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生活中的自感现象
浅谈生活中的自感现象科学与生活息息相关。本文由平时大家常见的日光灯引入，其中详细对日光灯中的镇流器 中利用自感现象做出解释，并以此为基础加以推广，介绍有关自感科学知识，继而介绍其他的 有关自感现象的应用。从而完成从生活发现问题，用科学解释问题，在探索中获得知识这一过 程，加深对科学知识的认识和理解。同时由此向其他知识拓展，明白科学在人类生活中应该有 的地位。关键字：自感 镇流器 启辉器 感应圈 正文： 科学源于生活，科学促进生活。科学与生活的关系是相互依存，没有科学的生 活是混乱不堪的。就以照明为例，人类社会因为有了火，才开始对黑夜的探索，才 开始让生活更加有序。时至今日，日光灯更是让千家万户在夜晚享受光明。而日光 灯中对科学知识最为突出的应用之一就是对自感现象及其相应知识的利用。 在介绍日光灯的知识之前首先对自感现象进行一下介绍。当线圈中通有电流 时，电流所产生的磁通量会通过线圈本身。当电流，线圈形状或者周围的磁介质发 生改变时，通过线圈自身的磁通量也会随之变化，从而在线圈中产生感应电动势， 这种现象被称为自感现象。相应的电动势被称为自感电动势。 假设线圈中的电流为 I,根据毕奥-萨伐尔定律，该电流在空间任意一点的磁感 应强度的大小与线圈中的电流强度 I 成正比。因此通过线圈本身的全磁通也与电流 成正比，即 （1） 式中，比例系数 L 叫做线圈的自感系数，简称自感。在国际单位制中，自感系数的 单位与互感系数的单位相同，也为亨[利],毫亨（mH）,微亨（μ H）。即当线圈中 的电流为 1A 时，如果通过线圈本身的全磁通为 1Wb，则该线圈的自感系数为 1H。 实验表明，自感系数 L 与线圈的几何形状，大小，匝数及周围的磁介质的情况有 关，与线圈中的电流无关（非铁磁质）。对于确定的线圈和磁介质（非铁磁质）， 自感系数 L 为常数。此时当线圈中的电流发生变化时通过线圈的磁通量也发生改 变，根据法拉第电磁感应定律，线圈中产生的自感电动势为（2）? ? LI式中，负号表示自感电动势ε 的方向总是反抗线圈中电流的改变。亦即，当电流增 加时，自感电动势与原来电流的流向相反；当电流减小时，自感电动势与原来电流 的流向相同。由此可见任何线圈中只要有电流的改变，就必将在线圈中产生自甘电 动势，以反抗线圈中电流的改变。显然，当电流变化率相同时，自感系数 L 越大的 线圈，其自感电动势也越大，改变该线圈中的电流就越不易。这一特性和力学中物 体的惯性相仿，因而，可以认为自感系数 L 是描述线圈“电磁惯性”的一个物理 量。以上便是对自感现象的介绍，在有一定的知识作为理论基础，接下来，我结合 日光灯具体谈谈自感现象在其中的应用。 日光灯作为生活中常用的一种照明工具完整的日光灯电路包括日光灯管、镇流 器、启动器、开关等主要部分．日光灯管灯管的两端各有一根灯丝，灯管内充有微 量的氩和稀薄的天然汞蒸气，灯管内壁涂有荧光物质．当管内的气体被击穿而导电 时，灯管两端炽热的灯丝就会释放出大量电子，这些电子与汞原子碰撞而放出紫外 线，涂在灯管内壁的荧光物质在紫外线的照射下发出可见光．根据不同的需要在管 内充以不同的气体，并在管的内壁涂上不同的荧光物质，就可制造出发不同的颜色 光的日光灯．（图片 1） 对于日光灯起动这一过程，当电源接通后，电源电压加在启动器的两极之 间，使氖气放电发出辉光．辉光产生的热量使 U 形动触片膨胀伸长，与静触片接 触，电路导通，于是镇流器的线圈和灯管的灯丝中就有电流通过．就这样 220V 交 流电经过镇流器，在镇流器互感的作用下产生约 600V 的高压，加在灯管上，灯管 无反映，但并联在灯管另一边的起辉器，由于通过灯丝得到了 600V 的高压电，并 加在了起辉器的两端，由于起辉器内部的氖泡承受不了 600V 的高压，击穿氖泡里 的氖气，而发出红光，并发出热量，氖泡里的热敏触点，在热力的作用下，身 展，并碰到另一个触点，接触上后，此时，氖泡处于短路状态，短路后，灯管的 灯丝在短路的作用下，通电，发光，发热。由于，氖泡内短路，氖泡两端不在有 电，不一会，氖泡里的热敏丝冷却，而收缩，触点断开。由于，起辉器内不的氖 泡里的热敏丝断开，所以，灯管两端的灯丝得不到电压而停止发光发热，但灯管 内不的水银蒸气未凉，在起辉器断开的同时，灯管里的水银蒸汽在热力的作用 下，600V 高压的作用下，和导通发光。发光后的灯管两端电压积聚下降，降到了 110V 左右。灯管在 110V 交流电的供应下，稳定的工作，而，起辉器由于电压降 到了 110V，内部的氖泡无法导通发光，所以，起辉器不在动作。到此，日光灯的 工作程序，全部完成。如果一次未能启动灯管的话，起辉器将反复的通断，直到 灯管正常工作位止。而日光灯正常发光时，镇流器起降压限流的作用，保证日光 灯正常发光．（图片 2） 通过分析日光灯从起动到正常发光这一过程，不难看出在这一过程中有两个器 件起到的作用相当重要，它们分别是镇流器和启辉器。对于这两个器件的介绍，我 们从疑问开始。首先日光灯的启辉器的工作原理是怎么样的 ?其次如果不用镇流器 直接将 220V 接上灯管会有什么反应没? 这两个问题很好回答，刚接通灯具电源时 全部电压加在启辉器上 ,启辉器放电而发热双金属片弯曲 接通电源,接通后启辉器 没有电压放电停止双金属片冷却断开,在断开的瞬间灯管发光,起动后一半以上的电 压降落在镇流器上,启辉器电压不足不能放电保持断开状态不用镇流器烧会烧毁灯 管。 接下来我们进一步走进启辉器和镇流器。通过分析其具体功用学习其中的科学 知识。 启辉器，启辉器是老式的日光灯必需的一个元件。其构造是一个冲氖气的小灯 泡，但里面不是灯丝，是由双金属片做成的一个接触开关。起辉器在日光灯管电路 中与镇流器一同发挥作用。当日光灯管电路接通的时候，220 付电压使氖气发出红 色 的辉光，同时生热，双金属片受热变形，两灯柱由断开变成接通，接通瞬间电 路中的镇流器产生冲击电压，将日光灯管点亮。日光灯管点亮以后，所需要的电压 很低，具体是由镇流器控制的，这个电压不足以支持氖泡继续发光，于是起辉器熄 灭，双金属片冷却复原。“启辉器”也叫“启动器”也叫“氖气启动器”作用是当 启动时加热灯丝，启动后电流中电子撞击电极时能产生足够的电子。当按下开关时, 让电流流经灯丝，待灯丝加热至能够产生足够的热电子时, 这些逃脱灯丝的电子， 经灯管两端的电压（场）作用而加速=&碰撞=&游离更多电子=&加速=& ...循环于是 原本不易导电的气体灯管，突然变成容易导电的游离气体。接下来放电过程开始进 行了。 而镇流器是一个带铁芯的线圈，其自感系数很大．镇流器在日光灯起动阶段和 正常发光阶段，起着不尽相同的作用，具体表现为： 1．在灯管启动时，镇流器能够产生一个高出电源电压很多的瞬时电压，使日光灯 内的气体导电，而被点燃；在日光灯启动后，因为日光灯的电阻变得很小，只允许通过不大的电流，否则就会将灯管烧坏．这时加在灯管两端的电压低于电源电压， 此要求也是通过镇流器来实现的。 2．日光灯的工作过程分为预热阶段、点燃阶段和正常发光阶段。在不同阶段，镇 流器的作用不同．在点燃时，镇流器的作用是提供瞬时电压；在正常发光时，镇流 器起降压限流作用。 简而言之，镇流器起到的作用是：升压和稳压；起辉器的作用是：启动灯管。 除日光灯之外，感应圈也是利用了自感现象，并且在生活中比较常见的一类器 件。感应圈的主要结构是两个绕在铁芯上的绝缘线圈，初级线圈直接绕在铁芯上， 次级线圈分左、右两组套在初级线圈上。当闭合开关接通低压直流电源后，电流通 过初级线圈，铁芯被磁化，吸引断续器簧片，使初级线圈所在的回路断开；由于瞬 时无电流通过，铁芯失去磁性，断续器簧片又返回原位置，使初级线圈所在的回路 再度接通．在这样的反复过程中，初级线圈中的电流不断变化，由此产生的自感电 动势会逐渐增至数百伏．由于次级线圈的匝数约为初级线圈的 100 倍，在次级线圈 的两端就会感应出数万伏的高压。利用其这一性能，感应圈可以用于低气压放电 管、阴极射线管、X 射线管、光谱管等实验，用来演示空气中的火花放电现象、液 体及固体介质的电击穿现象、在空气中获取臭氧，汽车发动机点火装置、煤气灶电 子点火装置等方面。这些用途的核心其实都是利用感应圈产生的高压电火花来完成 点火工作的。(图片 3) 在许多情况下，自感现象也会带来危害，比如无轨电车车顶上的受电弓脱离电 网而使得电路突然断开，由于自感而产生自感电动势，在电网和受电弓之间形成较 高电压，导致空气隙“击穿”产生电弧造成电网的损坏。电机和强力电磁铁，在电 路中都有相当于自感很大的线圈，在启动和断开电路时，往往因自感在电路中形成 瞬时的过大电流，有时会造成事故。为减少这种危险，电机采用降压启动；断路 时，增加电阻使电流减小，然后再断开电路。自感现象的危害还体现在其他方面。 在自感系数很大而电流有很强的电路（如大型电动机的定子绕组）中，在切断电路 的瞬间，由于电流强度在很短的时间内发生很大的变化，会产生很高的自感电动 势，使开关的闸刀和固定夹片之间的空气电离而变成导体，形成电弧。这会烧坏开关，甚至危人员安全。因此，切断这段电路时必须采用特制的安全开关。生活中为 了防止自感现象带来的诸多不必要的麻烦，通常采用电阻丝的双线绕法来克服这一 麻烦。 科学是永远悬挂在人类头顶的达摩克利斯之剑，它可以毁灭人类，亦可以让人 类的生活变得更加。关键在于我们是如何进行取舍，是选择让自我黑暗的一面给给 大众带来灾难，还是为亿万人谋福利，体现自我价值，这是每个科研工作者在探索 科学的道路上，时时提醒自己的警示。参考文献： [1] 苟秉聪 胡海云.大学物理下册第二版.北京：国防工业出版社，2012. [2] 陆果.基础物理学.北京：高等教育出版社，1997. [3] 郭奕玲，沈慧君.物理学史.北京：清华大学出版社，2005.
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日光灯为什么需要整流?整流器和启辉器的作用是什么
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镇流器作用：一是电路的电流突然变化时，产生一个瞬间反电动势，用此功能来击穿灯管中的气体，使灯启亮。二是限制电流，给灯管合适的工作电压和电流，维持灯管的点亮工作；启辉器的作用是：与镇流器配合点燃日光灯。日光灯工作原理是：接通电源的时候，电源电压立即通过镇流器和灯管灯丝加到启辉器的两极。220伏的电压立即使启辉器的惰性气体电离，产生辉光放电。这个过程的热量使启辉器的双金属片受热膨胀，启辉器的两极接触。电流通过镇流器、启辉器两极和两端灯丝构成通路。灯丝很快被电流加热，发射出大量电子。这时，由于启辉器两极闭合，两极间电压为零，辉光放电消失，管内温度降低；双金属片自动复位，两极断开。在两极断开的瞬间，电路电流突然切断，镇流器产生很大的自感电动势，与电源电压叠加后作用于灯管两端。灯丝受热时发射出来的大量电子，在灯管两端高电压作用下，以极大的速度由低电势端向高电势端运动。在加速运动的过程中，碰撞灯管内氩气分子，使之迅速电离。氩气电离生热，热量使水银产生蒸气，随之水银蒸气也被电离，并发出强烈的紫外线。在紫外线的激发下，灯管内壁的荧光粉发出可见光。日光灯正常发光后。由于交流电不断通过镇流器的线圈，线圈中产生自感电动势，自感电动势阻碍线圈中的电流变化，这时镇流器起降压限流的作用，使电流稳定在灯管的额定电流范围内，灯管两端电压也稳定在额定工作电压范围内。由于这个电压低于启辉器的电离电压，所以灯管两端的启辉器也就不再起作用了。
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