汽车点火系在《电工学》教学中的灵活运用

《电工学》课程是技工学校机电、电工、电微、电工与电子等专业的重要公共基础课,凡与电相关联的一切知识均是从《电工学》课程学习开始的,《电工学》是学习后续课程,如《电工工艺学》、《电子技术》、《电工仪表》、《电力拖动与自动控制》等的基础。学好《电工学》课程,能使学生在对电学的相关学习中具备扎实的知识基础。

多年来,笔者一直从事汽车电气设备的教学。今年由于机电专业招生人数增加,笔者承担了机电专业《电工学》课程的教学任务。在讲授第二章“磁与电磁”中第四节“电磁感应定律”的教学内容时,由于该章节内容比较抽象、难懂,学生对课本中电磁感应定律内容的理解普遍比较困难,特别对互感和自感的概念更容易混淆,其原因主要是这部分内容理论性比较强,还存在一些复杂且枯燥的理论推导和难记的公式。由于技校生的理论基础水平较为薄弱,大多数学生对理论的学习存在一种抵触情绪,即使再简单的理论,他们往往缺乏学习的热情,不愿同教师合作。如果采用单一的教学方法,学生会因教学方法缺乏活力而丧失学习兴趣。针对这种情况,笔者把电磁感应现象的自感和互感原理在汽车点火系中的应用,通过实物、示教板的形式向学生演示了传统汽车点火系的整个工作过程,并帮助学生为过程中的每一步找到电磁理论的支撑。这种通过实践学习理论、巩固理论,反过来用理论来指导实践的教学方法,使学生很快掌握了电磁感应定律的基本知识,达到了促进学生理解、激发学生学习兴趣的良好效果。

常规“电磁感应定律”教学过程

我们知道,电流能产生磁场,反过来磁场在一定条件下也会产生电流,我们把变化磁场在导体或线圈中产生电动势的这种现象称为电磁感应。在线圈中产生的电磁感应现象存在两种形式,一种是自感——由于流过线圈本身的电流发生变化而引起的电磁感应现象,自感电动势方向可用楞次定律来判断。即线圈中的外电流i增大时,感应电流方向与外电流i的方向相反,外电流减小时感应电流的方向与之方向相同,自感电动势的大小与线圈的电感及线圈中外电流的变化快慢(变化率)成正比。另一种称为互感,即由一个线圈(称一次线圈)中的电流发生变化而在另一线圈(称二次线圈)中产生电磁感应的现象。互感电动势的方向仍可用楞次定律来判断,互感电动势的大小与二级线圈的匝数和一次线圈中电流的变化率成正比。在讲上述教学内容时,常规的教学方法是,先描述教材中叙述的实验内容(在缺乏实验器材的条件下),然后,根据实验结果推出自感和互感现象的概念,以及有关感应电动势的大小计算公式和方向的判定方法。最后,通过学生做习题来加深和巩固电磁感应的教学内容。但是,由于该部分教学内容比较抽象,理论性强,与学生以前所学的知识联系少,加上大部分学生基础较差,所以,常规教学方法使得学生在掌握和灵活运用电磁感应原理的基础知识上存在很大障碍,教学效果不太理想。笔者利用汽车传统点火系的工作原理来讲述自感和互感原理,其教学效果比较理想。因为传统的点火系就是利用点火线圈的互感原理工作的。

汽车点火系在电磁感应

教学过程的应用

首先,准备一只完好的分电器(型号不限),一只相配套的电火线圈,一只充足电的12V蓄电池(容量不限),一条高压导线和若干条低压导线,按图1所示将其连接。

同时,使高压导线的一端距蓄电池负极保持7～8mm的距离,用手转动分电器轴会看到在高压导线距蓄电池负极之间会发生高压跳火现象,火花的强弱随转动分电器轴转速的增大而增强,在分电器轴转速不变、高压导线距蓄电池负极距离保持不变的情况下,拆除电容器。这时我们会看到高压火花变弱,甚至无火花。学生看到上述演示后,很快激发了学习兴趣,唤起了他们的求知欲望。这时,教师应抓住这个有利机会,向学生解释发生跳火的原因(见图2)。

接通电路后,分电器轴在人为的作用下转动,使分电器中的断电器触点交替地闭合与断开,当触点处于闭合时,蓄电池向点火线圈的一次绕组供电,其电路为:蓄电池“+”极→点火线圈一次绕组→断电器触点→搭铁→蓄电池“-”极。这时,12V的低压电流流过一次绕组,使铁心、一次绕组及二次绕组中有磁通通过,铁心存储了磁场能。当继续转动分电器轴,使凸轮顶开断电器触点时,一次绕组断电(即电流发生了变化),这时,穿过二次绕组的磁通骤然消失。因此,在二次绕组中产生了互感电动势。根据互感电动势的大小计算公式(e2M=│-N2△φ12/△t│)可知,互感电动势的大小与互感磁通量的变化率以及二次线圈的匝数成正比,即正比于第一个线圈中电流的变化率。由于二次绕组的匝数(20000～40000匝)比较多,于是,在二次绕组中感应出高压互感电动势,其互感电动势可达1.5～2.0万伏,这样,高电压加在高压线端与蓄电池负极之间产生了电火花。而且,火花强弱随分电器轴转速增大而增大,转速增大能提高一次线圈的电流变化率,所产生的互感电动势就大,产生电火花也就大。

为什么断开电容器后火花变弱甚至无火呢?主要因为断电器触点断开时,由于电流突然消失,在一次线圈中会产生200～300V的自感电动势,方向与蓄电池的电动势方向相同。这两个电动势相加使断电器触点之间产生火花,将触点烧坏。同时,触点火花又会使一次线圈中的电流变化率下降,降低了二次线圈的互感电动势,使火花变弱,甚至无火。

通过上述理论分析后,大部分学生已能正确掌握电磁感应的基础知识。为了进一步加深学生对互感电动势大小的具体感受,我让部分学生代表亲自动手来完成教师演示的试验。学生动手前,教师先暂时不要讲需要注意的一些安全事项及可能发生的情况,结果学生在电路连接(即使未转动分电器轴)的过程中发生了高压触电现象(除非心脏病,否则对人没有任何危险)。这时,教师通过发生的触电现象,再引导学生找原因。最终学生得出这样的结论:要发生触电刺激,一定发生了互感现象,只凭蓄电池的12V电压(小于安全电压36V)是不会发生的,在电路连接过程中,由于导线的连接或断开,在断电触点刚好闭合的情况下,会使点火线圈中一次线圈的电流发生骤然变化,在二级线圈中产生了电压很高的互感电动势,才导致触电现象的发生。通过这种无意识的触觉的感受,又加深了学生对互感知识的认识。

对于这些理论性比较强的知识点,在整个教学中应多角度地进行思考,研究学生,研究教材,选择并创新教学方法,实现课堂教学方式的最优化。选择那些有利于激发学生学习兴趣、调动学生学习积极性的教学手段。这样,才能使抽象的理论知识变得具体,并力求降低学生的理解难度。教学实践已经证明,这种教学方式是行之有效的。

参考文献:

[1]周国庆.电工与电子技术基础(汽车类)[M].北京:中国劳动社会保障出版社,2004.

[2]黄孟涛.汽车电气设备[M].北京:中国劳动社会保障出版社,1999.

[3]邵展图.电工学(机械类)[M].北京:中国劳动社会保障出版社,2007.

作者简介:

张学友(1966—),男,云南玉溪人,云南红河州技工学校高级讲师,长期从事汽车电气理论教学和汽车维修实习指导工作。