静电计与电压表浅析

静电计与电压表浅析

曾超

一、例析“静电计”与“电压表”在电路中的差异

“静电计”与“电压表”尽管构造原理及在电路中的作用差异很大，但是由于都可以用来测电路中的电压，学生往往对它们混淆不清，从而在解题中出现了各种各样的错误，尤其是“静电计”与“电压表”在同一电路中同时出现时，学生更是无所适从。为此，笔者撰写本文，例析一下二者间的差异，还“静电计”与“电压表”一个本来面目。静电计和电压表都是测量电势差的仪器,它们可以相互代换使用吗? 静电计的构造如图1,当金属杆和金属壳间有电势差时,杆与壳间便形成一电场,与杆活动的连接着的金属指针在电场力作用下发生偏转,从而显示出这个电势差.这个过程并没有电流通过静电计,因而杆与壳间的电势差不会因有电流通过而变化.中学实验室中的静电计多用于静电实验,静电可产生很高的电压,如几千伏甚至几万伏,所以静电计的量程设计的很高,用摩擦带电的玻璃棒或橡胶棒接触它的金属杆,指针会明显偏转,但用它测低电压如几伏或几百伏,指针几乎不动.用静电计测交流电,即便是高压

交流电,由于杆与壳间电场方向变化的频率远远高于指针系统的机械固有频率,指针也是不会偏转的.总之,静电计能测高电压,不能测低电压,能测直流不能测交流.高中物理教材（人教版）在研究影响平行板电容器电容大小的因素时用到了静电计，而课本对静电计的知识介绍得

又很少，为了能使学生学好这部分内容，我认为有必要对学生讲清以下几个问题：

一、静电计的结构

一般中学实验室常用的都是布劳恩静电计（如图1所示）。它的结构是在一绝缘底座上装一鼓形的金属壳，壳前面是透明玻璃，后面装有带刻度的毛玻璃，在金属壳中安装一金属杆，杆与金属壳绝缘，上端为金属球，下部的水平轴上装有金属指针（可以绕水平轴灵活转动）。

二、静电计的工作原理

一个静电计的电容大小由金属壳、金属杆及指针的几何尺寸和它们的相对位置决定。因指针的转动对静电计电容的影响很小，以至于可忽略不计，因此，一个静电计一旦做好，就可以认为其电容的大小是不变的。当这个电容器两个极板带上等量异种电荷后，指针上的电荷将受到金属杆上的与它同种的电荷及金属壳上与它异种的电荷的电场力而使指针偏转，这个电容器带电越多，指针偏转角度就越大。根据C=，可知U=。对静电计来说，带的电荷越多，两极间电势差越大，指针偏转角度就越大，可见，静电计指针的偏转角度能反映静电计两极间的电势差大小。

二、

磁电式电流表，以及由它改装成的电压表和欧姆表，在电磁测量中用得最为广泛。磁电式电流表的构造如图6－4所示。它由三大部分组成。

（1）磁场部分

在马蹄形永久磁铁的两极，连接一对极掌，两极掌之间形成一个筒形孔腔，在腔的中央固定着一个圆柱形铁芯，于是极掌和铁芯之间的空隙就存在着如图6－5所示的辐射状磁场。因为极掌与铁芯间的空隙很狭窄，所以可近似认为其间的磁场分布均匀，磁感线沿着铁芯的径向呈辐射状。

（2）线圈与指针

线圈置于辐射状磁场中，指针固定在线圈上，可与线圈一起转动。指针尾端

装有平衡物。

（3）游丝与调零装置

游丝有两盘，相互反绕。其外端分别焊在上、下两个调零导杆上；内端焊在与线圈相连的内桩上，将电流导入和导出线圈。装好刻度盘，当指针不指零时，可调上、下两个调零导杆，上面的调零导杆通常是通过电表壳外的调零螺丝进行

调节。

磁电式电流表是利用载流矩形线圈在磁场中受力偶矩转动的原理制成的。当被测电流通过电流表线圈时，线圈在辐射状磁场中受到力偶矩的作用，带动指针一起偏转。但这个力偶矩不随转角变化。如果通入线圈中的电流为I，线圈的面积为S，其匝数为N，磁场的磁感应强度为B，则力偶矩为

M＝NBIS

在这个磁力偶矩M的作用下，线圈绕轴转动。与此同时，一盘游丝被扭紧，另一盘游丝被放松，对线圈施加一个反向弹性力偶矩。当线圈相对平衡位置转过

α角时，弹性力偶矩为

Mα＝Kα

式中的K为游丝的扭转弹性系数。线圈转过α角后静止时，则有

M＝Mα

NBLS＝Kα

由上式可以得到

α＝（NBS／K）I

令S

＝NBS／K，则

1

α=S1I

称作电流表的“电流灵敏度”，它表示电流表线圈中通过单位电通常把S

1

流时，线圈偏转角的大小。电流灵敏度的大小，由电表本身的构造所决定，从公I可以看出，线圈转角α的大小，与线圈中的电流I成正比。因此，磁式α＝S

1

电式电流表就可以根据指针偏转角的大小，来确定被测量的电流的大小。

磁电式电流表满偏电流一般在10μA左右，教学用的大型演示电流表满偏电流在1mA 左右。因此，没做改装的磁电式电流表通常用来检测微小电流用，常把它称作“检流计”，在刻度盘上用字母“G”表示。检流计的“0”点通常是在刻度盘的中央，电表的指针可左右摆动。