我主编的电子技术实验手册（18）——认识电感
本专栏是笔者主编教材（图0所示）的电子版，依托简易的元器件和仪表安排了30多个实验，主要面向经费不太充足的中高职院校。每个实验都安排了必不可少的【预习知识】，精心设计的【实验步骤】，全面丰富的【思考习题】。因此，对于开展电子技术教学犯愁的师生，本专栏应该能够帮到你们。
实验18 认识电感
【实验目的】
- 通过实验现象理解楞次定律。
- 学会计算和测量LR串联电路的时间常数。
- 理解电感串联和并联对时间常数的影响。
【预习知识】
当电流流过线圈时，线圈周围就会产生磁场，如图1所示。这个电磁场始终与电荷移动相伴随，并且与电流大小成正比。如果电流发生变化，电磁场会在线圈上产生一个感应电压，该电压方向与电流变化相反。这种使电压与电流变化相反的特性称为电感，其电气符号如图2所示。
我们学过物理都知道惯性，它是物体抗拒其运动状态被改变的性质。电感就像是电学世界里的惯性，它阻碍电流的变化，就像电容阻碍电压的变化一样。电感的这种性质可用楞次定律来描述：感应电流产生的磁场，总是在阻碍引起感应电流的原磁场的磁通量的变化。图3演示了电感电路中的楞次定律：当电流试图突然改变时，电磁场发生变化，产生的感应电压阻碍电流的变化。
感应电压等于电感量乘以电流变化率。电感量用亨利（H）来衡量，即电感的单位。如果电路中电流每秒变化1安，则会产生1伏特的感应电动势，此时电路的电感定义为1亨利。用来提供特定数量电感的线圈称为电感器。为了简化，无论是电感量还是电感器，以下均以电感一词指代。
当几个电感串联，总电感等于各电感之和，这一点跟电阻串联相似。同理，电感并联的计算公式也与电阻并联相似。与电阻不同的是，电感电路中还会出现一种叫做互感的附加效应，是由磁场的相互作用引起的。总电感会因互感增加或减少。
和电容充放电需要时间一样，电感电路也有一个时间常数，只不过呈指数曲线是电路中电流的图像，而不是电容电路中电压的图像。还有一点与电容电路不同，如果电阻越大，电感电路的时间常数越短。从以下公式可以计算电感的时间常数：
式中 代表时间常数，单位是秒；
代表电感，单位亨利；
代表电阻，单位欧姆。
【实验元件与仪器】
- 10mH工字电感2个
- 100Ω电阻（2W）1支，100Ω电阻（1/4W）1支
- 按键开关1个
- 零散的订书钉若干
- 函数信号发生器1台
- 示波器1台
【操作内容及步骤】
1. 首先，我们来观察楞次定律的效果，图4给出了测试电路。这里使用的是10mH的工字电感，也可以使用其他种类的电感（如环形电感），电感量越大效果越明显。考虑到实际电流较大，因此采用了额定功率为2W的串联电阻。开关用的是体积稍大的按键开关，也可以用闸刀开关。通电之前在电感旁边放几个散落的订书钉，然后导通和断开开关，多试几次，看看发生了什么。
你观察到的现象：__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
2. 接下来，逐渐减小电源电压，重复开关动作，观察电感对订书钉的影响与之前有何不同？
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3. 这一步，我们来观察 串联电路的波形，测试电路如图5所示。设置函数发生器的输出为方波信号，峰峰值1.0V，频率300Hz。选择这个频率是为了有足够的时间来观察时间常数的影响。用示波器的 CH1 通道观察函数发生器的波形，CH2 通道观察电感的波形。如果两个通道都经过校准，并且 VOLTS/DIV 控件为相同设置，则可以通过信号差的方式查看电阻上的波形。将示波器 TIME/DIV 控件设置为0.5ms，在图6中绘制对应波形。
4. 计算该电路的时间常数，并记录在表1中。然后，通过观察电阻上的波形来测量时间常数。电阻上的电压与电路中的电流同步变化，因此可以通过找出电阻电压从0变为其最终值的63%所需的时间来测量时间常数。将示波器的 TIME/DIV 调小，使波形拉伸，以便精确地测量该时间。将测量值也记录在表1中。
5. 在【预习知识】中已提到，当电感串联时，总电感增大；当电感并联时，总电感减小。你可以先尝试把另一个10mH电感与图5中的 并联，观察电阻和电感波形较之前有何变化。再尝试把两个电感串联，观察波形又发生了什么变化。记录你所观察到的现象：
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【实验思考与讨论】
1. 当含有电感的电路突然打开时，开关上可能会产生电弧，请用楞次定律解释其原因。
2. 两个100mH的电感串联，总电感为________；如果并联，总电感为________。
3. 如果将图5中100Ω的电阻换成51Ω的电阻，时间常数将发生什么变化？
4. 如果将图5中函数发生器的频率增加，电感和电阻上的波形将发生什么变化？
【实验拓展与延伸】
根据本实验的收获，思考如何用函数发生器和一个已知的电阻来确定一个未知电感的大小。然后从你的老师那里得到一个未知的电感，用你的方法测量它的电感。报告你使用的方法，并把你的测量结果与电感的标称值进行比较。
（本文完）