實驗十三 靈敏電流計特性的研究

1、實驗十三 靈敏電流計特性的研究【實驗?zāi)康摹?了解靈敏電流計的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。2掌握測量靈敏電流計內(nèi)阻和靈敏度的方法。3學(xué)會正確使用靈敏電流計?！緦嶒瀮x器】靈敏電流計，直流穩(wěn)壓電源，滑線變阻器，電阻箱，標(biāo)準(zhǔn)電阻，直流電壓表等。【實驗原理】靈敏電流計是一種重要的電學(xué)測量儀器，它的靈敏度很高，用來檢測閉合回路中的微弱電流（約10 -610-10 A）或微弱電壓（約 10- 310- 6V），如光電流、生理電流、溫差電動勢等，更常用作檢流計，如作為電橋、電位差計中的示零器。常見的有指針式、壁架式和光點式等。本實驗研究的是光點式靈敏電流計。1 光點式靈敏電流計的基本結(jié)構(gòu)和工作原理光點式靈敏電流計的結(jié)

2、構(gòu)如圖 2.13.1 所示。在永久磁鐵之間有一圓柱形軟鐵芯，使空隙中的磁場呈輻射狀分布。用張絲將一多匝矩形線圈垂直懸掛于空隙中，在線圈下端裝置了一平面小鏡。從光源發(fā)出的一束定向聚焦光首先投射在小鏡上，反射后射到凸面鏡上，再反射到長條平面鏡上，最后反射到弧形標(biāo)度尺上，形成一個中間有一條黑色準(zhǔn)絲像的方形光斑。當(dāng)有微弱電流通過線圈時，此線圈（及小鏡）在電磁力矩作用下以張絲為軸而偏轉(zhuǎn)，于是小鏡的反射光也改變方向。這個反射光起了電流計指針的作用。由于這種裝置沒有軸承，消除了難以避免的機械摩擦；又由于發(fā)射光線多次來回反射，增加了“光指針”的長度，使在同樣轉(zhuǎn)角下，“光指針針尖”（光斑）所掃過的弧長增加，所以

3、這種電流計的靈敏度得到大大提高。由此可知，光點式靈敏電流計是磁電式電表的一種。因此，通過電流計線圈的電流Ig 與線圈的偏角成正比，由圖 2.13.2 可知，線圈（及小鏡）的偏轉(zhuǎn)角又與光斑的位移 d 成正比，所以，通過線圈的電流 Ig 與光斑的位移d成正比。即Ig=Kd （2.13.1）式中的比例系數(shù) K 稱為電流計常數(shù)，單位是安培毫米，也就是光斑偏轉(zhuǎn) 1 毫米所對應(yīng)的電流值，它的倒數(shù)： （2.13.2）稱為電流計的電流靈敏度，顯然，Si 越大（K 越?。娏饔嬀驮届`敏。要定量的測量電流，就必須知道K或Si的數(shù)值。一般在電流計的銘牌上標(biāo)明了K或Si 的數(shù)值，但由于長期使用、檢修等原因，其數(shù)值往

4、往有所改變，所以使用電流計定量測量之前，必須測定 K 或 Si 的數(shù)值。2靈敏電流計線圈的三種運動狀態(tài)在使用靈敏電流計時我們會發(fā)現(xiàn)，某些情況下，當(dāng)電流發(fā)生變化后，光標(biāo)會來回擺動很久才逐漸停在新的平衡位置上，這樣讀數(shù)很浪費時間。一般的指針式電表，內(nèi)部裝有電磁阻尼線圈，通電流后指針很快擺到平衡位置，上述問題不會引人注意。但靈敏電流計的阻尼問題要求使用者在外部線路解決，這就需要研究一下如何用電磁阻尼控制線圈的運動狀態(tài)。由電磁感應(yīng)定律可知，閉合線圈在磁場中轉(zhuǎn)動時因切割磁力線而產(chǎn)生感生電動勢和感生電流。這個感生電流也要受磁場作用，即線圈受到一個阻礙線圈轉(zhuǎn)動的電磁阻尼力矩M 作用，由電流計內(nèi)阻Rg 和外電

5、阻R外組成的閉合回路總電阻和M 成反比： （2.13.3）由此可見，可以通過改變R外的大小來控制電磁阻尼力矩M 的大小。M 不同，線圈的運動狀態(tài)也不同，按其性質(zhì)可分為三種不同的狀態(tài)：（1）當(dāng)R外較大時，M 較小，線圈作振幅逐漸衰減的振蕩。也就是說，線圈偏轉(zhuǎn)到相應(yīng)位置0處不會立即停止不動，而是越過此位置，并以此位置為中心來回振蕩，需較長時間才能停在平衡位置0處。 R外越大，M 越小，振蕩時間也就越長。這種狀態(tài)稱為阻尼振蕩狀態(tài)或欠阻尼狀態(tài)，如圖2.13.3中曲線1所示。（2）當(dāng)R外較小時，M 較大，線圈緩慢地趨向于新的平衡位置，也不會越過此平衡位置。R外越小，M 越大，達到平衡位置的時間也越長，這

6、種狀態(tài)稱為過阻尼狀態(tài)，如圖 2.13.3 中曲線3所示。（3）當(dāng)R外適當(dāng)時，線圈能很快達到平衡位置而又不發(fā)生振蕩，處于欠阻尼與過阻尼的中間狀態(tài)。這種狀態(tài)稱為臨界狀態(tài)，如圖2.13.3中曲線2所示，這時對應(yīng)的R外叫做臨界外電阻R外臨，R外臨的數(shù)值標(biāo)在銘牌上或說明書中。3測定靈敏電流計的內(nèi)電阻Rg 和靈敏度Si.測量電路如圖 2.13.4，K2合1，電源電壓經(jīng)R0分壓后由伏特表測出，再經(jīng)R2、R3第二次分壓加到電阻箱R1 和電流計G上，使電流計偏轉(zhuǎn)一定的數(shù)值。R2取幾萬歐姆，R3取1歐姆，（RgR1）一般選取幾百歐姆。在計算R3兩端的電壓Ubc時，因為（RgR1）>>R3，且R2>

7、;>R3，Rbc是bc間的電阻應(yīng)為R3與RgR1的并聯(lián)值，故 （2.13.4）由于R3是R2幾萬分之一所以： (2.13.5)通過電流計的電流： （2.13.6）（2.13.6）可以整理為： （2.13.7）式中除和外均保持不變，則它是條直線方程，令,則: (2.13.8)實驗時由R1控制電流計的編轉(zhuǎn)為恒定的數(shù)值d,測出n組（，），可用最小二乘法求出系數(shù)A，B,又R2，R3為已知值，所以： （2.13.9）則電流計的靈敏度Si為： (mm/A) (2.13.10)【實驗步驟】1觀察靈敏電流計的三種運動狀態(tài)與R1的關(guān)系，并確定外臨界電阻值 按圖2.13.4連接電路，取R3：R2=1：300

8、0，預(yù)置等于4倍R外臨(儀器銘牌上注有外臨界阻值，若不知此值，可采用優(yōu)選法逐漸逼近求得)，然后依次置R1等于1/4R外臨和R外臨滑線變阻器置于零輸出處，接通檢流計光路電源，旋鈕撥至“直接”檔，調(diào)零，接通穩(wěn)壓電源，調(diào)至6伏，推動滑線變阻器使復(fù)射式檢流計在三種R1值下分別使光標(biāo)滿偏(=50格)，斷開K2，同時用秒表記錄三種運動狀態(tài)達到平衡位置不動的時間，確定R1 (=外臨界電阻之值)，并畫出三種運動狀態(tài)曲線 2求靈敏電流計內(nèi)阻RG與靈敏度Si以及電流常數(shù)k的值 仍按圖2.13.4連接電路，取R3：R2=0.5：10K，滑線變阻器置于零輸出處，調(diào)節(jié)電源為4伏，將Ubc分別調(diào)為0.5伏、0.6伏、0.

9、7伏、0.8伏、0.9、1.0伏并對應(yīng)調(diào)節(jié)R1，使光標(biāo)每次偏格(50mm)，反向1.0伏依次調(diào)至0.50伏，再得與之對應(yīng)的R1值，取R1二次平均值，（數(shù)據(jù)表格自行設(shè)計）作為R作R與圖線，用圖解出Rg與Ig之值，并計算出Si和K（嚴(yán)格可以用最小二乘法）。3.實驗結(jié)束后置靈敏電流計旋鈕于短路處【儀器描述】AC15 型電流計的面板如圖2.13.5所示。圖中零點調(diào)節(jié)為粗調(diào)旋鈕，固定在標(biāo)尺上的手柄為零點細調(diào)，左右移動它可使光斑準(zhǔn)確對準(zhǔn)零點。面板的左上部有一轉(zhuǎn)換旋鈕（分流器），當(dāng)它指“×1”檔時，靈敏度最高，指“×0.1”和“×0.01”檔時，靈敏度分別降低 1/10 和 1/100，如標(biāo)度盤上找不到光點影象時，可將電流計開關(guān)置于直接處，并將電流計輕微擺動，如有光點影象掃掠時，則可調(diào)節(jié)零點調(diào)節(jié)器，將光點調(diào)至標(biāo)度盤上，當(dāng)光斑晃動不止或搬動檢流計