測量線圈自感系數(shù)的新型裝置

張瑜釗 花合飛 彭俊淇 楊強 王豪杰 劉冰 朱萬軍 郭玉書

摘 ?要：開關斷開時，自感線圈中的電流不變，線圈產(chǎn)生自感現(xiàn)象，將儲存的能量轉(zhuǎn)化成電阻絲的熱能，然后氣體吸收熱量發(fā)生膨脹，通過液體反映氣體膨脹的量，根據(jù)電學、熱學公式機算出答案，從而間接的測量出線圈自感系數(shù)。

關鍵詞：自感;熱膨脹;能量

線圈的自感現(xiàn)象是高中物理知識體系中的重點內(nèi)容，內(nèi)容抽象不易理解。在教材中也僅僅簡單提出自感系數(shù)與線圈的大小、形狀、圈數(shù)及是否有鐵芯等因素有關。傳統(tǒng)測量電感的自感系數(shù)是用交流電橋，然而存在平衡點較難找，而且在空間雜散信號干擾下，很容易產(chǎn)生誤差等問題;重點是，交流電橋結構非常復雜、造價也高，不利于用于教學。以下是我們借“測量線圈自感系數(shù)的新型裝置”，可以快速且更加準確地測量出線圈的自感系數(shù)。

實驗裝置圖如上所示

標注數(shù)字解釋：

（1）直流電源（2）開關（3）待測線圈內(nèi)阻（4）待測線圈（5）滑動變阻器（6）電流表（7）二極管（8）試管（9）電阻絲做成的電阻器（14）毛細管

（15）有色液注（16）刻度尺

一、新型裝置制作

1.主要制作材料如下：

電源1個、開關1個待測線圈1個、滑動變阻器1個、電流表1個、二極管1個、用電阻絲做成的電阻器1個、試管1支、注射器筒1個、活塞1個、閥門1個，毛細管1個、有色液注1滴、刻度尺1個、橡皮泥、導線若干。

2.制作步驟與相應的介紹：

（1）根據(jù)電路圖制作裝置

①根據(jù)電路圖制作第一串聯(lián)回路，直流電源與開關，待測線圈、滑動變阻器、電流表通過導線相連，組成第一串聯(lián)回路。

②制作第二串聯(lián)回路，用電阻絲做成的電阻器，與直流電源，開關，二極管，電流表、滑動變阻器相連接，組成第二串聯(lián)回路。

③制作第三串聯(lián)回路，將線圈、電阻、理想二極管相連組成第三串聯(lián)回路。

（2）安裝試管：

將用電阻絲做成的電阻器放入試管內(nèi)。

（3）制作安裝測量裝置：

①使用活塞注射器調(diào)節(jié)，使毛細管中的有色液柱處于0刻度位置。

②毛細管上固定有刻度尺，可以比較精確地測量有色液柱移動的距離。

（4）連接電路裝置和測量裝置。

二、裝置原理與應用

1、原理：

開關閉合時，自感線圈中有電流，此時給線圈充能，然后斷開開關，線圈產(chǎn)生自感現(xiàn)象，將儲存的能量轉(zhuǎn)化成電阻絲的熱能，然后氣體吸收熱量發(fā)生膨脹，通過液體反映氣體膨脹的量，根據(jù)電學、熱學公式機算出答案，從而間接測量出自感系數(shù)。

2、應用：

（1）閉合開關，直流電源與開關 待測線團、滑動變阻器、電流表構成的第一串聯(lián)回路接通，當電流電流穩(wěn)定。線圈中將儲存能量 。

（2）利用活塞調(diào)節(jié)液柱，使毛細管中的有色液柱處于0刻度位置。

（3）斷開開關時，由于自感線圈中的電流不變，自感線圈相當于電源與理想二極管、電阻串聯(lián)，組成回路。此時講線圈中儲存的能量釋放，使線圈中儲存的能量轉(zhuǎn)化為在待測線圈內(nèi)阻和電阻絲上放出的熱量。

（4）調(diào)節(jié)滑動變阻器，改變電路中的電流，再次利用注射器調(diào)節(jié)，使毛細管中的有色液柱處于0刻度位置。這時，毛細管中有色液柱移動的距離X也將改變，但L不變，證明在一定條件下，自感系數(shù)與線圈中所通電流大小無關。

（5）在電阻絲及其它影響因素不變的情況下，改變待測線圈的大小，形狀，圈數(shù)，在線圈內(nèi)放入鐵芯，用控制變量法，可得出自感系數(shù)與線圈大小、形狀、圈數(shù)及是否有鐵芯等因素有關。

綜合上述，該裝置既可以測量線圈的自感系數(shù)，還可以驗證自感系數(shù)與線圈中電流大小無關，與線圈大小、形狀、圈數(shù)及是否有無鐵芯等因素有關的概念。

三、新型實驗裝置優(yōu)點

（1）原理簡單，裝置結構簡單，操作非常簡便，而且且造價低，非常適合用于教學。

（2）相對于傳統(tǒng)裝置，更加快速且準確地測量線圈的自感系數(shù)，而且比較形象的反應出來。

（3）所用原理清楚，計算公式準確，學生容易理解與計算，可以學生自己動手做線圈自感系數(shù)測試實驗，并進行計算，能激發(fā)學生學習興趣，還可以讓同學們學會轉(zhuǎn)化，變通，學習解決問題的方法，培養(yǎng)學生的動手能力和思考能力。

參考文獻

[1] 趙凱華.電感系數(shù)的定義問題[D].大學物理，2001，20（2）.

[2] 葛宇宏，葛志利.有限長多層直螺線管的自感系數(shù)].大學物理，2010，297.

基金項目：遼寧科技學院校A級創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目、測量線圈自感系數(shù)的新型裝置、202011430080。