趙 強 吳金桃 丘來金

(華東師范大學 1物理與材料科學學院， 2生態(tài)環(huán)境科學學院，上海 200241)

電感線圈鎮(zhèn)流器型日光燈電路是物理和工程領(lǐng)域教學中探討的典型案例之一，通常被當作感性負載, 并且在提高功率因數(shù)的實驗中使用效果也得到了普遍的肯定[1-4]。在教學中, 構(gòu)建日光燈內(nèi)部器件的電路模型, 以及確定燈管的負載屬性, 可以作為很好的拓展教學內(nèi)容, 然而, 燈管的工作屬于比較復(fù)雜的氣體放電現(xiàn)象, 其電流和電壓均為非正弦量,并且在相關(guān)的一些探討中根據(jù)不同的實驗和分析方法給出了電感性、電容性和電阻性三種不同的結(jié)論[1,2,4],反映出教學中仍然存在失誤和疑惑。

為了解除這些疑惑和實現(xiàn)期望的教學效果, 需要：(1)使用普遍認可的常規(guī)教學實驗方法進行實驗結(jié)果；(2)基于電路模型構(gòu)建的基本原則[5]構(gòu)建日光燈管的電路模型；(3)依據(jù)大學物理中的基礎(chǔ)理論結(jié)合實驗現(xiàn)象，對電路模型的合理性及其適用情形給出直觀定性的分析。

1 實驗與數(shù)據(jù)分析

圖1給出的是常規(guī)實驗教學課中使用的電路,其中,L為鎮(zhèn)流器；A為燈管(用簡單結(jié)構(gòu)示意圖表示)。U為電源電壓；UL為電感兩端的電壓；UA為燈管兩端的電壓；I為回路中的電流。測量工作均使用專業(yè)數(shù)字儀表, 因為測量誤差對本文的分析沒有影響, 故不予考慮。

圖1 實驗電路

表1給出了測量結(jié)果, 功率因數(shù)λ=P/(UI)為計算值(與功率計的示數(shù)一致。事實上, 這也是數(shù)字功率計的測量原理)。該日光燈的額定工作電源電壓是220V, 最低連續(xù)穩(wěn)定工作電壓是182V。

表1 實驗數(shù)據(jù)

圖2 日光燈工作時的電路模型(a) 整體; (b) 將燈管和鎮(zhèn)流器分開

鎮(zhèn)流器L是一個典型的電感元件, 所以燈管可以被近似為一個阻抗元件。如圖2所示, 若用Z=R+jX來表示電路的總阻抗, 則有Z=ZL+ZA, 其中,ZL=RL+jXL和ZA=RA+jXA分別表示鎮(zhèn)流器和燈管的阻抗。

表2 部分關(guān)鍵參數(shù)的計算值

很顯然,XA均大于零且不可忽略, 故可以確認, 在構(gòu)建電路模型時應(yīng)該將燈管視為感性元件。

2 理論分析探討

根據(jù)大學物理課程的相關(guān)內(nèi)容[6,7]和應(yīng)用領(lǐng)域中對類似的等離子體問題的分析方法[8], 首先對燈管的阻抗中的電阻、電容和電感分量的主要來源進行定性分析, 然后根據(jù)在正弦交變電壓作用下各分量大小的變化來分析連續(xù)過程。

2.1 對產(chǎn)生電阻、電感和電容的原因分析

燈管的導(dǎo)電性源于電荷(電子和正離子)的運動, 那么, 類似于經(jīng)典物理對金屬導(dǎo)電的分析[6,7]可知, 電荷在運動過程中發(fā)生的碰撞是形成電阻的主要原因。

圖3 電荷在電場中的運動

為了定性分析電感特性的來源, 以圖3所示的簡單情形為例, 勻強電場中的電場強度為E、m和q分別是電荷的質(zhì)量和電量。若電荷的速度在t=0時刻為零, 那么電荷的運動對產(chǎn)生電場的電路來說, 其行為如式(4)描述, 其中,a是電荷的加速度；u是兩個電極間的電壓；n是電荷的密度(單位體積內(nèi)電荷的數(shù)目)；i是電路中的電流。

(4)

可以得出di/dt∝u, 所以對外電路來說, 表現(xiàn)為純電感特性。雖然不是真實電感, 但是可以用電感模型來描述。由電感的伏安特性Ldi/dt=u可以得出等效電感量L∝q/m。因此, 電子的運動對電感的貢獻遠小于正離子, 也就是說, 正離子的定向移動是產(chǎn)生電感性的主要原因。

另一方面, 在未產(chǎn)生連續(xù)穩(wěn)定的電流之前, 空間中分布的有限電荷, 在電場作用下, 正負電荷會分別向異性電極運動, 在空間上形成類似于介質(zhì)的極化行為, 對所在電路表現(xiàn)為電容特性。同時, 電子由于荷質(zhì)比很大, 在電場中可以瞬間獲得很高的速度并移動較遠距離, 所以對于工頻(50Hz)交流電源來說, 其響應(yīng)時間可以忽略。

但是, 如果兩電極間能夠不斷產(chǎn)生新的電荷并形成連續(xù)電流, 由電荷密度分布不均導(dǎo)致的空間極化現(xiàn)象就會被破壞, 類似于電容器嚴重漏電, 導(dǎo)致電容性降至可以忽略。

2.2 對連續(xù)工作過程中的分析

如圖4所示的碰撞電離過程中, 燈管中的中性氣體分子A被電子e碰撞后電離為一個電子和一個帶正電的離子A+, 即 e+A→2e+A+, 而且它們在燈管內(nèi)是均勻分布的。由于碰撞過程中也存在復(fù)合和單純的碰撞(無電離), 若每次碰撞后擁有電子的平均概率為Y, 則電子的動能越大Y的值越大。下面將根據(jù)Y值的不同情形來對燈管的宏觀響應(yīng)進行分析。

圖4 碰撞電離過程示意圖

日光燈在短暫斷電后可以不經(jīng)過啟輝器參與的啟輝過程就可以繼續(xù)工作, 說明當電壓uA小于換向前的某個值時, 雖然Y<1會導(dǎo)致燈管內(nèi)的氣體放電瞬間終止, 但是在短時間內(nèi)仍然保留有較多的正負電荷。這些電荷在電場作用下會形成空間極化, 因此, 此時的燈管在電路中表現(xiàn)為電容性。

在uA換向后的初始階段, 因為電場較弱, 無法形成明顯的電離效果, 所以繼續(xù)表現(xiàn)為電容性。因此, 依據(jù)電壓和電流在改變方向時的先后變化關(guān)系, 容易誤認為整個過程中燈管為電容性，這也是數(shù)字功率計判斷為電容性負載的主要原因，文獻[1,2]中判斷失誤的原因也在于此。

隨著電壓uA繼續(xù)增大, 至Y=1時, 電場強度足以維持燈管連續(xù)導(dǎo)電。雖然從宏觀上來看, 凈電流分布均勻且連續(xù), 但是由于電子、正離子以及未電離的分子之間的碰撞頻繁, 電荷的運動在微觀上雜亂無序, 所以導(dǎo)電特性類似于金屬。碰撞消耗的能量源于吸收的電能, 因此, 燈管耗電的功率越大, 燈管的功率因數(shù)λA也越大。不過, 因為電荷密度遠遠小于金屬, 間距較大, 而且正離子也在漂移, 所以仍然會表現(xiàn)出電感性。

當達到Y(jié)>1時, 會形成雪崩式的電離而導(dǎo)致電弧放電。此時, 如果電壓不變, 電流會急劇增大, 伏安特性為負電阻狀態(tài)。不過, 由于鎮(zhèn)流器L對電流的扼制作用, 使得Y動態(tài)地處于Y=1。因此, 穩(wěn)定工作時, 隨著電源電壓的增加, 回路的電流增大, 而燈管兩端的電壓卻在減小, 燈管的表現(xiàn)也更接近于純電阻。實驗結(jié)果也表明額定工作狀態(tài)的燈管的功率因數(shù)達到0.967, 說明可以近似為電阻性負載。另外, 日光燈的起始啟輝就是通過產(chǎn)生高壓脈沖迫使氣體大量電離而實現(xiàn)進入這一狀態(tài)的。

因為電源電壓是正弦變化, 在電流變化的每個周期, 燈管都要經(jīng)歷上述過程, 所以日光燈管的電學特性是連續(xù)的各階段表現(xiàn)的疊加效果。因此, 電源電壓越高,Y=1階段所占的份額越大, 日光燈管越接近于純電阻性, 電路的表現(xiàn)也越接近于理想電路模型。

故而可知, 依據(jù)大學物理知識的定性分析所給出的描述與表2中給出的實驗分析結(jié)果一致,也與相關(guān)文獻中其他方法所觀測到的現(xiàn)象吻合。

3 結(jié)語

綜上所述, 通過簡單的實際課堂實驗教學中的測量方法, 根據(jù)構(gòu)建電路模型的基本原則, 得出日光燈的燈管在正常工作時的電路模型應(yīng)該為電感性器件, 也可以近似認為純電阻器件?；诮?jīng)典電磁學基礎(chǔ)知識可以對實驗結(jié)果給出定性分析, 也與其他文獻(如文獻[1,2])中的現(xiàn)象符合, 并解釋了被誤判為電容性器件的原因。