（新课标）2020版高中物理 第四章 电磁感应 6 互感和自感课件 选修3-2

4．6互感和自感学习重点考查热度通过实验掌握互感现象和自感现象的概念和原理★★结合实例解释发生互感现象和自感现象的原因★★★通过练习学会判断通电、断电自感现象中电流的方向★★★基础梳理一、互感现象1．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的现象．产生的电动势叫做互感电动势．2．互感电动势在互感现象中产生的电动势叫做互感电动势．【说明】(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递到另一个电路．3．应用与危害(1)应用：变压器、收音机的磁性天线都是利用互感现象制成的．(2)危害：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，这时要设法减小电路间的互感．例如在电路板的刻制时就要设法减小电路间的互感现象．二、自感现象1．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在它本身激发出感应电动势的现象．2．自感电动势由于自感而产生的感应电动势．3．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．4．大小自感电动势也是感应电动势，同样遵循法拉第电磁感应定律，即E∝ΔΦΔt.由于其磁通量的变化是由通过自身的电流变化引起的，故自感电动势的大小与电流的变化快慢有关，即E∝ΔIΔt.不同的线圈在电流变化一致的情况下，自感电动势不同，说明自感电动势与线圈的构造有关．写成等式有E＝LΔIΔt.5．自感系数大小的决定因素(1)上式中L是比例系数，由线圈本身的构造决定，是反映不同线圈产生自感电动势本领大小的物理量，叫做自感系数，简称自感或电感．(2)自感系数的大小与线圈的长短、形状、匝数以及有无铁芯等因素有关．线圈的长度越长，横截面积越大，单位长度上的匝数越多，线圈的自感系数就越大；线圈加有铁芯时比无铁芯时自感系数大得多．(3)自感系数L的单位是亨利，简称亨，符号为H.1H＝103mH＝106μH由E＝LΔIΔt变形可得L＝EΔIΔt.上式表明：如果线圈的电流在1s时间内改变1A时，产生的自感电动势是1V，那么这个线圈的自感系数就是1H，自感系数越大，说明产生自感电动势的本领越大．6．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A1逐渐地亮起来阻碍电流的增加断电自感断开开关的瞬间，灯泡A逐渐变暗，直至熄灭阻碍电流的减小7.磁场的能量开关闭合时线圈中有电流，电流产生磁场，能量储存在磁场中，开关断开时，线圈作用相当于电源，把磁场中的能量转化成电能．三、日光灯的构造及工作原理1．构造日光灯主要由灯管、镇流器、启动器三部分组成．(1)灯管：①构造及作用：如图所示，日光灯灯管的两端各有一个灯丝，灯管内充有微量的氩和稀薄的水银蒸气，灯管内壁上涂有荧光粉．两个灯丝之间的气体在导电时主要发出紫外线，使涂在管壁上的荧光粉发出柔和的可见光．管内所充气体及管壁所涂的荧光粉不同，发光的颜色就不同．通常，我们在家庭和学校使用的是发白色光的日光灯．②工作特点：日光灯在开始启动时，需要一个高出电源电压很多的瞬时电压．当日光灯接通后正常发光时，灯管的电阻变得很小，只允许通过较小的电流，电流如果过强就会烧毁灯管，这时又要使加在灯管上的电压低于电源电压．(2)镇流器：①构造：是一个带有铁芯的线圈，自感系数很大，如图所示．②作用：灯管工作的两方面要求都是由跟灯管串联的镇流器来实现的．灯管启动时镇流器产生高压，灯管正常工作时镇流器降压限流．(3)启动器：①构造：启动器的构造如图所示，它的主要部分是一个充有氖气的小玻璃泡，里面装有两个电极，一个是固定不动的静触片，另一个是用双金属片制成的U形动触片．通常，动、静触片不接触，中间有一小缝隙．双金属片受热时，两层金属膨胀的程度不同，下层的膨胀多些，会使U形动触片稍稍伸展一些，从而与静触片接触，除了小氖泡之外，还有一个电容器作为附件与小氖泡并联．②作用：在电路中起到自动开关的作用．2．工作原理当开关闭合后，电源把电压加在启动器的两极之间，使氖气放电而发出辉光，辉光产生的热量使U形动触片膨胀伸长，从而接通电路，于是镇流器的线圈和灯管的灯丝中就有电流通过．电路接通后，启动器中的氖气停止导电，U形动触片冷却收缩，两个触片分离，电路自动断开，流过镇流器中的电流迅速减小，会产生很高的自感电动势，方向与原来电压的方向相同，在灯管两端形成瞬时高电压，使灯管中的气体开始导电，于是日光灯管成为电流的通路而开始发光，其简易工作原理图如图所示．由于日光灯使用的是交流电源，电流的大小和方向做周期性变化，当交流电的大小增大时，镇流器上的自感电动势阻碍原电流增大，自感电动势与原电压反向；当交流电的大小减小时，镇流器上的自感电动势阻碍原电流减小，自感电动势与原电压同向．可见镇流器的自感电动势总是阻碍电流的变化，镇流器就起着降压限流的作用.规律方法规律鸟瞰考点热度规律一：互感现象★★★规律二：自感电动势★★★规律三：自感现象的防止★★规律四：含容电路自感现象的分析★★★规律一互感现象1．利用互感现象可以把能量从一个线圈传递到另一个线圈，因此在电工技术和电子技术中有广泛应用．变压器就是利用互感现象制成的．互感现象不仅发生于绕在同一铁芯上的两个线圈之间如图1，且可发生于任何两个相互靠近的电路之间如图2.2.在电力工程中和电子电路中，互感现象有时会影响电路的正常工作，这时要设法减小电路间的互感现象．例如在电路板的刻制时就要设法减小电路间的互感现象；例如图中双线绕法可以使该导线不会对周围导线有影响．3．综合应用左手定则、楞次定律判断互感问题具体解题时可以逆向应用楞次定律，即已知感应电流的方向(由右手定则判断)，来分析原磁场的可能方向及对应原磁场如何变化．(多选)如图所示，水平放置的两条光滑轨道上有可自由移动的金属棒PQ、MN，当PQ在外力作用下运动时，MN在磁场力作用下向右运动，则PQ所做的运动可能是()A．向右匀加速运动B．向左匀加速运动C．向右匀减速运动D．向左匀减速运动【解析】MN棒中有感应电流，受安培力作用而向右运动，由左手定则可判断出MN中电流的方向是由M流至N，此电流在L1中产生的磁场的方向是向上的．若PQ棒向右运动，由右手定则及安培定则可知L2产生的磁场的方向也是向上的．由于L1产生的磁场方向与L2产生的磁场的方向相同，可知L2产生的磁场的磁通量是减少的，故PQ棒做的是向右的匀减速运动，C项是可能的．若PQ棒向左运动，则它产生的感应电流在L2中产生的磁场是向下的，与L1产生的磁场方向是相反的，由楞次定律可知L2中的磁场是增强的，故PQ棒做的是向左的匀加速运动，B项是可能的．【答案】BC规律二自感电动势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．(3)自感电动势的作用：阻碍原电流的变化，起到推迟电流变化的作用．2．对自感现象的分析思路(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．3．三个状态一定重点关注理想线圈(无直流电阻的线圈)的三个状态分别是指线圈通电瞬间、通电稳定状态和断电瞬间状态．在通电开始瞬间应把线圈看成断开，通电稳定时可把理想线圈看成导线或被短路来分析问题．断电时线圈可视为一瞬间电流源(自感电动势源)，它可以使闭合电路产生电流．【概念拓展】线圈对变化电流的阻碍作用与对稳定电流的阻碍作用是不同的．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．4．自感现象中，灯泡亮度变化的问题分析通断电灯泡亮度变化问题，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I2I1，灯泡闪亮－下后逐渐变暗，两种情况灯泡电流方向均改变共性：都是导体本身的电流发生变化而产生的，线圈本身产生的感应电动势总是阻碍线圈中原电流的变化5.图象问题处理图象及通电自感和断电自感问题的关键是在接通电路和断开电路的瞬间流经线圈的电流还是原来值方向不变，再结合电路的相关规律进行分析．如图所示的电路中，A1和A2是两个相同的灯泡，线圈L自感系数足够大，电阻可以忽略不计．下列说法中正确的是()A．合上开关S时，A2先亮，A1后亮B．合上开关S时，A1和A2同时亮C．合上开关S时，A1先亮，A2后亮D．无法判断【分析】当电键S闭合时，通过线圈L的电流增大，穿过线圈的磁通量增大，根据楞次定律判断感应电动势的方向和作用，分析哪个灯先亮．【解析】当电键S闭合时，灯A2立即发光．通过线圈L的电流增大，穿过线圈的磁通量增大，根据楞次定律线圈产生的感应电动势与原来电流方向相反，阻碍电流的增大，电路的电流只能逐渐增大，灯A1逐渐亮起来．所以A2比A1先亮．由于线圈直流电阻忽略不计，当电流逐渐稳定时，线圈不产生感应电动势，两灯电流相等，亮度相同．故A项正确，B、C、D三项错误．【答案】A如图所示，是观察自感现象的电路图．为了观察断开开关的瞬间灯泡有明显的闪烁现象，除增大线圈的自感系数外，还要考虑线圈电阻RL和小灯泡电阻R，它们之间应满足的关系是()A．RLRB．RL＝RC．RL≪RD．RL≫R【分析】当灯泡处于正常发光状态，迅速断开开关S时，灯泡中原来的电流突然减小到零，线圈中电流开始减小，磁通量减小产生感应电动势，产生自感现象．【解析】开关S闭合稳定状态时，当开关断开后灯泡中电流立即完全消失，而线圈由于由自感作用阻碍其自身电流的减小，故线圈与灯泡组成回路，其电流IL逐渐减小，灯泡中由原来的电流I变为电流IL时，若要明显闪亮一下然后再逐渐熄灭，只要ILI，即RLR灯泡就会出现闪亮的现象，若RL≪R就会有明显闪亮现象，故C项正确，A、B、D三项错误．【答案】C【点评】自感现象是特殊的电磁感应现象，法拉第电磁感应定律和楞次定律同样适用，但若要满足断开开关的瞬间灯泡有明显的闪烁现象，需要满足RL≪R.在如图甲、乙电路中，电阻R、电感线圈L的电阻和灯泡A的电阻均相等．关于灯泡的亮、暗变化情况，下列说法正确的是()A．在电路甲中，闭合开关S瞬间，A灯将逐渐变亮B．在电路乙中，闭合开关S瞬间，A灯将逐渐亮C．在电路乙中，断开开关S瞬间，A灯将立即熄灭D．在电路甲中，断开开关S瞬间，A灯将先变得更亮，然后逐渐变暗【分析】开关闭合瞬间，线圈的电流只能逐渐增加；同样，线圈断开瞬间，线圈的电流只能逐渐减小．【解析】在电路甲中，闭合开关S瞬间，L中电流要增大，就会产生自感电动势，相当于电源，自感电动势阻碍电流的增大，所以甲电路中灯泡将渐渐变亮，故A项正确；在电路乙中，闭合开关S瞬间，A灯将立即亮，故B项错误；对乙图，开关断开时，L相当于电源，由于L中的电阻值小，原来的电流大于灯泡中的电流，则乙电路中灯泡将先变得更亮，然后渐渐变暗，故C项错误；对甲图，断开开关时，L中电流要减小，就会产生自感电动势，相当于电源，自感电动势阻碍电流的减小，所以甲电路中灯泡将渐渐变暗，由于电流先从原先的值开始逐渐减小，灯泡中电流没有增大，所以灯泡不会变得更亮．故D项错误．【答案】A【点评】本题考查了电感线圈L对电流发生突变时的阻碍作用，注意灯泡是否闪亮一下的依据是看开关断开前L中的电流和灯泡中电流的大小关系．如图所示，电源