断电时的自感

课程标准： APC, Sek II

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实验目的

观察断开含有电感的电路时产生的自感电动势。

实验装置

6 V 电压源、开关（闭合）和线圈电阻为 50 Ω 的 20 H 电感；与电感并联的是一只 6 V / 0.5 W 灯泡。打开本实验后，电感中的电流在一两秒内建立起来：约 0.12 A，是灯泡电流（0.083 A）的 1.4 倍。

实验步骤

1. 等待一两秒，直到电感中的电流稳定。
2. 把工具栏上仿真时钟的速度设为 ×0.1，以便更容易看清闪光，然后断开开关，观察灯泡。
3. 把速度调回 ×1，闭合开关，再等一两秒，然后断开开关。

预期结果

断开开关后，灯泡猛然一闪，亮度达到平时的三倍，并在零点几秒内熄灭（在 ×0.1 下，在一两秒内熄灭）。电感维持着自己的电流，这个电流流过灯泡，约为 0.12 A，是灯泡额定电流的 1.4 倍；灯泡两端的电压短时间内升高到约 9.3 V，比电压源的电压还高。所选电感的电流只比灯泡电流略大：如果电感建立起三倍的电流，第一次断开开关时灯泡就会烧断。

问题

1. 闪光的能量从哪里来？
2. 为什么要在继电器线圈两端并联一只二极管？

答案

1. 来自电感的磁场。电流为 0.12 A 时，电感储存的能量为 \(W = L \cdot I^2 / 2\) = 20 · 0.12² / 2 ≈ 0.14 J；断开开关后，这些能量维持电流流过灯泡，在灯丝中转化为热和光，并在 50 Ω 的线圈中转化为热。
2. 继电器断电时，它的线圈会维持自己的电流，就像本实验装置中的电感一样。如果这个电流没有通路，自感电压就会升得很高，足以在开关触点之间产生火花，或者击穿驱动线圈的三极管。二极管在正常工作时处于反向偏置，它为电流提供一个与线圈构成的闭合回路，起到本实验中灯泡的作用，所以开关两端的电压只比电源电压略高。