一种电感器和电容器对电流影响的探究实验演示仪及演示方法

摘要

一种电感器和电容器对电流影响的探究实验演示仪及演示方法，应用变频技术和逆变技术，设计了一个小功率、低电压输出的交流变频电源，为示教演示装置进行供电；示教演示装置包括直流支路、交流支路以及总电源开关，直流支路与交流支路上设置有负载供电开关以及并联设置的电感器支路和电容器支路，电感器支路和电容器支路之间设置有电感器和电容器选择开关，直流支路与交流支路之间设置有电流类型转换开关；直流支路与交流支路上均设有实验效果显示灯。本发明通过对比两个支路实验效果显示灯的亮暗，不仅能演示电感器、电容器对交、直流的阻通作用，同时还能演示电感器感抗与自感系数、交流频率的关系以及电容器容抗与电容容值、交流频率的关系。

说明书

技术领域

本发明属于物理交变电流实验教学领域，具体涉及一种电感器和电容器对电流影响的探究实验演示仪及演示方法。

背景技术

对于电感器和电容器对交变电流影响的研究是目前我国高中物理课本学习中的重点内容。并且中学物理课本中明确地讲到电感器具有通直流、阻交流、通低频、阻高频的特性，而电容器具有隔直流、通交流、阻低频、通高频的特性，但是由于这部分的内容比较抽象，中学生在学习过程中不易理解。虽然在中学物理课本中演示了电感器、电容器对交、直流的阻通作用，但是要使中学生透彻的理解电感器和电容器对电流的影响还有很大的不足之处：

1.中学物理课本中没有详细的实验案例演示电感器的感抗与自感系数、交变电流频率的关系，电容器的容抗与电容器容值、交变电流频率的关系。课本中只是提到：实验和理论分析都表明，线圈的自感系数越大、交流的频率越高，线圈的感抗就越大。电容器的电容越大、交流的频率越高，电容器的容抗就越小。以上理论叙述不足以让学生有个透彻的理解。

2.目前电子市场上几乎没有小功率、低电压、频率可调的逆变电源，大部分都是大功率且输出为220V交流、频率固定为50Hz或60Hz的电源，而在中学物理实验室中也没有配备相应的变频电源，这使得实验室中学生电源的频率只是固定的交流50Hz，所以电感器感抗和电容器容抗随交流频率变化的实验也无法在实验室中用现有的仪器完成演示。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种电感器和电容器对电流影响的探究实验演示仪及演示方法，该装置具有适合实验用的小功率低压变频电源以及用于实际控制演示的示教板电路，操作方便，效果直观，能够全面地实现教学演示，帮助学生加深理解。

为了实现上述目的，本发明探究实验演示仪包括交流变频电源以及与之相连的示教演示装置；所述的交流变频电源包括与220V交流电网相接的变压器，变压器降压之后形成两个小电压信号，其中一个小电压信号经过第一整流、滤波、稳压电路连接示教演示装置直流电压输入端，另一个小电压信号经过第二整流、滤波、稳压电路连接逆变器功放板，逆变器功放板连接示教演示装置交流电压输入端；所述的示教演示装置包括直流支路、交流支路以及总电源开关，直流支路与交流支路上设置有负载供电开关以及并联设置的电感器支路和电容器支路，电感器支路和电容器支路之间设置有电感器和电容器选择开关，直流支路与交流支路之间设置有电流类型转换开关；直流支路与交流支路上均设有实验效果显示灯。

所述的变压器降压之后形成的两个小电压信号分别为交流18V以及交流12V信号，其中交流12V信号经过第一整流、滤波、稳压电路连接示教演示装置直流电压输入端，交流18V信号经过第二整流、滤波、稳压电路连接逆变器功放板。

所述的逆变器功放板连接逆变器驱动板；逆变器驱动板采用EG8010+IR2110S电路板，第二整流、滤波、稳压电路的输出端经过第一降压、稳压电路输出直流12V信号，第一降压、稳压电路的输出端经过第二降压、稳压电路输出直流5V信号，输出的直流12V信号与直流5V信号均连接至逆变器驱动板。

所述的示教演示装置包括频率调节端子和频率表、直流电压调节端子和直流电压表、交流电压调节端子和交流电压表；频率调节范围为50HZ-150HZ，直流电压与交流电压调节范围为0-12V。

所述的直流支路上设置有一组并联的电感器支路和电容器支路，交流支路上设置有两组并联的电感器支路和电容器支路，这两组并联电感器支路和电容器支路上的电感器以及电容器规格不同，且其中一组并联的电感器支路和电容器支路与直流支路上设置的电感器以及电容器规格相同。

所述的总电源开关为单刀双掷开关；负载供电开关为双刀双掷开关，第一供电开关刀头与第二供电开关刀头分别设置在直流支路与交流支路上；电流类型转换开关为双刀双掷开关，第一转换开关刀头与第二转换开关刀头之间设有第一实验效果显示灯；电感器和电容器选择开关为三刀双掷开关，第一选择开关刀头、第二选择开关刀头及第三选择开关刀头分别设在直流支路的电感器支路和电容器支路之间、交流支路的两组电感器支路和电容器支路之间。

所述的第二供电开关刀头和电流类型转换开关交流档位与第二实验效果显示灯的一端连接，第二实验效果显示灯的另一端连接电感器支路和电容器支路。

所述的直流支路上设置的电感器为10mH，电容器为82uF/50V，交流支路上一组电感器为24mH，电容器为56uF/50V，另一组电感器为10mH，电容器为82uF/50V；

所述的实验效果显示灯均为3.8V/0.3A。

本发明电感器和电容器对电流影响的探究实验演示方法，包括以下步骤：

一、演示电感器对交变电流的影响；

1.探究电感器对交、直流阻通作用；

(1-1)将总电源开关打开；

(1-2)将负载供电开关打开，使得直流支路与交流支路接通电源；

(1-3)将电流类型转换开关调至直流档位，使得直流支路接通，两个实验效果显示灯分别处在直流支路和交流支路上；

(1-4)将电感器和电容器选择开关调至电感档位，使得所有电感器支路接通；

(1-5)调节直流支路与交流支路上的输入电压，对比观察两个实验效果显示灯的亮度，能够看到直流支路的实验效果显示灯比交流支路亮，说明电感器起到了通直流阻交流的作用；

2.探究电感器感抗与自感系数以及交流频率的关系；

(2-1)将直流支路与交流支路上的输入电压均调为0；

(2-2)将负载供电开关打开，并使得交流支路闭合；

(2-3)将电流类型转换开关调至交流档位，使得两个实验效果显示灯分别处于两个交流支路上；

(2-4)将电感器和电容器选择开关调至电感档位，组成并联的两个电感器直流支路；

(2-5)调节交流电源的频率和输入电压，此时两个实验效果显示灯分别与交流支路两组不同规格的电感器支路接通，对比观察两个实验效果显示灯的亮度，能够得出线圈的自感系数越大电感器的感抗越大，自感系数越小电感器的感抗越小；

(2-6)保持交流输入电压值不变，增大交流电源频率再次对比观察两个实验效果显示灯的亮度，能够得出交流电源的频率越大，电感器的感抗越大；

二、演示电容器对交变电流的影响；

A.电容器对交、直流阻通作用；

(A1)将直流支路和交流支路的输入电压均调为0；

(A2)将负载供电开关打开，使得直流支路与交流支路接通电源；

(A3)将电流类型转换开关调至直流档位，使得直流支路接通，且两个实验效果显示灯分别处在直流支路和交流支路上；

(A4)将电感器和电容器选择开关调至电容档位，使得所有电容器支路接通；

(A5)调节直流支路与交流支路上输入电压值，对比观察两个实验效果显示灯的亮度，能够看到交流支路的实验效果显示灯比直流支路亮，说明电容器能起到隔直流通交流的作用；

B.电容器容抗与电容容值、交流频率的关系；

(B1)将直流支路与交流支路上的输入电压均调为0；

(B2)将负载供电开关打开，并使得交流支路闭合；

(B3)将电流类型转换开关调至交流档位，使得两个实验效果显示灯分别处于两个交流支路上；

(B4)将电感器和电容器选择开关调至电容档位，组成并联的两个电容器交流支路；

(B5)调节交流电源的频率和输入电压，此时两个实验效果显示灯分别与交流支路两组不同规格的电容器支路接通，对比观察两个实验效果显示灯的亮度，能够得出电容的容值越大电容器的容抗越小；

(B6)保持交流输入电压值不变，增大交流电源频率再次对比观察两个实验效果显示灯的亮度，能够得出交流电源的频率越大，电容器的容抗越大。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)针对中学物理实验室无小功率、低电压、频率可调的逆变电源，本发明将变频技术和逆变技术应用在中学物理实验上，设计了一个简易的小功率、低电压输出的交流变频电源(20W、0-12V输出、50Hz-150Hz连续可调)为本实验示教演示装置进行供电，填补了目前中学物理实验室的空白；

(2)中学物理课本中的演示实验采用的方法是同一个电路第一次通直流观察实验效果显示灯的亮度，第二次通交流再观察实验效果显示灯的亮度，然后比较两次观察到实验效果显示灯亮度对比再做分析，而本发明中采用的方法是给两个处在不同支路上的实验效果显示灯同时分别通上相同电压的交、直流电，进而同一时间对比两个实验效果显示灯亮暗，增强了直观性，使得实验结论更加科学有说服力。

(3)本发明演示仪中示教板电路所选用的电感器、电容器是经过多次试验才最终确定其感值和容值大小，使两支路实验效果显示灯都能发光，并且实验中显示灯会出现明显的亮度差别效果，使得实验现象便于观察，中学生能够有直观的实验感受，同样使得实验结论更加科学，有说服力。

(4)本发明演示仪中巧妙地设计了示教演示装置，不仅能演示简单的电感器、电容器对交、直流的阻通作用，同时还能分别演示电感器感抗与自感系数、交流频率的关系以及电容器容抗与电容容值、交流频率的关系，本发明电路中采用最少、最简单的电路元器件，实现了目前中学物理实验中这部分教学演示仪器的空缺。

附图说明

图1本发明交流变频电源的电路原理框图；

图2本发明示教演示装置的结构原理框图；

附图中：1.变压器；2-1.第一整流、滤波、稳压电路；2-2.第二整流、滤波、稳压电路；3-1.第一降压、稳压电路；3-2.第二降压、稳压电路；4.逆变器功放板；5.逆变器驱动板；6.示教演示装置交流电压输入端；7.示教演示装置直流电压输入端；K.总电源开关；K1.负载供电开关；K2.电流类型转换开关；K3.电感器和电容器选择开关；K1-1.第一供电开关刀头；K1-2.第二供电开关刀头；K2-1.第一转换开关刀头；K2-2.第二转换开关刀头；K3-1.第一选择开关刀头；K3-2.第二选择开关刀头；K3-3.第三选择开关刀头。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1，2，本发明演示仪主要分为两部分，一部分是将现有的变频技术和逆变技术结合起来，可以输出一个功率为20W，频率范围为50Hz-150Hz连续可调，范围为0-12V的交流电压源，同时通过整流滤波稳压技术输出一个范围为0-12V的直流电压源，另一部分是根据实验室的现有仪器设计一个演示中学物理实验研究电感器和电容器对电流影响的示教演示装置，第一部分输出的交流电源和直流电源为第二部分示教演示装置供电。

本发明由变压器装置、整流滤波稳压装置、降压稳压装置、逆变器功放装置、逆变器驱动装置、示教板交流输入端和示教板直流输入端组成。

根据电路原理框图，电路的具体实现方式为：将标准交流220V的电压输入给变压器1，变压器1输出两个分别为交流18V和交流12V的小电压，其中交流12V的电压通过第一整流、滤波、稳压电路2-1输出范围0-12V直流电压，输出的0-12V直流电压接到示教演示装置直流电压输入端7；将交流18V的电压通过第二整流、滤波、稳压电路2-2输出直流18V电压，再将此直流18V电压通过第一降压、稳压电路3-1得到直流12V电压，继续将上述直流12V电压通过第二降压、稳压电路3-2输出直流5V电压，将得到的直流18V电压作为逆变器功放板4的输入，逆变器功放板4主要通过逆变桥起到滤波反馈的作用，将得到的直流12V电压和直流5V电压作为逆变器驱动板5的输入，逆变器驱动板5主要涉及到的芯片有EG8010和IR2110S，其中EG8010的功能是数字化的自带死区控制的纯正弦波逆变发生器芯片，EG8010与IR2110S两个芯片可以产生正弦波逆变器驱动电路，将逆变器驱动板5和逆变器功放板4通过针距为2.54mm的17针插排连接，能够在逆变器功放板4输出用于实验的功率为20W、电压范围为0-12V、频率范围为50Hz-150Hz连续可调的交流电压源，此输出交流电压源能够为示教演示装置交流电压输入端6供电。

图2示教板元件分布及具体电路连接详细说明如下：图中显示有7个旋钮，其中K为单刀双掷开关，它是总电源开关，控制整个演示仪电源和指示灯，转在ON档位总电源开启，演示仪变频电源的变压器输入端连接220V交流电，指示灯亮，转在OFF档位总电源断开，指示灯灭；负载供电开关K1为双刀双掷开关，它是负载供电开关，控制第一供电开关刀头K1-1和第二供电开关刀头K1-2，其中第一供电开关刀头K1-1一端与电压范围0-12V的直流电源输入端相连，另一端与电流类型转换开关K2控制的第一转换开关刀头K2-1的直流端相连，而第二供电开关刀头K1-2一端与电压范围0-12V的交流电源输入端相连，另一端与电流类型转换开关K2控制的第一转换开关刀头K2-1的交流端相连；电流类型转换开关K2为双刀双掷开关，它是交、直流转换开关，控制第一转换开关刀头K2-1和第二转换开关刀头K2-2，其中第一转换开关刀头K2-1与第二转换开关刀头K2-2之间连接第一实验效果显示灯A1，第二转换开关刀头K2-2的直流位连接直流支路电感器L1和电容器C1，第二转换开关刀头K2-2的交流位连接交流支路电感器L2和电容器C2；电感器和电容器选择开关K3为三刀双掷开关，它是电感器、电容器选择开关，控制第一选择开关刀头K3-1、第二选择开关刀头K3-2、第三选择开关刀头K3-3，其中第一选择开关刀头K3-1一端与电压范围0-12V的直流电源输入端相连，另外两端分边为接电感器和电容器端，电感器端接L1，电容器端接C1；第二选择开关刀头K3-2和第三选择开关刀头K3-3一端均与电压范围0-12V的交流电源输入端相连，另外两端分边为接电感器和电容器端，第二选择开关刀头K3-2的电感器端接L2，电容器端接C2，第三选择开关刀头K3-3的电感器端接L3，电容器端接C3。频率调节旋钮可以将变频电源的频率在50Hz-150Hz范围内连续调节，直流电压调节旋钮调节0-12V直流电源的输入电压，电压值可由直流电压表中读出，交流电压调节旋钮调节0-12V交流电源的输入电压，电压值可由交流电压表中读出。第二实验效果显示灯A2一端与第一转换开关刀头K2-1的交流端和第二供电开关刀头K1-2一端相连，另一端与电感器L3与电容器C3相连。

示教演示装置控制电路中涉及到的电子元件的参数：电容器C1、C3均为50V82uf，C2为50V56uf；实验效果显示灯A1、A2均为3.8V0.3A；而电感器是用1W变压器的铁芯及骨架绕制的，属于低频电感，不能用工字电感器和高频电感器代替，电感器L1、L3为10mh，是由直径0.24mm、长5m的漆包线绕1W变压器的铁芯及骨架所制，电感器L2为24mh的，是由直径0.33mm、长8.7m的漆包线绕1W变压器的铁芯及骨架所制。

上面详细介绍了本发明演示仪器的电路原理框图和演示操作示教板控制电路元件分布，下面具体说明如何应用本发明演示仪器来演示电感器、电容器对电流的影响实验：

一、演示电感器对交变电流的影响

1.电感器对交、直流阻通作用

(1)将总电源开关K旋转到ON位，指示灯亮；

(2)将负载供电开关K1旋转到ON位，K1-1、K1-2两个开关处于闭合状态，K1-1连0-12V直流电源，K1-2连电压范围0-12V、频率范围50-150Hz连续可调的交流电源；

(3)将电流类型转换开关K2旋转到直流档位，K2-1、K2-2两个开关处于闭合状态，且均与直流档位连通；

(4)将电感器和电容器选择开关K3旋转到电感L位，K3-1、K3-2和K3-3三个开关均处于闭合状态，且与电感L位连通，直流分支电路为第一实验效果显示灯A1与电感器L1(10mh)串联接电压范围0-12V直流电源，交流分支电路为第二实验效果显示灯A2与电感器L3(10mh)串联接电压范围0-12V交流电源；

(5)通过直流电压调节旋钮和交流电压调节旋钮调节直流电源、交流电源输入电压均为4.0V，观察第一实验效果显示灯A1和第二实验效果显示灯A2的亮度，可以看到A1比A2亮，通过这个步骤的演示说明电感器能够起到通直流阻交流的作用。

2.电感器感抗与自感系数、交流频率的关系：

(a)通过直流电压和交流电压调节旋钮分别将直流电源和交流电源的输入电压均调为0；

(b)将负载供电开关K1旋转调节到ON位，K1-2开关闭合连接电压范围0-12V、频率范围50-150Hz连续可调的交流电源；

(c)将电流类型转换开关K2旋转到交流位，K2-1、K2-2两个开关处于闭合状态，且均与交流位相通；

(d)将电感器和电容器选择开关K3旋转到电感L位，K3-2和K3-3两个开关处于闭合状态，且与电感L位连通，此时第一实验效果显示灯A1与电感器L2(24mh)串联成一个交流支路、第二实验效果显示灯A2与电感器L3(10mh)也串联成一个交流支路，两个交流支路并联到电压范围0-12V、频率范围50-150Hz连续可调的交流电源上；

(e)通过频率调节旋钮将交流电源的频率调节为50Hz；

(f)通过交流电压调节旋钮使得交流电源输入电压为5V，观察第一实验效果显示灯A1和第二实验效果显示灯A2的亮度，可以观察到A2比A1亮，通过这个实验步骤说明线圈的自感系数越大电感器的感抗越大，自感系数越小电感器的感抗越小；

(g)保持交流电源输入电压，通过频率调节旋钮将交流电源的频率调节为90Hz，观察第一实验效果显示灯A1和第二实验效果显示灯A2的亮度，现象为A1和A2的亮度均变暗；

(h)保持交流电源输入电压，通过频率调节旋钮将交流电源的频率调节为140Hz，观察第一实验效果显示灯A1和第二实验效果显示灯A2的亮度，现象为较之前频率值下A1和A2的亮度均变更暗，通过这个步骤说明交流电源的频率越大，电感器的感抗越大。

二、演示电容器对交变电流的影响

1.电容器对交、直流阻通作用

(1)通过直流电压和交流电压调节旋钮将直流电源和交流电源的输入电压均调为0；

(2)将负载供电开关K1旋到ON位，K1-1、K1-2两个开关处于闭合状态，K1-1连电压范围0-12V直流电源，K1-2连电压范围0-12V、频率范围50-150Hz连续可调的交流电源；

(3)将电流类型转换开关K2旋转到直流位，K2-1、K2-2两个开关处于闭合状态，且均与直流位连通；

(4)将电感器和电容器选择开关K3旋转到电容C位，K3-1、K3-2和K3-3三个开关处于闭合状态，且与电容C位连通，直流分支电路为第一实验效果显示灯A1与电容器C1(50V82uf)串联接电压范围0-12V直流电源，串联分支电路为第二实验效果显示灯A2与电容器C3(50V82uf)串联接电压范围0-12V交流电源；

(5)通过直流电压调节旋钮和交流电压调节旋钮调节直流电源、交流电源输入电压均为7.5V，对比观察两个实验效果显示灯A1和A2的亮度，可以看到A1不亮，A2亮，通过这个步骤的演示说明电容器能够起到隔直流通交流的作用。

2.电容器容抗与电容容值、交流频率的关系：

(a)通过直流电压和交流电压调节旋钮将直流电源和交流电源的输入电压均调为0；

(b)将负载供电开关K1旋转调节到ON位，K1-2开关闭合连电压范围0-12V、频率范围50-150Hz连续可调的交流电源；

(c)将电流类型转换开关K2旋转到交流位，K2-1、K2-2两个开关处于闭合状态，且均与交流位相通；

(d)将电感器和电容器选择开关K3旋转到电容C位，K3-2和K3-3两个开关处于闭合状态，且与电容C位连通，此时第一实验效果显示灯A1与电容器C2(50V56uf)串联成一个交流支路、第二实验效果显示灯A2与电容器C3(50V82uf)也串联成一个交流支路，两个交流支路并联到电压范围0-12V、频率范围50-150Hz连续可调的交流电源上；

(e)通过频率调节旋钮将交流电源的频率调节为50Hz；

(f)通过交流电压调节旋钮使得交流电源输入电压为7.5V，对比观察两个实验效果显示灯A1和A2的亮度，可以观察到A2比A1亮，通过这个实验步骤说明电容的容值越大电容器的容抗越小；

(g)保持交流电源输入电压，通过频率调节旋钮将交流电源的频率调节为90Hz，观察两个实验效果显示灯A1和A2的亮度，现象为A1和A2的亮度均变亮；

(h)保持交流电源输入电压，通过频率调节旋钮将交流电源的频率调节为140Hz，观察两个实验效果显示灯A1和A2的亮度，现象为较之前频率值下A1和A2的亮度均变更亮，通过这个步骤说明交流电源的频率越大，电容器的容抗越大。

演示完毕将直流电压调节旋钮、交流电压调节旋钮、频率调节旋钮，逆时针转到底，将总电源开关K旋转到OFF位。