第二章 电学仪器-高中物理实验仪器配备与使用

二 !!!!!!!!! 电学仪器 ! 第一节 ! 灵敏电流计 ! !! 一! 电流计的结构与原理 U&'4&, 型灵敏电流计具有测量机构灵敏度高+结构合理+使用方便等特点$可 供中学物理分组实验用$检查+判定直流电路中是否存在微弱的电流或电势差$同 时也可用于某些实验时的演示(如用作电桥测量+温差电偶+电磁感应及光电效应 等$其外形如图 %/' 所示( !一" 结构的基本构件 灵敏电流计的外形如图 %/' 所示$其由刻度盘+蹄形磁铁+极靴&极掌'+圆柱形 软铁芯+矩形铝框+两片游丝&螺旋弹簧'+指针+调零装置等组成$如图 %/% 所示( 图 %/' !!! '$ 刻度盘2 %$ 指针2 1$ 零点调节螺丝2 4$ 矩形 铝框2 ($ 游丝2 0$ 圆柱形软铁芯2 -$ 极靴&极 掌'2 .$ 蹄形磁铁( 图 %/% !二" 构件介绍 '$ 蹄形磁铁#蹄形磁铁两极产生的磁场为电流表内部磁场的来源( $( 第二章 ! 电学仪器 ! %$ 极靴(极靴也叫极掌$金属材质$为蹄形磁铁的延伸(蹄形磁铁两极的内 侧为平直的$造成两极间同一水平面不同位置的磁感应强度不同$从而导致放置其 间的线圈偏转时所受的磁场力不仅与通入的电流有关$还会受磁场强度的影响( 图 %/1 这就会影响到对通入的电流大小判断的准确性( 要保证线圈在偏转过程中磁感应强度大小处处相 等$也就是要保证圆周上的各点磁感应强度大小 相同(极靴的内侧面为弧形$其产生的磁力线如 图 %/1 所示( 1$ 圆柱形软铁芯(它利用了磁化原理$充当 蹄形磁铁产生的磁场的圆心$使磁力线方向通过 圆心( 4$ 矩形铝框(可从两个角度来理解此器件(第一$它是一个矩形框$为导线 绕成线圈提供支架(第二$铝作为一种金属$其表面能形成涡流(当电流表不通电 时$如果电流表晃动$其指针也会晃动$指针晃动就存在磨损$要减小指针晃动$就 采用铝框&铝框有宽度$而线圈的每一根导线不考虑宽度'(在蹄形磁铁磁场转动 时$通过任选的区域的磁通量会改变$会形成涡流$而涡流所受的磁场力会阻碍铝 框继续转动$这也是电磁阻尼的一种( ($ 转轴(穿过铁芯$上面固定着各种器件$也是各器件发生作用的桥梁&如矩 形铝框带动转轴转$转轴又带动指针转'( 0$ 游丝(游丝也称螺旋弹簧$由金属制成&能导电'$且中心为内桩$内桩固定 在转轴上$其外圈末端与调零装置相连&详见调零装置介绍'(电流表的游丝有两 片$分别固定在铁芯两侧$且盘旋方向相反$即从内桩出发$一片逆时针旋转$一片 顺时针旋转(当转轴旋转时$一片会收紧$一片会放松$但两片游丝的作用都是阻 碍转轴旋转(游丝的弹力就是用来阻碍形变的$而这个形变包含收紧和放松(无 论是收紧还是放松$都能起到同样的效果(为什么两片游丝要一个收紧$一个放 松$为什么不都收紧或都放松呢/ 原来$这两片游丝是线圈电流的接入和接出导线 &只不过该导线是螺旋的'$游丝通有电流$便会产生磁场$而这磁场或多或少会影 响蹄形磁铁的磁场$若这两片游丝电流的方向不同$产生的磁场方向不同$其影响 便能相互抵消$问题也就迎刃而解了( -$ 指针(指针固定在转轴上$与线圈平面垂直(矩形铝框转$转轴转$指针转( .$ 平衡重(不难发现$指针的绝大部分是悬空的$那么指针就会有倾斜的趋 势$就可能与表盘摩擦$造成磨损和读数不准(于是$在指针与转轴的连接处&指针 基部'加上一个平衡重$既能减弱指针倾斜趋势$也能起到较好的固定作用&指针的 另一侧往往有空气阻尼器$也有平衡重力的作用$但其主要是利用空气的黏滞性$ 阻碍指针的持续转动$使指针能较快地指定某一读数'( $) ,$ 调零装置(调零装置由两部分组成$分别为调零导杆和零点调零螺丝(零 点调零螺丝也就是我们在电流表表面所看到的旋钮$而调零导杆主要起连接转轴 和零点调零螺丝的作用(游丝的外端旋绕固定在该螺丝上$当转动螺丝$固定在其 上的游丝也跟着旋转收紧$带动游丝内侧也旋转$而游丝内侧是固定在转轴上的$ 转轴一转$指针便转(我们常说旋转调零螺丝就是为了拉紧游丝( !三" !"#$"% 型灵敏电流计的内部电路图 U&'4&, 型灵敏电流计的电路图如图 %/4 所示( 图 %/4 !四" !"#$"% 型灵敏电流计的工作原理 电流由接线柱流入$经过游丝$再进入线圈$于是线圈受磁场力转动$但不能无 限转动$所以游丝会产生反作用力$当磁场力力矩与游丝的反作用力力矩相等时$ 指针渐渐停了下来(在减缓过程中$不仅游丝有反作用力$铝框和空气阻尼器也有 反作用力&与游丝相比$反作用力微小$可忽略不计'( 设线圈的非切割边长为 B $切割边长为 $ $磁场力为 : $转动角度为 $ $磁感应 强度为 4 $通入线圈的电流为 2 $则磁场力力矩为 C ' S:BS42$B 游丝反作用力力矩为 C