灵敏电流计特性研究

灵敏电流计特性研究

【实验目的】

1、 了解灵敏电流计的原理和构造；

2、 测定灵敏电流计的阻和电流计常数；

3、 观察灵敏电流计的运动状态与外电阻的关系。

【实验原理】

一、灵敏电流计的构造：

灵敏电流计的构造如下图所示：

在极细并富有弹性的金属丝上面悬挂着小镜子血和线圈C,当线 圈通有电流时，线圈所受到的磁力矩匾和金属丝的扭力矩匾平衡时， 线圈将偏转一个角度，有以下关系：

M\=N\BSJ& (1) M.-DO

(2) M,+M 2=O

(3)

由以上三式可知: 人= ---- 0 (4)

* MBS 】

对于小镜子Mo 在这个结构中发挥的作用：

做工时可以把a 角做得很小，此时小镜子到读数尺的距离为L,可以 有如下的近似关系:

tan(2& + a) = tan 20 ^20 = —

L

由(5)式和(4)式消去角度可得如下结论:

上式中的K 就是灵敏电流计的电流计常数，K 的倒数◎称为电流计的 灵敏度。而K 和Si 仅仅取决于电流计的各个结构参数。

(5)

2N

、BsJ = Kd

(6)

并且注意到，当入射光线到达读数尺之前经过了多次反射，可以进一

步提高电流计的灵敏度，这个时候的灵敏电流计称之为复射式灵敏电流

计。它的灵敏度比通常的灵敏电流计更大。

二、灵敏电流计的阻尼特性：

灵敏电流计由于采用的是悬挂式的线圈结构，所以摩擦阻尼变得特别小，在读书的过程中，有时候会需要很长的时间停下来，所以需要注意灵敏电流计的阻尼特性。

在线圈运动的过程中，竖直的两边切割磁感线，产生感应电动势，这将会

在回路情况下产生电磁阻尼。通过线圈的电流大小为：

.s NBS de”、

R &+心八〃

所受到的电磁阻尼矩为：

EH诜右警(8)

由上式可见，电磁阻尼矩总是可外电阻有关的，因此，可以利用这一点在

实际实验中让灵敏电流计指针迅速停下来。

可以发现，当外电阻为某个临界电阻值的时候，电磁阻尼矩在某个适当

值，会使得指针迅速停下来（曲线III）。如果阻尼矩稍大，线圈将缓慢

的趋于平衡（曲线1【）；如果阻尼矩稍小，线圈将在平衡位置附近来回震荡（曲线I ）。如右图所示:

HI

①当心（取等于仪器铭牌所标心临值的4倍）较大时，P则较小，线圈作振幅逐渐衰减的振动，反映光标需经较长时间，才能停在平衡位置，心越大，卩越小，振动时间也越长，这种状态叫做阻尼振荡，或叫欠阻尼状态，如图8-2中曲线I.

②当心较小时（取心二1/%）, P则较大，线圈缓慢地趋向平衡位置，且不越过平衡位置，心越小，卩则越大，达到平衡位置的时间也越长，这种状态叫做过阻尼状态，如图8-2中曲线II.

③当心适当时，（取% = 线圈能很快达到平衡位置，且不

振动，这是前两种状态的中间状态，叫做临界状态，如图（8-2）中曲线III,这时外电路的电阻值弘，叫做外临界电阻，理论和实际测量都证明，使灵敏电流计工作在略微欠阻尼状态，线圈趋于平衡位置所需时间最短，于是，在实际工作中，往往使外电路的电阻心略大于心临. 因此，实际中只需要选择合适的外电阻，使得电磁阻尼矩处于曲线III 所示的临界状态即可。

灵敏电流计都装有零点调节旋钮，调零时，它能保证电流计在水平位置向任何方向偏离不超过5°时将光斑调整到标尺的零点上。

三、实验测量原理：

实验电路图如右图所示：

满足实验参数的条件下，有如下结论:

数字式电压表示数u=%,并且

B\

应2

1

1000

流过灵敏电流计的电流:

I = -------- - Kn (9)

1000 R + R g

在(9)式中，除了电流I之外，有待测的阻R.和电流计常数K、

U、R和n是可以从电表上读出球的。所以利用(9)式即可测量出待测的阻R,和电流计常数K：

R =以一仏和K= ―(10)

' U'-U?1000〃R +

当U1=2U2 时,R g=R-2^-1

【实验仪器】

AC10/2型直流光点反射式检流计、滑线变阻器、电阻箱、直流稳压电源、数字式电压表、1Q标准电阻等。

【实验数据】

标称值Rg=34 Q ,分度值3.4E-8 A• mm'1

(一)

电阻箱为0.1级

Rg=39.9 Q ；K=3.24E-08 A ・ mm-1

单次测量，忽略a类不确定度，B类Ub/b=0.1 Ul=Ubi=27*0.1%=0.03 Q 同理U2=Ub2=0.04 Q

1

i=Vt/l2 + "22=0.05 U

g

Rg= （38・4±0.05） Q

阻值百分差E=13% 灵敏度百分差E'=5%

（二）回归法（作图法）

数据表相同

•••Rg=41・4Q ； K=3.22E-8 A • mm'1

阻值百分差E=22%灵敏度百分差E'=5%

(三)替代法

R=35・0Q百分差E=2.9%

（四）观察灵敏电流计运动状态与外电阻的关系

可以发现，在R 8和R=0时电流计指针归零所需时间远大于R R临时。【误差分析】

出现问题：可发现替代法（三）中的结果与标称值较为接近，而（一）、（二）中实验结果与标称值偏差较大。

可能原因：1、分析电路图可发现测量电阻时，前者包含了单刀双掷开关的电阻，后者不包括。在实验中，更换开关进行实验时，是有发现电流大小有较为明显的变化，猜测单刀双掷开关的电阻不可忽略。同时，实验中闭合电流计两断开关（短接电流计）时，电流计示数不为0,猜测部分导线老化，电阻同样不可忽略。所得电阻包含了这两部分的电阻，所以使结果偏大。