电磁学实验中的常用基本仪器

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1、 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 练习电路连接、练习曲线作图 分析滑线电阻的制流和分压特性 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

2、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：谨防电源两极短路。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。蓄电池内装有酸性或碱性溶液，不得倾斜更不能翻倒。 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。 图 1 磁电式表头的内部结构 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

3、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1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。 利用表头一般只能测量很小的电流（从十几 A 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

4、电阻。 (2) 电流表 电流表可分为微安表（A ）、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 而成，如图 2 所示。 sR图 2 电流表线路图 总电流 I 中的大部分电流 将流过 ，小部分电流流过表头 G。如果表头的读数要扩大 n 倍，即sIsRgIgnII = ，则 gsRnR11= 式中 为表头的内阻。通常取 n为 10 倍、 100 倍等，故分流电阻 一般为gRRs gR91、gR991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

5、电压 将降落在 Rm上，只有小部分电压 降落在表头的内阻 上。如果表头电压读数要扩大 倍，即 ，则 mUgUgRmgmUU =图 3 电压表线路图 mmR )1(gR=mR通常 取 10 倍，100 倍等，故分压电阻 一般取、 等值。 mgR99gR9(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 mins%A

6、a量程仪器误差限 = 电表的标度尺上的所有分度线的最大误差都不超过ins，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 XAaXEmins%= 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

7、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。 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21101。 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

8、仪表。 3 表 1 电表上的标记符号及意义 名称/ 意义 符号 名称/ 意义 符号 直流表 0.5 级表 0.5 交流表 绝缘试验 电压为 2kV 交直流表 级防御 外磁场能力 电流表 磁电式仪表 电压表 整流式仪表 功率表 调零器 仪表水平放置 接地端钮 与外壳相连接 的端钮 仪表垂直放置 公共端钮 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 1

9、999，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 104M，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 )%( 字nXains+= 式中 为误差的相对项系数， a 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 12 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。 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

10、到数瓦。电位器的外形及电路符4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 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，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

11、定要用制流器在电源电路接通以前，应使电阻取最大值( 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 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，滑线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 滑向那端？) ，电源接通以后再调整其输出

12、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 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） 图 6 滑线电阻用作制流器 E 图 7 滑线电阻用作分压器 E 5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 87654.3(8 10000+71000+6100+5 10+41+3 0.1)。 图 9 电阻箱内部结构图 8 电阻箱面板 其中10000 、1000 、称为倍

13、率，刻在各旋钮边缘的面板上。四个接线柱旁标有 * 、0.9、 9.9、 99999.9等字样，* 与 0.9两接线柱之间的电阻值调整范围为 00.9，* 与 9.9两接线柱之间的电阻值调整范围为 0 9.9，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 电阻箱的主要参数有 6a）b）总电阻 即最大电阻，图 8 所示电阻箱的总电阻为 99999.9。 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0.1档允许通过的电流为 6

14、.11.0/25.0/1= RWI A 用 10000时，允许通过的电流为 005.010000/25.0/2= RWI A 即凡是0.1 档内各种阻值的额定电流均为 1.6A，而10000 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 表 2 实验室常用的开关 名称 电路符号 作用 单刀单掷 按下时电路接通，拉开时电路切断 单刀双掷 （选择开关） 开关倒向的一边线路接通。 双刀双掷 相当于两个同时使用的单刀双掷开关。 换向开关 改变电路中的电流流向。 按键开关 是一种弹性按键开关，按下时

15、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。 电磁测量中的仪器布置和线路连接 7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地把各种仪器连接起来，反之把仪器的连接情况用电路图表示出来。有时电路图因画法和排列不同而形状不同，例如图 10 、 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)(a )(b)(a )(b 图 10 图 11 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（）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