電流表的保護(hù)改進(jìn)初探

1、電流表的保護(hù)改進(jìn)初探韋宏軍（天津理工大學(xué) 理學(xué)院）指導(dǎo)老師：張保立摘要目前，伏安特性這一實(shí)驗(yàn)是全國(guó)各高等院校普通物理實(shí)驗(yàn)中非常重要的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，而實(shí)驗(yàn)過(guò)程中電流表是一個(gè)必不可少的測(cè)量工具，但是這一實(shí)驗(yàn)在實(shí)際操作中存在諸多不足之處。比如說(shuō)實(shí)驗(yàn)中電路調(diào)整不當(dāng)或者其他因素使得高精度電流表?yè)p壞，影響實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的同時(shí)，造成經(jīng)濟(jì)資源的損失。我們的課題旨在通過(guò)研究和實(shí)驗(yàn)，用整流二極管對(duì)電流表進(jìn)行一定的電路改裝改裝，從而使得高精度電流表在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不會(huì)造成指針損壞和電表的線圈燒毀，這樣大大延長(zhǎng)了儀表的使用年限，同時(shí)節(jié)省各實(shí)驗(yàn)室的經(jīng)費(fèi)支出。關(guān)鍵詞.科技立項(xiàng) .物理學(xué)-實(shí)驗(yàn)-高等學(xué)校 .伏安法目錄摘要2關(guān)鍵詞2目錄3

2、1.電流表實(shí)施安全改進(jìn)的必要性 41.1. 當(dāng)前各高校的電流表使用現(xiàn)況 41.2. 電流表使用出現(xiàn)得常見(jiàn)問(wèn)題 41.3. 研究課題的提出42. 改裝方案中所用部件的原理及特性概述 42.1. 電流表的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理 42.2. 整流二極管的導(dǎo)電特性 53. 電流表保護(hù)改進(jìn)設(shè)計(jì)及原理闡述63.1. 改進(jìn)方案的電路圖及其原理闡 63.2. 改進(jìn)方案的誤差分析 74.本研究成果的意義 84.1.實(shí)用價(jià)值84.2.經(jīng)濟(jì)價(jià)值8鳴謝 8參考資料 81.電流表實(shí)施安全改進(jìn)的必要性11. 當(dāng)前各高校的電流表使用現(xiàn)況 眾所周知，電流表作為一個(gè)測(cè)量?jī)x表，在各種電學(xué)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中都是一個(gè)不可缺少的部件，現(xiàn)存

3、市面上大體分為兩大類(lèi)即普通模擬安培表和數(shù)字電流表。但是現(xiàn)階段各高校以及中學(xué)生的各類(lèi)電學(xué)實(shí)驗(yàn)所用的電流表均為模擬安培表，另一方面模擬安培表是在電磁理論的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)制造出來(lái)的，而其原理又是學(xué)生物理課程中所要求必須熟知和掌握的，還有就是模擬安培表牽扯到一系列改裝實(shí)驗(yàn)，尤其是學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。綜上，現(xiàn)階段包括以后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，各高校包括中小學(xué)的實(shí)驗(yàn)室中在電流表這個(gè)行列中模擬安培表就助于主流地位。12. 電流表在使用過(guò)程中常見(jiàn)的問(wèn)題對(duì)于電流表（這里以及下文中除申明外出現(xiàn)得電流表均指模擬安培表）的使用相信大家都并不陌生，即使用過(guò)程中將電流表與被測(cè)元件串聯(lián)，選擇合適的量程，正確讀數(shù)記錄即可?？此七@并不復(fù)雜，

4、但是，在電流表的實(shí)際使用過(guò)程中問(wèn)題卻并不少見(jiàn)，常見(jiàn)的問(wèn)題輕者有隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)，儀表的精度逐漸降低，重者有電流表指針打彎或打斷，更有甚者電流表表頭線圈燒毀，至于出現(xiàn)上述狀況的原因大概來(lái)自兩方面，其一為認(rèn)為因素，包括使用儀表過(guò)程中錯(cuò)誤判斷量程或者誤將儀表的正負(fù)極接反，其二就是自然因素，比如電路中由于設(shè)備的故障導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)電路中電流過(guò)大等等。至于從作用效果分析呢，導(dǎo)致電流表?yè)p壞的因素有兩個(gè)：電路中電流過(guò)大。電流表的正負(fù)極錯(cuò)誤的反接。13. 研究課題的提出基于1.1和1.2提出的問(wèn)題呢我們提出了我們的研究課題電流表的保護(hù)改進(jìn)初探，我們的課題旨在對(duì)傳統(tǒng)的模擬安培表做一些簡(jiǎn)單的改進(jìn)設(shè)計(jì)，使得當(dāng)在實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)

5、人為地錯(cuò)誤操作或者非正常的自然因素時(shí)能對(duì)電流表起到一定的保護(hù)作用，或者說(shuō)不至于儀表發(fā)生偏差或者損壞。不難發(fā)現(xiàn)，我們的所做的改進(jìn)必須要符合以下要求：所有的改進(jìn)方案必須要保證在不改變?cè)袃x表的精度或者說(shuō)差生的偏差必須在實(shí)驗(yàn)要求的誤差允許范圍之內(nèi)，因?yàn)槲覀兯幚淼膶?duì)象是測(cè)量?jī)x器，如果我們改裝后的電流表所測(cè)量的數(shù)據(jù)達(dá)不到測(cè)量的要求，那么我們的改裝設(shè)計(jì)也就沒(méi)有任何意義可談了。我們所改裝后的的電流表得在當(dāng)出現(xiàn)非正常情況時(shí)確確實(shí)實(shí)能起到自我保護(hù)的功效，否則所謂的改進(jìn)就形同虛設(shè)了。所有的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案中用到得材料部件要易找，廉價(jià);改進(jìn)方案在付諸實(shí)踐的過(guò)程中操作要簡(jiǎn)單，做工要求不高，這樣才能為大家都所接受，所普及

6、，真正的服務(wù)于大家。2.改裝方案中所用部件的原理及特性概述2.1電流表的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理電流表的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也并不復(fù)雜，大體上說(shuō)是由一個(gè)靈敏電流計(jì)表頭和一個(gè)電阻并聯(lián)而構(gòu)成的，電路圖如下：我在這里首先說(shuō)的是電阻R及其R與儀表的量程及其精度的關(guān)系，為了敘述方便我們?cè)O(shè)I為電流表的滿偏電流，即量程，和分別為電流表表頭的滿偏電流和電阻，則他們有如下關(guān)系：從上式不難發(fā)現(xiàn)，電流表的量程I和1/R成正相關(guān)，同時(shí)：R偏大時(shí)，測(cè)量值偏大;R偏小時(shí)，測(cè)量值偏?。涣砍淘叫。瑑x表的精度越高。而作為電流表內(nèi)部主要組成部分的表頭即靈敏電流計(jì)的結(jié)構(gòu)如下圖所示：我在這里之所以提出電表表頭的結(jié)構(gòu)呢并不是是要闡述其工作原理，因?yàn)槠涔ぷ髟?/p>

7、和我們今天的課題并沒(méi)有太大的直接關(guān)聯(lián)，而是我在1.2中提到的電流表在使用過(guò)程中的發(fā)生的損壞全部集中在電流表的表頭上。上文提到的電流表燒毀呢就是指的上圖中1損壞，二電流表的精度之所以會(huì)降低是因?yàn)榕ち^(guò)大使得上圖中的結(jié)構(gòu)7游絲的形變超過(guò)了其彈性形變限度。2.2整流二極管的導(dǎo)電特性下圖是鎮(zhèn)流二極管的伏安特性曲線圖：二極管最重要的特性就是單方向?qū)щ娦浴Ｔ陔娐分?，電流只能從二極管的正極流入，負(fù)極流出。下面我分別具體說(shuō)明二極管的正向特性和反向特性。 正向特性。 在電子電路中，將二極管的正極接在高電位端，負(fù)極接在低電位端，二極管就會(huì)導(dǎo)通，這種連接方式，稱為正向偏置。必須說(shuō)明，當(dāng)加在二極管兩端的正向電壓很小時(shí)

8、，二極管仍然不能導(dǎo)通，流過(guò)二極管的正向電流十分微弱。只有當(dāng)正向電壓達(dá)到某一數(shù)值（這一數(shù)值稱為“門(mén)檻電壓”，鍺管約為0.3V，硅管約為0.7V）以后，二極管才能直正導(dǎo)通。導(dǎo)通后二極管兩端的電壓基本上保持不變（鍺管約為0.3V，硅管約為0.7V），稱為二極管的“正向壓降”。 反向特性。 在電子電路中，二極管的正極接在低電位端，負(fù)極接在高電位端，此時(shí)二極管中幾乎沒(méi)有電流流過(guò)，此時(shí)二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，這種連接方式，稱為反向偏置。二極管處于反向偏置時(shí)，仍然會(huì)有微弱的反向電流流過(guò)二極管，稱為漏電流。當(dāng)二極管兩端的反向電壓增大到某一數(shù)值，反向電流會(huì)急劇增大，二極管將失去單方向?qū)щ娞匦?，這種狀態(tài)稱為二極管的擊

9、穿。3.電流表保護(hù)改進(jìn)設(shè)計(jì)及原理闡述3.1改進(jìn)方案的電路圖及其原理闡下圖前者為電流表原電路，后者為我們改進(jìn)后的電流表內(nèi)部電路圖： 改進(jìn)后： 對(duì)比兩個(gè)電路圖不難發(fā)現(xiàn)，我們所做的改進(jìn)非常簡(jiǎn)單，就是在原電流表的基礎(chǔ)上將兩個(gè)二極管分別正反向與電表的表頭并聯(lián)。下面我來(lái)闡述其工作原理： 電流表的正負(fù)極接法正確，當(dāng)通過(guò)電流表的電流較小時(shí)，也就是說(shuō)在正常的量程以內(nèi)時(shí)，此時(shí)對(duì)于二極管而言，兩端的電壓小于死區(qū)電壓（硅管是0.5V，鍺管是0.1V）時(shí)，通過(guò)二極管的電流id0，此時(shí)電流表正常工作；但是當(dāng)電路中的電流過(guò)大即已經(jīng)超過(guò)電表的量程時(shí)，二極管兩端的電壓也達(dá)到其導(dǎo)通電壓（硅管0.7V，鍺管0.3V）時(shí)，我們觀察2

10、.2中的二極管伏安特性圖可得出，二極管的電流隨著兩端電壓的增大而增大的特別快，也就是說(shuō)二極管的電阻變得非常小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電流表表頭的內(nèi)阻，此而時(shí)表頭中的電流就近乎為零，從而起到了保護(hù)電流表的作用。當(dāng)誤將電流表正負(fù)極反接時(shí)二極管會(huì)和上述情況一樣起到分流從而達(dá)到保護(hù)電表不受損目的的作用。3.2改進(jìn)方案的誤差分析理論分析我們?cè)诟难b儀表的過(guò)程中已經(jīng)對(duì)儀表的精度產(chǎn)生了一定的影響，不難發(fā)現(xiàn)我們?cè)诟难b的過(guò)程中相當(dāng)于無(wú)形中減小了電流表中于表頭并聯(lián)電阻R的值，我們?cè)谏衔?.1中也已經(jīng)分析過(guò)，R偏小時(shí)儀表測(cè)量值偏小，所以經(jīng)我們改裝后的電流表表在實(shí)驗(yàn)中得出的數(shù)值會(huì)較真實(shí)值相較偏小。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)?zāi)康模候?yàn)證改裝前后的電流

11、表是否會(huì)產(chǎn)生明顯的實(shí)驗(yàn)誤差實(shí)驗(yàn)用品：學(xué)生電源，滑動(dòng)變阻器，電阻箱改裝后的電流表，標(biāo)準(zhǔn)電流表，開(kāi)關(guān)，導(dǎo)線若干。實(shí)驗(yàn)電路：R為電阻箱，a為改裝后的電表，A為標(biāo)準(zhǔn)電表 實(shí)驗(yàn)步驟：1. 按電路圖連好線路，檢查線路，接通電源，打開(kāi)開(kāi)關(guān)。2. 將R的值定到300歐姆，調(diào)節(jié)P，使得A的數(shù)值達(dá)到50微安，記下a的度數(shù)。依次定R為350，400歐姆，調(diào)節(jié)P使得A均為50微安，并依次記下a的讀數(shù)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：49.949.650.150.049.849.94.本研究成果的意義4.1實(shí)用價(jià)值我們已經(jīng)在1.1中敘述過(guò)現(xiàn)階段的各高校的實(shí)驗(yàn)室中所用電流表均為模擬安培表，并且意識(shí)到對(duì)電流表的安全改裝時(shí)很有必要的，下面我們就來(lái)

12、具體分析一樣我們的課題成果是否達(dá)到了1.3中提到的幾個(gè)要求：首先第一個(gè)要求為改裝后的儀表的系統(tǒng)誤差不能超出測(cè)量要求的誤差，我們從3.2中的實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)來(lái)看我們的改裝后的電流表所產(chǎn)生的誤差完全無(wú)核測(cè)量要求：其次第二個(gè)要求為改裝表在電路異常時(shí)確實(shí)能產(chǎn)生自我保護(hù)。而我們從3.1的結(jié)論來(lái)看完全也達(dá)到了這個(gè)要求，同時(shí)我們經(jīng)過(guò)了多次試驗(yàn)，確實(shí)也達(dá)到了預(yù)期效果，這個(gè)我們將在實(shí)物展示中加以演示；最后一個(gè)要求就是改裝過(guò)程要盡可能簡(jiǎn)單，方便，同樣我們從3.1的改裝過(guò)程來(lái)看，一般的實(shí)驗(yàn)條件均能滿足改裝要求，綜上，我們的這個(gè)成果在付之實(shí)踐的過(guò)程中完全具有相當(dāng)大的實(shí)用價(jià)值。4.2經(jīng)濟(jì)價(jià)值在將我們的這個(gè)成果付之實(shí)踐的過(guò)程中用到了為兩個(gè)二極管，工具為各個(gè)實(shí)驗(yàn)室均具備的電咯鐵，如是而已，也就是說(shuō)只要打開(kāi)現(xiàn)有的電流表的后蓋，稍微動(dòng)動(dòng)手將二極管焊