列说法中正确的是( ) 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 答案 B 解析 电感一定时，电流变化越快，I t越大，由 EL I t知，自感电动势越大，A
13、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，若电流的变化率为零，自感电动势为零，故 D 错. 2.(对互感现象的理解)(多选)如图 8 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 8 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
14、 答案 BC 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，能够继续吸引 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. 3.(对自感现象的理解)(多选)如图 9 所示电路，自感线圈 L 的自感系数足够大，其直流电阻忽 略不计，LA、LB是两个相同的灯泡，则( ) 图 9 A.S 闭合瞬间，LA不亮，LB很亮 B.S 闭合瞬间，LA、LB同时
15、亮，然后 LA逐渐变暗到熄灭，LB变得更亮 C.S 断开瞬间，LA闪亮一下才熄灭，LB立即熄灭 D.S 断开瞬间，LA、LB立即熄灭 答案 BC 4.(自感现象的图象问题)在如图 10 所示的电路中，L 是一个自感系数很大、直流电阻不计的 线圈，D1、D2和 D3是三个完全相同的灯泡，E 是内阻不计的电源.在 t0 时刻，闭合开关 S， 电路稳定后在 t1时刻断开开关 S.规定以电路稳定时流过 D1、D2的电流方向为正方向，分别 用I1、 I2表示流过D1和D2的电流， 则下列图象中能定性描述电流I随时间t变化关系的是( ) 图 10 答案 C 解析 当闭合开关时，因为线圈与 D1串联，所以流过 D1的电流 I1会慢慢增大，流过 D2的电 流 I2为稳定值，且电路稳定时 I2I1.当开关断开时，因为线圈阻碍电流 I1的减小，所以通过 D1的电流不会立即消失，会从原来的大小慢慢减小，由于 L、D1、D2和 D3构成回路，通过 D1的电流也流过 D2，所以 I2变成反向立即增大，之后逐渐减小，故 C 正确，A、B、D 错误.