实验七灵敏电流计特性的研究

实验七灵敏电流计特性的研究
实验七灵敏电流计特性的研究
一、实验目的
1.了解灵敏电流计的基本结构和基本原理,学习其使用方法。

2.测定灵敏电流计的电流常量、内阻和外临界电阻，掌握控制其工作状态的方法。

二、实验原理
1、灵敏电流计的基本结构
灵敏电流计是一种高灵敏度的测量仪表，它的基本结构如图30-1所示。

在永久磁铁、极之间，安置一个柱形软铁芯，使磁极与软磁芯之间产生均匀的径向磁场，矩形线圈用一根金属悬丝悬挂起来，该金属悬丝不仅作为线圈电流的进出引线，还作为线圈旋转的转轴。

当线圈通有电流时，线圈在磁场中受到磁力矩而发生偏转，同时悬丝被扭转而产生反方向的弹性扭力矩。

在偏转角为时，磁力矩和弹性扭力矩相等，线圈就达到平衡。

在悬丝上粘附一面小圆镜，它把光源射来的光反射到一个弧形标尺上，并形成一光标，如图30-2所示。

设当没有电流通过线圈时，反射光的光标位于弧形标尺的“0”点上。

当有电流通过线圈时，光标指在标尺刻度上。

可以证明，电流的大小与光标偏转的长度
成正比，即
（30-1）
式中比例常量称为灵敏电流计的电流常量，它在
数值上等于光标移动一个单位长度时所通过的电
流。

在国际单位中，其单位为安[培]每毫米，记为。

电流常量的倒数称为灵敏电流计的灵敏度,记为。

显然灵敏度
愈大，灵敏电流计就愈灵敏。

2、线圈运动的阻尼特性
在使用灵敏电流计时，我们常会看到，当通过灵敏电流计的电流发生变化时，光标会摆动很久才逐渐地停在新的平衡位置上，这时读数很费时间。

一般指针式电表由于内部装有磁阻尼线圈，通电后指针很快摆到平衡位置上，而不来回摆动。

灵敏电流计却不可以用这种方法，它的阻尼问题需要借助于外电路来解决，因此需要研究灵敏电流计线圈运动的阻尼问题。

根据电磁感应定律，线圈在磁场中运动，由于切割磁力线而产生感应电动势，相应的感应电流与磁场相互作用而产生阻止线圈运动的电磁阻尼力矩，它的大小与回路的总电阻（电流计内阻与外电阻之和）成反比，即
（30-2）
由上式可见，通过调节外电路电阻的大小，就可控制阻尼力矩的大小，从而控制线圈的运动状态。

⑴.当较大时，较小，线圈作来回减幅振动，需要经过较长
时
间才能停在新的平衡位置上，这种运动状态称为阻尼
振荡（或欠阻尼）状态，如图30-3曲线Ⅰ和。

⑵.当较小时，较大，线圈缓缓地趋向新的平衡位置。

这种
状
态称为过阻尼状态，如图30-3曲线Ⅱ和。

⑶.当等于某一定值时，线圈很快达到平衡位置又不发生振
荡。

这是介于前二种状态的中间状态，称为临界阻尼状态，如图30-3曲线Ⅲ和。

这时对应的外电阻称为灵敏电流计的临界外电阻，记为。

从上述讨论可见，为了便于测量，我们总是使灵敏电流计处于临界状态或接近临界状态下工作。

本实验的内容之一，就是测量灵敏电流计的临界外电阻。

当灵敏电流计开路时，阻尼很小，光标在标尺零点附近长时间的左右摆动不停，这是实验中不希望发生的。

为此在灵敏电流计两端并联一个按键开关，如图30-4所示。

按下按键，使灵敏电流计短路（外电阻为零），光标就很快停下来，这个按键通常称为阻尼开关。

3、测量电路
实验电路如图30-4所示。

电源电压经过两次分压，在小电阻上得到极小的电压，设通过灵敏电流计的电流为，电压表上的电压为
，在≤,≤的情况下，有
（30-3）
将式（30-1）代入上式，化简可得
（30-4）
上式表明，在、和不变的情况下，电阻与光标偏转的长度成反比，与电流计的电流常量成反比。

在保持电压，电阻和不变的情况下，改变电阻的大小，就可以得到一组相应的光标偏转长度的数值。

以光标偏转长度的倒数为横坐标，以电阻为纵坐标，作图线。

该图线为一条直线。

从图线中求出直线的斜率，则灵敏电流计的电流常量为
（30-5）
求出直线的截距，则灵敏电流计的内阻为
（30-6）
三、实验仪器
型直流复射式检流计，电阻箱，电压表，滑线变阻器，高精度稳压电源，按键开关，双刀双掷开关，单刀开关。

本实验以型直流复射式检流计作为所研究的灵敏电流计，其面板图如图30-5所示。

该检流计用的是光影法读数系统，为使仪器在较小的内壳里有较高的灵敏度，由光源发出的一束光经过悬丝上的小镜和多面平面镜及球面镜多次反射后，再投影到标尺上，由投影到标尺上的光影（称为光指计）的位置来读数。

检流计所用照明电源有两种，一种是220，另一种是6.3。

检流计设有零点调节器和标盘活动调零器。

零点调节器为零点粗调，标盘活动调零器为零点细调。

检流计有一个“分流器”，分为“短路”、“直接”、“×1”、“×0.1”、“×0.01”档，测量时应从最低灵敏度开始，若偏转不大，则可逐步转到高灵敏度测量，“×0.01”档为最低灵敏度档。

为防止检流计悬丝、导电游丝因受机械振动而损坏，设有“短路”档，平时应将分流器设置在“短路”状态。

四、实验内容
<一>、调节灵敏电流计
1.将电源开关置于220V档，接通电源。

2.当指示光标出现后，将“分流器”置于“”档。

转动“零
点
调节”旋钮，将光标调至标尺零点附近（以内），微调“标盘活动调零器”，使光标与标尺零点重合。

<二>、观察灵敏电流计的三种运动状态，测量临界外电阻
1.按图30-4接好电路，开关、处于断开状态，经教师检查
后
方可接通电源。

的阻值先取临界外电阻（由仪器铭牌上读取）的倍，＜10Ω。

取几千欧姆数量级（一般取）。

2.合上开关，调节滑线变阻器使电压表读数为零。

然后再合
上
，调节滑线变阻器缓缓增加电压，同时观察光标的运动，直至光标大约偏转到满刻度的一半时，断开，观察光标振动情况。

当光标经过零点刻度时，立即按下断路开关，使光标迅速回到零点位置。

如果光标静止后，零点不对正，应再次调整零点。

然后反向接通开关
，重复上述观察。

停在零刻线上。

反向接通，重复上述实验。

3.测定外临界电阻
先使较大，并使光标偏转到标尺满刻度的一半左右。

断开，观察光标振荡情况，然后使减小（同时减小电压，使光标不至超过满刻度），直到减小到光标的振动呈临界阻尼状态，即光标很快回到零刻线且不发生振动又恰好不超过零刻线，这时灵敏电流计处于临界阻尼状态。

记下此时的值，则外临界电阻。

要注意在适当的范围内改变的大小，从而找到光标从同一偏转位置回零时间最短的的阻值。

4.再减小的值，断开，观察光标的过阻尼状态。

此时光标
以
非常缓慢的速度趋向于零刻线。

<三>、测量电流计的电流常量和内阻
1.将“分流器”置于：“×1”档，调节滑线变阻器，使光标
偏转
接近满刻度。

2.将电阻的值和光标偏转记入表30-1中，开关换向，使
光
标反向偏转，记取光标偏转。

取其中均值，以消除悬丝左右扭转时不对称带来的影响。

3.使每次增加（由实验室给出），共8次，重复步骤2。

4.以光标偏转长度的倒数（1/）为横坐标，电阻R2为纵坐标，作图线。

从图线中求出直线的斜率和截距，据式（30-5）
和式（30-6）分别求出电流计的电流常量和内阻。

五、数据处理
表30-1 测量灵敏电流计电流常数和内阻
直线的斜率= ；直线的截距= Ω；
电流常量= ；内阻= Ω。

六、注意事项
1.测量中若光标振荡不停，可用按键开关，使电流计受到阻尼。

2.在改变电路，使用结束和移动电流计时，均应将电流计的“分
流
器”置于“短路”档，使电流计处于短路状态。

3.接通电源后，若在标尺上未出现光标时，可将“分流器”置于
“直
接”档，并将电流计轻微摆动，如有光标影象扫掠，则可调节“零点调节器”，使光标调至标尺上。

【思考题】
1.与指针式检流计相比，直流复射式检流计具有较高灵敏度的原
因
有哪些？
2.为什么在搬移检流计时，要使检流计处于短路状态？。