电磁学实验中的常用基本仪器

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利用表头一般只能测量很小的电流(从十几 μA 到几百 mA )或电压。如果要测量较 大的电流,必须加分流电阻;测量较大的电压,加分压电阻。
(2) 电流表 电流表可分为微安表(μA)、毫安表(mA)、安培表(A)等。电流表是在表头上 并联一个分流低电阻 Rs 而成,如图 2 所示。
总电流 I 中的大部分电流 I s 将流过 Rs ,小部分电流 I g
流过表头 G。如果表头的读数要扩大 n 倍,即 I = nI g ,则
Rs
=
n
1 −
1
Rg
式中 Rg 为表头的内阻。通常取 n 为 10 倍、100 倍等,
图 2 电流表线路图
故分流电阻
Rs
一般为
1 9
Rg

1 99
R
g
……等值。
(3) 电压表
电压表可分为毫伏表(mV),伏特表(V)、千伏表(kV)等。伏特表是在表头上
电磁测量中的仪器布置和线路连接
合理地布置仪器和正确连接电路是电磁学
实验中的一项基本功。仪器布置不当,不仅实
验时不方便,连接和检查电路也困难,容易出
差错。
电磁学实验的电路图中,都用规定的符号
标示各种仪器,我们应该学会根据电路图正确
(a)
地把各种仪器连接起来,反之把仪器的连接情
(b )
况用电路图表示出来。有时电路图因画法和排
5
图 8 电阻箱面板
图 9 电阻箱内部结构
其中×10000、×1000、……称为倍率,刻在各旋钮边缘的面板上。四个接线柱旁标 有 * 、0.9Ω、9.9Ω、99999.9Ω等字样,*与 0.9Ω两接线柱之间的电阻值调整范围为 0~ 0.9Ω,*与 9.9Ω两接线柱之间的电阻值调整范围为 0~9.9Ω,其余类推。使用时,应根 据需要选用接线柱,以避免电阻箱其余部分的接触电阻和导线电阻给低电阻带来的影响.
3
表1 名称/意义
直流表 交流表 交直流表 电流表 电压表 功率表 仪表水平放置
仪表垂直放置
电表上的标记符号及意义
符号
名称/意义
0.5 级表
绝缘试验 电压为 2kV
Ⅱ级防御 外磁场能力
磁电式仪表
整流式仪表
调零器
接地端钮
与外壳相连接 的端钮
公共端钮
符号
0.5
3. 数字电压表 数字电压表具有输入阻抗高、准确度高、测量速度快、易于小型化智能化等优点,数 字电压表配上各种变换器后可进行电压、电阻、电容、频率、温度等物理量的测量。 数字电压表的工作特性: (1) 数字电压表的显示位数一般为 3 位半、4 位半、6 位半、8 位半等。例如最大显示 值为 1999,满度值为 2000 的数字电压表,其最高位不能显示出 0~9 这十个数字的全 体,故称为 3 位半数字表。 (2) 数字电压表的输入阻抗高,可达 10 ~104 MΩ,远远大于指针式电压表的内阻。 (3) 数字电压表的仪器的误差限可表示为
c) 正确读数 指针式电表读数时应减少视差,即视线垂直于刻度表面。有镜面的电表,当指针的像 与指针相重合时,所对准的刻度才是电表的准确读数。一般电表读数估读到最小刻度的
1 ~1。 10 2
d) 通电前检查并调节表头指针零点。 e) 注意电表接入给测量结果带来的影响。 磁电式仪表都有一定的内阻,电表接入线路后,将使原电路的参数发生变化,因而给 测量结果带来误差(想一想,是属于那种误差)。合理地接入电表可明显降低误差,再进 一步对测量结果进行修正。 f) 认识电表盘上的标记符号意义,正确选用仪表。
1
图 1 磁电式表头的内部结构
的作用是将通过它的微弱电流的大小转换成指针或光点的偏转大小,普通表头中的线圈安 装在轴承上,用弹簧游丝维持平衡,高灵敏度的表头则是用极细的金属悬丝代替轴承将线 圈悬挂的磁场中。表头常用来测量微小电流或用作为检流计。表头的内部结构如图 1 所 示。当电流通过线圈时,线圈受电磁力矩的作用而偏转,直到与游丝的反扭力矩平衡而静 止不动,线圈偏转角的大小与所通过的电流大小成正比。
图 3 电压表线路图
(4) 电表的准确度等级和仪器误差限 电表的仪器误差限是指电表在正常条件使用时,测量值与测量真值之间可能产生的最 大误差,它是由其内部特征及构件等的质量缺陷引起的,电表的仪器误差限与电表的准确 度等级和量程有关。
2
电表的准确度等级一般分为七级:0.1, 0.2, 0.5, 1.0, 1.5, 2.5, 5.0。准确度等级 a 的定义
电阻箱的主要参数有
a)总电阻 即最大电阻,图 8 所示电阻箱的总电阻为 99999.9Ω。
b)额定功率 由于构成电阻箱的各档电阻的额定电流不同,故电阻箱的额定值不用额定电流而用额
定功率表示。一般电阻箱的额定功率为 0.25W,由此可计算出各档的额定电流。例如用 0.1Ω档允许通过的电流为
I1 = W / R = 0.25 / 0.1 = 1.6 A
a%
=
仪器误差限Δ ins 量程Am
电表的标度尺上的所有分度线的最大误差都不超过Δins,准确度等级 a 愈大,量程
Am 愈大,可能的最大误差愈大。 (5) 电表的使用 a) 正确选择准确度等级和量程 根据电表准确度等级 a 的定义,测量值 X 中可能的最大相对误差为
E = Δins = a% ⋅ Am
图 11 7
些。电源开关前不放东西,以防万一电路出故障,可以及时断开电源。 连线先从电源开始(电源先关掉),这样容易分清正负极。如果电路比较复杂,可分
成几个回路逐步连接。例如图 11 的电路,我们可以分成六个回路(①-⑥)逐个地连接 下去,这种连接法称“脉络相承,分区接线”。连线时要充分注意电路中的等电势点,不 宜在一个接线柱上接过多的导线,否则容易造成接触不良。连线要整齐,接头要旋紧(但 不要旋死)。自己先检查一遍,再请教师检查。确认连线无误后,接通电源,同时注意观 察全部仪器有无异常现象。例如电表指针有无超出量限范围和反向偏转,有无地方冒烟或 发出焦臭味等。如有异常就立即断开电源,重新检查电路或仪器。当一切正常后,也不要 匆忙测读数据,应先作全面观察,并考虑如何合理采集实验数据。
Δins = ±(a% ⋅ X + n字)
式中 a 为误差的相对项系数, X 为测量值,实际上数字电表的误差很小,一般为最
后显示位的 1~2 个字。
4. 可变电阻器 电磁学测量中,常用可变电阻来改变电路中的电流和电压值。选用可变电阻器时要注 意其阻值范围和允许通过的最大电流值(或功率)是否满足要求,否则易于烧毁电阻器。 ⑴电位器 电位器有多种类别和规格,其额定功率只有零点几瓦到数瓦。电位器的外形及电路符
用 10000Ω时,允许通过的电流为
I 2 = W / R = 0.25 /10000 = 0.005 A
即凡是×0.1Ω档内各种阻值的额定电流均为 1.6A,而×10000Ω档内各种阻值的额定 电流均为 0.005A。阻值越大的档,由于电阻丝较细,允许通过的电流越小。
5. 开关 实验室常用的几种电路开关的符号和作用见表 2
和一个固定接头 B 之间的电压即负载两端的电压随 D
的位置改变而改变.因此,滑百度文库电阻作分压器使用时,
三个接头都要用,电源接在两个固定接头上,负载接在
滑动接头和一个固定接头(A 或 B)上。分压器在电源
电路接通以前,应使输出电压取最小值(滑动头 D 滑向
E
图 7 滑线电阻用作分压器
那端?),电源接通以后再调整其输出电压。同样,切 断电源前,也应使输出电压取最小值,以免损伤电表.
图 10
列不同而形状不同,例如图 10 (a) 、 (b) 两图
代表的是相同的实验电路。因此,应该在实验前先把电路图代表的内容和各个仪器的作用
搞清楚,然后再布置仪器,连接电路。布置仪器的原则应该是“便于连线,利于操作,易
于观察,保证安全”。因此,仪器不一定要完全按照电路图中的位置一一对应布置,一般
是将经常要调节或读数的仪器,例如滑线电阻、电表等放在近处,其它仪器放在后面一
取最大值(滑动头 D 滑向哪端?),电源接通以后再调整其
阻值,目的是使开始时电路中只有较小的电流通过,比较 安全.切断电源前,也应使电阻取最大值,以免电表指针 摆动过大,损伤电表.
E
图 6 滑线电阻用作制流器
b) 用作分压器
电路如图 7 所示.分压器两个固定接头间的电位差等于电源的端电压,滑动接头 C
电磁学实验中的常用基本仪器
电磁学实验中的常用基本仪器很多,包括电源、电表、电阻器、电感器、电容器,以 及示波器、信号发生器、频率计等。本实验仅就其中几种作简单介绍,其余的将在后续实 验中进一步学习。
学习导航
了解部分电磁学仪器:电源、电 表、数字电压表、可变电阻器
分析滑线电阻的制流和分压特性 练习电路连接、练习曲线作图
X
X
可见,选用电表时,不应单纯追求准确度,而应根据被测量 X 的大小及对误差 E 的 要求,选择准确度等级和量程。为了充分利用电表的准确度等级,电表指针偏转读数应大 于量程的 2/3。
在不知道被测量大小的情况下,应先选用电表的最大量程,再根据指针偏转情况逐渐 调到合适的量程。
b) 正确接入电路 电流表串接在电路中,电压表与被测电压两端并联。电表“+”端表示电流流入,接 高电势端;“-”端表示电流流出,接低电势端,切不可接错极性,以免损坏电表。
2. 电表 电表是电磁测量中的基本仪器。实验室常 用的电表大都是磁电式的,它是根据载流线圈 在磁场中受力矩作用而发生转动的原理制成 的。磁电式电表具有准确度高、标尺分度均 匀,功率消耗小,受外界磁场和温度影响小等 优点,但只适用于直流测量,如果要作交流测 量,则需另加整流器。 (1) 电流计 电流计俗称表头,用符号 G 表示,表头
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名称 单刀单掷 单刀双掷 (选择开关)
双刀双掷
表2 电路符号
实验室常用的开关 作用
按下时电路接通,拉开时电路切断 开关倒向的一边线路接通。
相当于两个同时使用的单刀双掷开关。
换向开关 按键开关
改变电路中的电流流向。
是一种弹性按键开关,按下时电路接 通,松开后开关弹回,切断电路。还有一种 带锁定机构的按键开关,第一次按下,电路 接通,再按一次,电路切断。
滑线电阻器的主要参数有全电阻(即 A、B 之间的
电阻)和额定电流(即滑线变阻器所允许通过的最大电
流)
⑶电阻箱
电阻箱的型号很多,常用的 ZX21 型电阻箱的面板如图 8 所示,它的内部是由若干个
锰铜线绕成的标准电阻按图 9 所示连接.旋转电阻箱上的旋钮,可以得到不同的电阻值。
图 8 和图 9 所示的电阻值为 87654.3Ω(8×10000+7×1000+6×100+5×10+4×1+3×0.1)。
A、B 称固定接头.D 为滑动接触头,D 通过 C、E 之间的铜杆与 C 相连, C 也称滑动接
头.滑线电阻主要有两种用法,分述如下:
a) 用作制流器
电路如图 6 所示.调节滑动头 D 可以改变通过负载
的电流强度.接线时注意三个接头只用其中二个,滑动接
头 C 一定要用.制流器在电源电路接通以前,应使电阻
串联一个分压高电阻 Rm 而成,如图 3 所示。总电压U 中的大部分电压U m 将降落在 Rm
上,只有小部分电压U g 降落在表头的内阻 Rg 上。如果表头
电压读数要扩大 m 倍,即U = mU g ,则
Rm = (m − 1)Rg
通 常 m 取 10 倍 , 100 倍 等 , 故 分 压 电 阻 Rm 一 般 取 9Rg 、 99Rg ……等值。
仪器介绍 1. 直流电源 实验室常用直流电源有直流稳压电源、干电池和蓄电池。干电池输出电压的短期稳定
性好,使用时不会对电路造成交流噪声和电磁干扰,但干电池容量有限,不适合于长期连 续使用,要注意经常更换。直流稳压电源输出电压的长期稳定性好,输出大小可调,功率 大,内阻小,可长期连续使用,但它的短期稳定性不如干电池,会受电网电压波动影响, 且必须由交流电源供电。使用电源时要注意:①谨防电源两极短路。②注意电源的最大允 许输出电流值,不可超载应用。实验时,先将稳压电源输出电压置于最小值,待电路正常 后再逐步加大电压到规定值。③蓄电池内装有酸性或碱性溶液,不得倾斜更不能翻倒。 ④注意人身安全。一般当电源电压大于 64V 时,实验者就不能随便触及。
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号如图 4 所示。电位器通常用在仪器、设备的电路之中,由电阻丝绕制而成的线绕电位器 阻值精确,稳定性好,但阻值范围有限,由环形炭膜电阻片制成的炭膜电位器阻值可做得 很大,但稳定性差。
图 4 电位器
图 5 滑线电阻
⑵滑线电阻
滑线电阻的构造如图 5 所示.A、B、C 为三个接线头.A、B 间均匀绕有电阻线,
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