问题导入

在日光灯的电路图里面，镇流器是一个带铁芯的线圈。我们知道，在日光灯启动的时候需要一个很大的启动电压，那么这个电压是哪儿来的？你知道吗？

图6-6-1　日光灯

1.自感

当穿过闭合电路的磁通量发生变化时，在闭合电路中将产生感应电动势和感应电流，那么，如果因通过导体或线圈本身的电流改变而使磁通量产生变化时，又将产生什么现象呢？下面我们通过实验进行探究。

演示实验

如图6-6-2甲所示，两个灯泡L1和L2的规格相同，L1与线圈L串联后接到电源上，L2与可变电阻R串联后接到电源上。先闭合开关S，调节电阻R，使两个灯泡的亮度相同，再调节可变电阻R1，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时候两个灯泡的发光情况。

按照图6-6-2乙所示连接电路，先闭合开关使电灯泡发亮，然后断开开关，观察开关断开时灯泡的亮度变化。

图6-6-2　自感现象

在图6-6-2甲对应实验中，在接通电路的瞬间，与可变电阻R串联的灯泡L2立刻正常发光，而跟线圈L串联的灯泡L1却是逐渐亮起来的。这是因为在接通电路的瞬间，电路中的电流增大，穿过线圈L的磁通量也随着增加，因而线圈中必然会产生感应电动势，这个感应电动势阻碍线圈中电流的增大，所以通过L1的电流只能逐渐增大，灯泡L1只能逐渐亮起来。

在图6-6-2乙对应实验中，断开开关S时，灯泡L要过一会儿才逐渐熄灭。这是由于电路断开的瞬间，通过线圈的电流突然减弱，穿过线圈的磁通量也就很快地减少，因而在线圈中产生感应电动势。虽然这时电源已经断开，但线圈L和灯泡L组成了闭合电路，在这个电路中有感应电流通过，所以灯泡不会立即熄灭。

我们把这种由于导体本身电流的变化而产生的电磁感应现象叫作自感现象，产生的感应电动势叫自感电动势。那么，自感电动势的大小与什么因素有关呢？

由法拉第电磁感应定律可知，和所有的感应电动势一样，自感电动势的大小是与穿过线圈回路的磁通量的变化率成正比的。但在自感现象中，磁通量的变化率与通过线圈电流的变化率有关，因为磁通量的变化是由电路本身的电流变化引起的。所以，对于给定的线圈，自感电动势的大小跟电流的变化率成正比。

日光灯　一般指荧光灯，是一种常用照明灯具。

日光灯主要由灯管、镇流器和启动器组成，如图6-6-3所示。灯管的两端各有一个灯丝，管中充有微量汞蒸气，灯管内壁涂荧光粉。两个灯丝之间通过汞蒸气导电时发出紫外线，紫外线照射使管壁上的荧光粉发光。但只有当灯管两端的电压达到某一较高值，汞蒸气才能被电离导电而点亮日光灯，之后维持其正常工作却只需较低而稳定的电压即可。镇流器和启动器配合作用，满足了上述要求。

图6-6-3　日光灯结构

镇流器是一个带铁芯的自感线圈，在日光灯电路中起两个作用：一是在启动器断开的瞬间，通过镇流器的电流突然减小，由于自感现象，镇流器的两端激起一个很高的自感电动势并加到灯管两端，使灯管两端间的气体被电离而发出紫外线，即“点亮”日光灯；二是在日光灯点亮后，交流电通过镇流器，自感线圈产生自感电动势阻碍电流变化，发挥着降压限流作用，使日光灯正常工作。

启动器主要是一个充有氖气的小氖泡，里面装有两个电极，一个是静触片，一个是由两个膨胀系数不同的金属制成的U型动触片（它是双层金属片——当温度升高时，因两层金属片的膨胀系数不同，且内层膨胀系数比外层膨胀系数高，所以动触片在受热后会向外伸展）。其工作原理是：闭合开关后，电压通过日光灯的灯丝加在启动器的两端，启动器发热→触点接触→冷却→触点断开。在触点断开的瞬间，镇流器中的电流急剧减小，产生很高的感应电动势。感应电动势和电源电压叠加起来加在灯管两端的灯丝上，把灯管点燃，如图6-6-4所示。

图6-6-4　日光灯管发光原理示意图

实际使用的启动器中常有一个电容器并联在氖泡的两端，它能使两个触片在分离时不产生火花，以免烧坏触点，同时还能减轻对附近无线电设备的干扰。

2.互感现象

在如图6-6-5所示法拉第实验中，两个线圈之间并没有导线相连，但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。这种现象叫作互感现象，互感现象中产生的感应电动势叫作互感电动势。

图6-6-5　法拉第实验演示图

利用互感现象可以把能量由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的应用。

变压器　变压器是利用互感现象制成的典型装置，由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫原线圈，其余的绕组叫副线圈。它可以变换交流电压、电流和阻抗。最简单的铁芯变压器由一个软磁材料做成的铁芯及套在铁芯上的两个匝数不等的线圈构成，如图6-6-6所示。

图6-6-6　变压器

变压器的原理是：当原线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生变化的磁通，使副线圈中感应出电压（或电流）。当变压器一侧施加交流电压U1，流过原线圈的电流为I1，则该电流在铁芯中会产生交变磁通，使原线圈和副线圈发生电磁联系。根据电磁感应原理，交变磁通穿过这两个线圈就会感应出电动势，其大小与线圈匝数以及主磁通的最大值成正比，线圈匝数多的一侧电压高，线圈匝数少的一侧电压低，从而实现电压的变化。

电能的应用过程中经常需要改变电压，大型发电机发出的交流电电压为几万伏，而远距离输电却需要几十万伏以上的电压，这就需要变压器升高电压；而在电能的用户端，电灯、洗衣机等家用电器需要220V的电压，机床上的电动机一般需要380V电压，机床上的照明灯则需要36V或24V的安全电压，这时就需用变压器降低电压。交流电压可以极为方便地通过变压器进行改变，这是交流电应用非常广泛的原因之一。

3.涡流

观察电动机、变压器等的铁芯，可以看到它们都不是用整块金属制造，而是用许多薄硅钢片叠合而成。为什么要这样呢？

原来，把块状金属放在变化的磁场中，或者让它在磁场中运动时，金属块内将产生感应电流。这种电流在金属块内自成闭合回路，如果用图表示这样的感应电流，看起来就像水中的旋涡，所以把它叫作涡电流，简称涡流。整块金属的电阻很小，所以涡流常常很强。

把绝缘导线绕在块状铁芯上（图6-6-7甲），当交变电流通过导线时，穿过铁芯的磁通量不断变化，铁芯中会产生很强的涡流，铁芯大量发热，不但浪费电能，还会破坏线圈的绝缘性能。为了减小涡流，电机和变压器通常用涂有绝缘漆的薄硅钢片叠压制成的铁芯（图6-6-7乙），这样，涡流被限制在狭窄的薄片之内，回路的电阻很大，涡流大为减弱，涡流损失大大降低。铁芯采用硅钢片，是因为这种钢比普通钢的电阻率大，可以进一步减少涡流损失，硅钢片的涡流损失只有普通钢的20%～25%。

在各种电机、变压器中，涡流是有害的，我们要采取各种办法来减弱它。涡流也是可以利用的，下面举几个例子。

图6-6-7　涡流

电磁炉　像其他电流一样，金属块中的涡流也要产生热量。如果金属的电阻率小，则涡流很强，产生的热量很多。电磁炉的线圈内通有频率高的交变电流，穿过放在炉上的金属锅的磁通量不断快速变化，在金属锅中产生很强的涡电流。涡流的热效应就能把水烧开、煮熟食物，用明火烧开一壶水一般需要8～10min，而用电磁炉3min即可。

真空冶炼炉　用来冶炼合金钢的真空冶炼炉，炉外有线圈，线圈中通入反复变化的电流，炉内的金属中产生涡流，涡流产生的热量使金属熔化。利用涡流冶炼金属的优点是整个过程能在真空中进行，这样就能防止空气中的杂质进入金属，可以冶炼出高质量的合金。

真空炉一般由炉膛、电热装置、密封炉壳、真空系统、供电系统和控温系统等组成，如图6-6-8所示。为防止炉壳受热后变形和密封材料受热变质，炉壳降温一般用水冷或气冷。炉膛位于密封炉壳内。根据炉子用途，炉膛内部装有不同类型的加热元件，如电阻、感应线圈、电极和电子枪等。

图6-6-8　真空炉

金属探测器　金属探测仪是一种金属检测装置，由金属探测仪与自动剔除装置组成，其中检测器为核心部分。如图6-6-9所示，检测器内部分布着3组线圈，即中央发射线圈和两个对等的接收线圈，通过中间的发射线圈所连接的振荡器来产生高频可变磁场，空闲状态时两侧接收线圈的感应电压在磁场未受干扰前相互抵消而达到平衡状态。一旦金属杂质进入磁场区域，磁场受到干扰，这种平衡就被打破，两个接收线圈的感应电压就无法抵消，未被抵消的感应电压经由控制系统放大处理，并产生报警信号（检测到金属杂质）。系统可以利用该报警信号驱动自动剔除装置等，从而把金属杂质排除在生产线以外。

图6-6-9　金属探测器

金属探测器最广为人知的使用是便携式探雷器，供搜索地雷使用。士兵手持一个长柄线圈在地面扫过，线圈中有变化着的电流。如果地下埋着金属物品，金属中会感应出涡流，涡流的磁场又会反过来影响线圈中的电流，使仪器报警。这种探雷器可以用来探测有金属壳的地雷或有较大金属零件的地雷。飞机场的安检门可以探测人身携带的金属物品，道理是一样的。

金属探测器还可以用来探测和识别隐埋地下的金属物，用来进行安全检查、考古、探矿。此外，它是废旧金属回收的好帮手。

磁电式仪表　在磁电式仪表中，为了使摆动的指针很快停下，往往把电表的线圈绕在铝框上，如图6-6-10所示。当被测电流通过线圈时，线圈带动指针和铝框一起转动。铝框在磁场中摆动时会产生涡流，涡流又在磁场中受力，这个力的方向总跟指针摆动的方向相反，从而使指针较快地停在某个位置上。

图6-6-10　磁电式仪表

STS

电磁继电器

电磁继电器的构造如图6-6-11所示，A是电磁铁，B是衔铁，C是弹簧，D是动触点，E是静触点。

图6-6-11　电磁继电器

电磁铁通电时，把衔铁吸下来使D和E接触，工作电路闭合。电磁铁断电时失去磁性，弹簧把衔铁拉起来，切断工作电路。电磁继电器是电铃、电话和自动控制电路装置中的重要部件，其实质是由电磁铁控制的开关，在电路中起着类似于开关的作用，可以用低电压、弱电流控制高电压、强电流，也可以实现远距离操纵和自动控制。

习　题

1.变压器为什么不能改变直流电压？

2.图6-6-12是一种延时继电器示意图。开关断开时，弹簧S并不立即将衔铁D拉起，因而使触头C延长一小段时间后才断开所连接的工作电路。为什么？

*3.如图6-6-13所示电路中，L是自感系数很大的线圈，但其自身的电阻几乎为零，A和B是两个相同的小灯泡。当开关S由断开变为闭合时，A、B灯泡的亮度将如何变化？条件允许的时候可以用实验验证。

图6-6-12　延时电磁继电器示意图

图6-6-13　第3题图

思考与练习

一、选择题

1.关于点电荷，下列说法错误的是（　）。

A.点电荷就是小电荷

B.点电荷是一种理想化的模型

C.点电荷的体积忽略不计

D.点电荷可以是正电荷，也可以是负电荷

2.对于库仑定律，下列说法正确的是（　）。

A.凡是计算两个点电荷间的作用力，就可以使用库仑定律的公式

B.两个带电小球即使距离非常近，也能用库仑定律

C.相互作用的两个点电荷，不论它们的电荷量是否相同，它们之间的库仑力大小一定相等

D.两个点电荷的电荷量各减为原来的一半，它们之间的距离保持不变，则它们之间的库仑力减为原来的一半

3.关于电场强度，下列说法正确的是（　）。

A.电场中某点的电场强度与试探电荷受到的力成正比，与试探电荷所带电量成反比

B.电场强度是矢量，其方向与电荷在电场中的受力方向相同

C.电场强度的单位是N/C

D.在电场中，如果电场强度的方向处处相同，则电场为匀强电场

4.电场中有A、B两点，把电荷从A点移到B点的过程中，电场力对电荷做正功，则（　）。

A.电荷的电势能减少　B.电荷的电势能增加

C.A点的电场强度比B点的电场强度大　D.A点的电场强度比B点的电场强度小

5.某静电场的电场线分布如图6-1所示，图中P、Q两点电场强度大小分别为EP和EQ，电势分别为UP和UQ，则（　）。

图6-1

A.EP＞EQ，UP＞UQ

B.EP＞EQ，UP＜UQ

C.EP＜EQ，UP＞UQ

D.EP＜EQ，UP＜UQ

6.关于电磁感应，下列说法正确的是（　）。

A.导体相对磁场运动，导体内一定会产生感应电流(www.daowen.com)

B.导体做切割磁感线运动，导体内一定会产生感应电流

C.闭合电路在磁场中做切割磁感线运动，电路中一定会产生感应电流

D.穿过闭合电路的磁通量发生变化，电路中一定会产生感应电流

7.图6-2为两组同心闭合线圈的俯视图，若内线圈通有图示方向的电流I1，则当I1增大时外线圈中的感应电流I2的方向及I2受到的安培力F的方向分别是（　）。

图6-2

A.I2顺时针方向，F沿半径指向圆心

B.I2顺时针方向，F沿半径背离圆心向外

C.I2逆时针方向，F沿半径指向圆心

D.I2逆时针方向，F沿半径背离圆心向外

8.穿过一个单匝数线圈的磁通量，始终为每秒均匀地增加2Wb，则（　）。

A.线圈中的感应电动势每秒增大2VB.线圈中的感应电动势每秒减小2V

C.线圈中的感应电动势始终为2VD.线圈中不产生感应电动势

9.关于磁感应强度，下列说法正确的是（　）。

A.由计算磁感应强度的公式可知，B与F成正比，与IL成反比

B.磁场中某一点的磁感应强度由磁场本身决定的，其大小和方向是唯一确定的，与通电导线无关

C.通电导线受安培力不为零的地方一定存在磁场，通电导线不受安培力的地方一定不存在磁场（即B＝0）

D.通电导线放在磁场中的某点，那点就有磁感应强度；如果将通电导线拿走，那点的磁感应强度就为零

10.判断电流产生的磁场方向是用（　）。

A.右手定则　B.左手定则　C.安培定则

11.判断磁场对电流的作用力的方向是用（　）。

A.右手定则　B.左手定则　C.安培定则

12.根据楞次定律可知（　）。

A.感应电流的磁场方向与原磁场方向相同

　B.感应电流的磁场方向与原磁场方向相反

C.当穿过回路的磁通量增加时，感应电流的磁场方向与原磁场方向相反

D.当穿过回路的磁通量减少时，感应电流的磁场方向与原磁场方向相反

二、填空题

1.两个点电荷甲和乙同处在真空中。

（1）甲的电荷量是乙的电荷量的4倍，则甲对乙的作用力是乙对甲的作用力的______倍；

（2）若把每个电荷的电荷量都增加为原来的3倍，那么它们之间的相互作用力变为原来的______倍；

（3）若保持二者电荷量不变，而将距离增加为原来的4倍，那么它们之间的作用力变为原来的_______倍；

（4）若保持其中一个电荷的电荷量不变，而另一个电荷的电荷量增加为原来的9倍，为使其相互作用力不变，则它们之间的距离将变为原来的______倍。

2.画出图6-3中安培力的方向。

图6-3　第2题图

图6-4　第3题图

3.图6-4中，闭合开关后，甲、乙两个小磁针静止在图示位置，试标出甲、乙的北极。

4.根据图6-5中小磁针静止时的指向标出通电螺线管的电流方向。

图6-5　第4题图

图6-6　第5题图

5.如图6-6所示，闭合电路一部分导体ab处于匀强磁场中，向右匀速切割磁感线，ab棒中电流的方向为________。

三、解答题

1.真空中有两个点电荷，它们之间的静电力大小为F。如果保持它们之间的距离不变，只将其中一个电荷的电荷量增大为原来的3倍，它们之间的静电力将变为多大？结合公式进行分析：如果保持它们的电荷量不变，将它们的距离增大为原来的3倍，它们之间的静电力又将变为多大？

2.设带电平行板A、B间的电场是匀强电场，将一带电量q0=2×10-9C的试探电荷放在其中，测得其所受静电力为6×10-4N，方向向下，求A、B两板间任意一点电场强度E的大小与方向。

3.在电场中把2.0×10-9C的正电荷从A点移到B点，静电力做功2×10-8J；再把这个电荷从B点移到C点，静电力做功-4.0×10-8J。

（1）A与B间、B与C间、A与C间的电势差各是多大？

（2）把-2×10-9C的电荷从A点移到C点，静电力做多少功？

4.边长为1m的正方形闭合线圈置于匀强磁场中，磁感应强度大小为2T，方向与线圈平面垂直。若从上向下看时，线圈逆时针转90°时，穿过线圈的磁通量改变了多少？若旋转时间为2s，则产生的感应电动势为多少？

5.在如图6-7所示的匀强磁场中，有一根长l=0.50m、其中通以电流I=20A的直导线。

（1）导线所受安培力方向如何？

（2）测得安培力F=1.0N，求这个磁场的磁感应强度。

图6-7　第5题图

图6-8　第6题图

6.图6-8中，带有等量异号电荷、相距10cm的平行板A和B之间有一个匀强电场，电场强度E=2×104V/m，方向向下。电场中C点距B板3cm，D点距A板2cm。问：C、D两点哪点电势高？两点的电势差等于多少？

实践活动

1.自己动手制作简易的验电器。

2.查找防辐射服的结构及原理。

3.通过查阅资料、阅读说明书、观察实物等方式，了解避雷针、静电除尘器、静电复印机、激光打印机等设施的基本原理，撰写一篇总结报告。

4.查阅放电的几种现象，了解其放电原理，说明其危害及预防措施。

5.列举日常生活中磁现象的应用。

6.用电磁继电器安装一个自动控制电路。

7.从因特网、科技书刊上查阅资料，了解电磁感应在生活和生产中的应用，如磁卡阅读器、录音机、录像机的原理等。

8.自己动手制作一个简易发电机。

9.举例说明自感现象在生产、生活中的应用。

情境小结

一、库仑定律　电场强度

1.什么是电场？什么是点电荷？

2.什么是电场强度？什么是电场线？什么是匀强电场？

二、电势能　电势

1.什么是电势差？什么是电势？

2.什么是等势面？什么是电势能？

3.在匀强电场中，电场强度与电势差的关系是怎样的？

三、磁场　磁感应强度

1.磁感线有什么特点？和电场线有什么不同？

2.如何右手螺旋定则判断直线电流、环形电流及通电螺线管的磁场方向？

3.磁场的强弱怎样表示？

四、磁场对电流的作用

1.什么是安培力？

2.安培力的方向怎样判断？

3.通电导体在磁场中一定受安培力吗？

4.磁场对通电导线的作用力的大小跟哪些因素有关？

五、电磁感应

1.什么是电磁感应现象？

2.感应电流产生的条件是什么？

3.感应电流的方向怎样判断？

4.法拉第电磁感应定律的内容是什么？

5.磁通量的变化量和磁通量的变化率有什么不同？

六、自感　互感

1.什么是自感现象？

2.什么是互感现象？

3.涡流是怎样产生的？