对相似的两种自感电路的分析

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  如图1所示的电路,A、B是两只电阻都为R完全相同的白炽灯,线圈的直流电阻也为R,其自感系数L较大。在K 、K 闭合电路稳定后,两灯泡的亮度相同;再断开K ,则灯泡A会出现:
  A.比原来更亮一下,再立即熄灭;
  B.比原来更亮一下,再慢慢熄灭;
  C.不会比原来更亮一下,慢慢熄灭;
  D.不会比原来更亮一下,立即熄灭。
  
  在做此题时大部分学生选B答案。其依据是:在课本上有一个类似的实验,如图2所示。实验时,分别观察了线圈中插入或不插入铁芯的两种情况。在这两种情况下,电路闭合时,流过灯泡的电流是相同的,而在K断开时,有铁芯的线圈产生的感应电动势要大些,所以灯泡更亮。所以他们认为,灯泡是否更亮取决于线圈电感量的大小。
  对于图1所示的电路,当K 断开时,会出现B答案的现象吗?
  我们来分析,A灯泡要更亮一下,必须满足在K 断开时,流过A灯泡的电流应大于原来的电流。题目中K 断开时,A灯泡中的电流能否满足这一条件呢?
  当K 断开时,回路中已无其他电源,所以回路中(A灯泡与线圈串联)的电流变化规律应满足方程
  
  R′为回路的总电阻,(R′=2R),解此方程得
  
  由此可见,自感电流从K 断开的瞬间起,是按指数规律减少的,而此题中流过线圈L的电流和A灯泡的电流是相等的。因此,当K 断开时,流过A灯泡的电流只能由i 开始按指数规律减小,A灯泡要更亮的条件显然不能满足。即使L很大,致使时间常数很大,也只能使减小缓慢一些而已,即A灯泡只会延迟一些时间熄灭,而不会“比原来更亮一下”才熄灭。
  课本中的实验与图1实验,虽然原理图相同,但各元件的数值却不同。在课本中的实验中,线圈的直流电阻r很小,故原来流过线圈的电流强度i 要比原来流过A灯泡中的电流强度i′大得多。K断开后,流过A灯泡的电流是由原来流过线圈的电流i 开始减小的,因此,经过时间t后,才会减小到与原来流过A灯泡中的电流i′一样大。因而A灯泡会更亮一下后再慢慢熄灭。
  但又有的人从电动势的角度提出质疑。认为开关断开的瞬间,线圈中会产生很大的感应电动势,给灯泡A两端加上很高的电压,灯泡A怎么不“更亮一下”呢?日光灯的镇流器不是可以产生高达几百伏的高电压吗?
  我们再来看看自感电动势E与哪些因素有关。由前面的(2)式可得
  
  这里E =R′i ,是自感电动势的极大值,即t=0时E的值。可见,E 只取决于原来线圈中的电流i 和回路的总电阻R′。自感系数L只影响衰减的快慢,它对最大自感电动势E 没有影响。但是,若从K断开时起,取经过相同时间的平均值E而言,L越大,E越大。设线圈电阻为r,两端所加电压为U,则K断开的瞬间
  
  即回路总电阻为线圈电阻的多少倍,则产生的自感电动势的最大值也为原来线圈两端电压的多少倍。在图1中,线圈的电阻与A灯泡的电阻相同,也为R,所以R′=r+R=2R,故E=2U。因而A灯泡两端所加电压的最大值为U,流过A灯泡的电流的最大值i = 。这一结果与前面由电流变化规律导出的结果相同。
  日光灯的镇流器电路与上述电路不同,其等效电路如图3所示。R是灯管的灯丝电阻,R 是起辉器氖管放电时的电阻。当A、B两端加上电压时有
  
  这个电流不大,因为R 很大。氖管起辉发热使双金属片短路时,电路中的电流变为:
  
  很明显i >i ,即电流增大了。当双金属片冷却断开的瞬间,氖管未起辉,其电阻可认为是无限大,即无续流回路,电流突然跃变到零,因而可以产生很高的自感电动势,使日光灯起辉。
  在这里还要说明一点,若自感电流回路的电阻为无限大时,按照⑸式,自感电动势岂不是无限大?其实不会。因为线圈的匝间分布电容,使线圈形成一个LC回路。线圈中的磁场能逐渐释放,转变为电容器上的电场能。这时电流的减小已不遵从(2)式的规律,自感电动势也不遵从(4)式的规律,(5)式自然就不能应用了。线圈两端的最大电压(电容器充电终了时的电压),应由E =E 来计算,即U=i。以后,能量在阻尼震荡中逐渐消耗掉。
  
  注:“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
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