浅述自感现象中的“阻碍”作用
山东省烟台市牟平育英艺术中学袁林艳
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一、从实验演示观察“阻碍”
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实验一：
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在图1的电路中，两个灯泡和的规格相同，先闭合开关S，调节电阻R，使得两个灯泡的亮度相同，再调节可变电阻,使它们都正常发光。然后断开开关S。重新接通电路。注意观察，在开关闭合的瞬间两个灯泡的发光情况。
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实验现象：灯立即变亮，灯逐渐变亮，最后两灯达到相同的亮度。
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实验二：
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按图2连接电路，其中线圈的电阻为,灯泡的电阻为。先闭合开关使灯泡发光，然后断开开关。注意观察开关断开的瞬间灯泡的亮度。
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注意：实验中多准备几组直流电阻不同的线圈。
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实验现象：当＜时，灯泡A逐渐变暗。当＞时，灯泡A闪亮一下后逐渐熄灭。
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由以上两个实验可看出，电路中的线圈导致了灯泡出现逐渐变亮和逐渐变暗的异常现象。
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二、从理论分析认识“阻碍”
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自感现象是一种特殊的电磁感应现象。法拉第电磁感应定律完全适用于自感现象。
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如图1所示，接通电路的瞬间，通过灯泡的电流立即增大到，根据法拉第电磁感应定律，与线圈L相连的灯泡,由于电路中电流的增大使通过线圈L的磁通量增大，从而在线圈L中产生了一个自感电动势与原电流方向相反。根据基尔霍夫第二定律和自感线圈的“电磁惯性”，通过灯泡支路的电流只能渐变而不能突变到。
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同理，如图2所示，当开关断开的瞬间，通过灯泡的电流立即减小为零，由于通过线圈L的电流的减小，使得通过线圈L的磁通量减小，在线圈L中产生了一个自感电动势与电流方向相同。使通过线圈L的电流只能渐变至零。由于电源支路已处于断路状态，是灯泡电流，灯泡基本上可看作无自感的电阻，其“电磁惯性”可忽略，必然发生突变。电流又不能突变，它只好流入灯泡支路从而迫使灯泡电流发生突变，这首先是一个方向上的突变即从向右突变为向左。所以这个电流流过了灯A。当＜时，灯A亮度缓慢变暗；当＞时，灯A要先闪亮一下再缓慢变暗直至熄灭。
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由上面分析可看出，自感现象中的“阻碍”作用是楞次定律中“阻碍”作用的实际应用。“阻碍”作用就是一种渐变的过程而不是突变。在自感现象中，自感电动势起“阻碍”作用，“阻碍”通过线圈支路电流的变化。在这里特别强调是“阻碍”线圈支路电流的变化。如图3所示，两灯泡、规格相同，R的阻值调到与线圈L的直流阻值相等。在接通S的瞬间，由于线圈L的自感，灯泡先亮且亮度逐渐变弱，灯泡后亮且亮度逐渐增强，达到稳定后两灯亮度相同。
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三、从数学图像体会“阻碍”
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数学中的渐进线的特点是无限接近，但不可以相交。“阻碍”作用的图像恰好就是这种无限接近的渐变，与之不同的是“阻碍”作用的图像是可以相交。
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在实验一中，开关闭合的瞬间，通过灯泡和的电流随时间的变化情况。
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在实验二中，1．开关闭合一段时间，通过灯泡A和线圈L的电流随时间的变化情况。
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2．开关断开的瞬间，通过灯泡A和线圈L的电流随时间的变化情况。
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根据自感电动势的大小，结合上图可看出，自感电动势在t=0时最大，“阻碍”作用也最强。此时通过线圈支路的电流几乎不变。随着时间的推移自感电动势越来越小，“阻碍”作用也越来越弱。最后，自感电动势为零，“阻碍”作用也消失了，电路达到稳定状态。
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四、从能量角度理解“阻碍”
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电磁感应的实质是：产生感应电动势的过程遵守能量守恒定律。“阻碍”作用就是电磁感应中能量守恒的体现，如果没有“阻碍”作用，那么永动机就可以制成。在自感现象中，产生自感电动势的线圈在通过它的电流发生变化的瞬间，完成了电能──磁能──电能的转化，直到电路中电流达到稳定状态。这也是线圈具有“电磁惯性”的体现。
2011-05-26??人教网
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