实验 灵敏电流计特性的研究

零点调节器; 若偏在右边, 则顺时针旋转零点调节器, 使光标露
出并调零。
(3) 测 量 时 , 检流 计 的 “ 分 流 器 ”应 从 最 低灵 敏 度 挡 (×0.01 挡 ) 开始 , 或者把“分流器”旋钮直接转到指定的挡
位“直接”挡上,对检流计进行调节。当实验结束时，必须将
分流器置于“短路”挡, 以防线圈或悬丝受到机械振动而损坏。
图 3 - 16 - 4 直流复射式检流计面板图
图 3 - 16 - 5 AC15/4型检流计内部结构图
2.观察电流计的三种运动状态,测定外临界电阻Rc 按图 3-16-6 所示电路接好线路。图中 ,E=3V,S1 、 S2 为单刀 开关,R0为滑线电阻,R1、R为电阻箱, Rs为标准电阻。V为3V电 压表,G为灵敏电流计。“分流器”旋钮拨到“直接”挡。合上 开关S1, 调R0使电压表指示数为零。R1取5 kΩ。 按照电流计铭牌上给出的外临界电阻 Rc的数值,取R= Rc。 合上S2,调节R0使电压值增加, 使电流计光标偏转40 mm左右。
时, 标准电阻上的电压为
RS RS US U U R1 RS R1
此时通过电流计的电流为
(R1>>RS) (3 - 16 - 7)
Us RsU Ig R Rg R1 ( R Rg )
将其代入式(3 - 16 - 4)得
(3 - 16 - 8)
RsU Ki R1 ( R Rg )d
D Ig d Ki d 2 LNBS
(3 - 16 - 4)
D 式中, K i 为电流计常数。 2 LNBS
3. 灵敏电流计的三种运动状态 当外加电流通过灵敏电流计或断开外电流使线圈发生转动 (实际上, 无论什么原因使得电流计的线圈发生转动 )时,由于线 圈具有转动惯量和转动动能, 它不可能立刻就停止在平衡位置上, 而是要在平衡位置附近摆动一段时间才能稳定。摆动时间的长短 直接影响测量的速度，为此有必要了解影响线圈运动状态的各种 因素。 灵敏电流计工作时 , 总是由电流计 ( 内阻为 Rg) 与外电路 构成闭合回路, 线圈在磁场中转动时就会产生感应电流。根据楞 次定律,这个感应电流产生的电磁力矩是一个阻力矩 ——电磁阻尼 力矩。电磁阻尼力矩阻碍线圈运动 , 其大小除了与电流计的结构 有关之外, 还与电流计回路的总电阻有, 即
1 M Rg R外
(3 - 16 - 5)
图 3 - 16 - 3 三种阻尼状态图 (a) 接通电流时； (b) 断开电流时
(1) 欠阻尼状态 : 当 R 外 较大时 , 感应电流较小 , 电磁阻尼 力矩M较小, 线圈偏离平衡位置后就会在平衡位置附近来回振 动 , 振幅逐渐衰减 , 经过较长时间才能停在平衡位置。 R 外 越 大, M越小, 线圈振动次数越多, 回到平衡位置所需的时间就越 长。 (2) 过阻尼状态 : 当 R 外 较小时 , 感应电流较大 , 电磁阻尼 力矩M较大, 线圈偏离平衡位置后会缓慢地回到平衡位置, 但 不会越过平衡位置。 (利用此特性, 将一个电键与电流计并联, 当电流计光标运动到平衡位置附近时,将电键按下,电流计光标 即可迅速停在平衡位置, 这样便于调节。这个电键称为阻尼电 键。灵敏电流计面板上的“短路”挡, 就是这样的阻尼电键装 置。)
间, 并能以悬丝为轴转动。悬丝是能导电的青铜薄带, 具有良 好的扭转弹性, 悬丝的扭力矩很小。(普通电表采用宝石轴承
加游丝式结构, 轴承存在摩擦力矩。)上下悬丝分别与线圈的导
线两端连接。
图3 - 16 – 1 灵敏电流计的基本结构
图3 - 16 – 2 灵敏电流计的镜尺系统
(3) 读数部分: 一个小反射镜固定在悬丝线圈骨架下方 , 用来把从光源射来的光反射到标尺上,形成一个光标进行读数,
电源相符(本实验用AC 220V)。
(2) 实验时,先接通电源, 看到光标后将分流器旋钮从“短 路”挡转到“×0.01” 挡 , 看光标是否指“ 0” 。若光标不指
“0”, 应使用零点调节器和标盘活动调零器把光标调到“0”点。
若找不到光标,先检查仪器的小灯泡是否发光, 若小灯泡是亮的, 则轻拍检流计, 观察光标偏在哪边。若偏在左边,则逆时针旋转
Rs R U Rg K i R1d
(3 - 16 - 10)
用所测得的各组R、U数据,以U为横坐标,R为纵坐标,作R～ U关系曲线, 如图3－16 - 7 所示。图线在R轴上的截距ＯA就是 内阻Rg, 由图线斜率可求出Ki。
图 3 - 16 – 7
R~U关系曲线
六、 问题讨论 (1) 提高灵敏电流计灵敏度的两种主要方法是什么？ 它 和普通电表在结构有何区别？ (2) 如何改变灵敏电流计的阻尼状态？ 灵敏电流计在什
么阻尼状态下工作最方便？
(3) 为什么测量电路要采用二级分压, 用一级分压可以吗?
其等效指针长度达1m以上。
由于用扭力矩很小的悬丝代替了普通电表的一般游丝,减
少了轴承摩擦,且用光学指示替代了机械指针, 使得电流计的灵
敏度提高了几个数量级。
2. 灵敏电流计的工作原理
如图3-16-1所示,当有电流Ig流过线圈时,根据电磁学原理, 线圈所受的磁力矩为
M B NSBIg
(3 - 16 - 1)
(3 - 16 - 9)
对Rg和Ki可采用定偏法进行测量：R初值取400欧；调R0使 电压U取最大值；调R1使电流计偏转d=40mm；此后R1保持不变，
只改变R和电压U值，使电流计的偏转保持不变（d=40mm）；记
录Ri和Ui的对应值，共测8组数据。
五、 数据记录 表 3 - 16 - 1 测 量 数 据 表
式中,N和S为线圈匝数和截面积 ; B为磁极与铁芯间隙中的磁感
应强度。同时 ,线圈在偏转过程中还受到悬丝产生的扭力矩 ( 恢
复力矩)的作用, 其大小为
M D
反向。
(3 - 16 - 2)
式中, D为悬丝的弹性扭转系数; 负号表示线圈偏转角θ 转向与Mθ
当线圈最后静止下来时, 偏转角为θ 0, 则有
三、 实验原理 1. 灵敏电流计的结构 灵敏电流计主要由三部分组成, 如图3 - 16 - 1和图3 - 16 - 2 所示。 (1) 磁场部分: 在永久磁铁的N极和S极之间安装一个柱形 软铁,使磁极与软铁缝隙里的磁场分布呈均匀辐射状。
(2) 偏转部分: 一个用细导线绕制的矩形线圈悬挂于磁隙
图3-16-5所示,其使用方法和注意事项分述如下: (1) 待测电流由面板左下角标有“+”、“-”的两个接线柱 接入(有的是三个接线柱 , 可接“-”和“1”两个接线柱 ),一般 可以不考虑正负。检流计电源插口在仪器背面 ,有AC 220V和AC
6V 两种。在接通电源前 , 要特别注意电源的选择开关应和实际
然后将S2突然断开,观察光标回零的运动方式, 判断它属于哪一
种运动状态。 (此时，应处于欠阻尼运动状态。)
图16-6
灵敏电流计实验电路图
由大到小调节电阻箱R的阻值, 同时再调R0,使光标始终保 持偏转 40 mm 左右。每调一次 , 断开 S2, 观察光标回到零位时的 运动状态。 调节 R 直到光标能迅速回到零点 , 又不超过零点 , 这时电流计处于临界阻尼状态。 记录此时电阻箱的阻值R(实 际测量出的外临界电阻), 则
M0 D0
此时,
M B M0 0, 即NBSIg=Dθ 0。故有
D Ig 0 K 0 NBS
(3 - 16 - 3)
可见，线圈偏转角 θ0 和线圈通过的电流 Ig 成正比例，由线 圈偏转角θ0就可以确定Ig的大小。
线圈偏转角θ0可由前面所述的光源投射到小镜上，再反射 到标尺上的光标所移动的距离d和标尺与小镜的距离L（如图 16-2）求得。由光的反射定律，标尺上读数d与θ0的关系是 d=L· 2θ0，或θ0=d/2L，其中L为标尺与反射镜间距离，代入 （16-3）式有：
实验 灵敏电流计特性的研究
一、 实验目的 (1) 了解灵敏电流计的结构和工作原理。 (2) 了解灵敏电流计的三种运动状态。
(3) 测定灵敏电流计的临界电阻、 电流常数和内阻。
二、 实验仪器 AC15/4型直流复射式检流计、电池、电压表、滑线电阻器、 标准电阻、电阻箱二个、单刀开关二个和导线等。
Rc R Rs
(3 - 16 - 6)
用测量值与电流计铭牌上的Rc值进行比较。 分别取R=0和 R 1 R ,合上S2,调节R0仍使电流计光标保持 c 4 40mm左右的偏转。然后将S2断开, 观察光标回到零位时的过阻 尼运动状态。
3. 测定电流计的内阻和电流常数 实验线路如图3-16-6所示。合上S1和S2,当电压表读数为U
(3) 临界阻尼状态: 当R外适当时,线圈偏离平衡位置后能很 快回到平衡位置而又不发生振动。临界阻尼状态的外电阻称为 电流计的临界阻尼电阻Rc。 显然, 电流计工作在临界状态时, 最有利于观察和读数。
四、 实验内容 1. 灵敏电流计的使用方法结构及面板如图 3-16-4和
外临界电阻Rc=__________Ω 标准电阻Rs=___________ Ω ;
R1=___________ Ω ;
序号 Ri /Ω Ui /V 1 400 2 350 3 300 4 250
d=__________ mm
5 200 6 150 7 100 8 50
求Rg和Ki。将式(3 - 16 - 9)改写成