高二物理教案實(shí)驗(yàn)七 靈敏電流計(jì)研究

PAGE80實(shí)驗(yàn)九靈敏電流計(jì)的研究PAGE79實(shí)驗(yàn)九靈敏電流計(jì)的研究【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?、通過(guò)對(duì)靈敏電流計(jì)參數(shù)的測(cè)定，了解靈敏電流計(jì)的構(gòu)造及工作原理。2、掌握靈敏電流計(jì)的使用。3、掌握換向開(kāi)關(guān)的用法。【實(shí)驗(yàn)儀器】直流穩(wěn)壓電源，變阻器，電阻箱，靈敏電流計(jì)，數(shù)字萬(wàn)用表，換向開(kāi)關(guān)等【實(shí)驗(yàn)原理】靈敏電流計(jì)簡(jiǎn)稱電流計(jì)，是一種高靈敏度的儀表，可以用來(lái)測(cè)量微小電流（10-6～10-10A）或微小電壓（10-3～10-6V）。在電橋、電位差計(jì)等儀器中用電流計(jì)作指零儀器，根據(jù)電流計(jì)中有無(wú)電流通過(guò)，判斷電流計(jì)兩端的電位是否相等，所以靈敏電流計(jì)又叫檢流計(jì)。使用靈敏電流計(jì)時(shí)必須考慮它的四個(gè)參數(shù)，即內(nèi)阻、臨界外阻、分度值及臨界阻尼時(shí)間。在電流計(jì)的銘牌上都標(biāo)有這四個(gè)參數(shù)的值，但由于長(zhǎng)期使用，這些值往往會(huì)有些變化，所以用它作定量測(cè)量時(shí)必須重新測(cè)定。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)不但要掌握測(cè)定這些參數(shù)的方法，還要進(jìn)一步掌握電流計(jì)的特性和使用方法。圖9-1靈敏電流計(jì)結(jié)構(gòu)圖一、靈敏電流計(jì)的構(gòu)造及工作原理圖9-1靈敏電流計(jì)結(jié)構(gòu)圖靈敏電流計(jì)是磁電式儀表的一種類型，和普通的磁電式儀表一樣，都是根據(jù)載流線圈在磁場(chǎng)中受力而發(fā)生偏轉(zhuǎn)的原理制成的。但為了達(dá)到“靈敏”的目的，它在結(jié)構(gòu)上與普通電表有所不同，因而運(yùn)動(dòng)特性也有所不同。普通電表的線圈是安裝在軸承上，利用游絲的彈力所產(chǎn)生的反抗力矩來(lái)維持線圈的平衡，用指針來(lái)指示線圈的偏轉(zhuǎn)。由于軸承有摩擦阻力等原因，微安量級(jí)以下的電流就不能用普通電表來(lái)測(cè)量。電流計(jì)是用金屬懸絲把線圈懸掛在磁場(chǎng)中，如圖9-1所示。懸絲細(xì)而長(zhǎng)，反抗力矩很小，微小的電流通過(guò)線圈就足以使線線圈發(fā)生顯著的偏轉(zhuǎn)，所以電流計(jì)比普通電表靈敏，一般可測(cè)量10-6～10-10安培的電流。當(dāng)電流Ig通過(guò)線圈時(shí)，線圈受到磁力f所產(chǎn)生的電磁力矩作用而轉(zhuǎn)動(dòng)。與此同時(shí)懸絲被扭轉(zhuǎn)，因而產(chǎn)生一個(gè)反抗的扭力矩。懸絲放扭轉(zhuǎn)的角度越大，反抗的扭力矩也趕大。一定大小的電流總會(huì)在達(dá)到某個(gè)轉(zhuǎn)角時(shí)使兩個(gè)力矩達(dá)到平衡。可以證明，線圈達(dá)到平衡位置時(shí)的轉(zhuǎn)角θ總是與電流Ig成正比。圖9-2光點(diǎn)反射式讀數(shù)裝置示意圖為了測(cè)出轉(zhuǎn)角θ，電流計(jì)也不象普通電表那樣用指針來(lái)指示，而是利用一套光學(xué)讀數(shù)裝置（圖9-1，圖9-2）。將一個(gè)極輕極薄的小反射鏡M緊固在懸絲上，它把光源發(fā)射來(lái)的光反射到標(biāo)尺上形成一個(gè)光標(biāo)。當(dāng)電流Ig通過(guò)線圈時(shí)，線圈轉(zhuǎn)過(guò)θ角，小鏡也隨懸絲轉(zhuǎn)過(guò)θ角，反射光線則轉(zhuǎn)過(guò)2θ角。光標(biāo)在標(biāo)尺上移動(dòng)的距離d＝2θL，L為小鏡至標(biāo)尺的距離。由于線圈的偏轉(zhuǎn)角θ與電流Ig成正比，所以由光標(biāo)移動(dòng)的距離d可以測(cè)出電流Ig。的大小。采用光標(biāo)作“指針”代替普通電表的指針，相當(dāng)于加長(zhǎng)了“指針”在標(biāo)尺上的移動(dòng)距離。本實(shí)驗(yàn)所用的復(fù)射式檢流計(jì)是利用光學(xué)系統(tǒng)使光線經(jīng)過(guò)多次反射后才投射到標(biāo)尺上，大大加長(zhǎng)了L圖9-2光點(diǎn)反射式讀數(shù)裝置示意圖二、電流計(jì)線圈的阻尼運(yùn)動(dòng)當(dāng)電流Ig通過(guò)電流計(jì)或截?cái)郔g使線圈發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于線圈具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能，到達(dá)平衡位置時(shí)，它并不停止，而是繞平衡位置來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng)，直到把能量消耗完畢才能靜止在平衡位置上，這就給實(shí)驗(yàn)工作造成不便。圖9-3(a)中的曲線①是接通Ig時(shí)電流計(jì)光標(biāo)的運(yùn)動(dòng)情況，它在平衡位置a0附近來(lái)回?cái)[動(dòng)，振幅越來(lái)越小，最后靜止在平衡位置a0上。圖9-3(b)中的曲線①表示截?cái)郔g時(shí)光標(biāo)回零點(diǎn)的情況。要使線圈很快停在平衡位置，可以利用電磁阻尼，調(diào)節(jié)節(jié)電磁阻尼的大小即可控制線圈的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在圖9-4的電路中，把電鍵K扳向P使線圈在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)線圈切割磁力線會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。如果線圈接一閉合回路狀會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流i’，i’的大小與線圈切割磁力線的速度成正比，與回路的總電阻（Rg＋R外）成反比（Rg表示線圈本身的電阻即電流計(jì)的內(nèi)阻，R外表示與電流計(jì)串聯(lián)的外電阻），流過(guò)線圈的感應(yīng)電流i’又會(huì)使線圈受到磁力f’的作用而產(chǎn)生另一力矩，根據(jù)楞次定律，此力矩總是與線圈的運(yùn)動(dòng)方向相反，因此起阻止線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的作用，所以這種現(xiàn)象稱為電磁阻尼。電磁圖9-3電流計(jì)光標(biāo)運(yùn)動(dòng)情況曲線圖9-4圖9-5AG15/4型直流復(fù)射式檢流計(jì)面板圖阻尼力矩與感應(yīng)電流i’成正比，也就是與回路的總電阻（Rg＋R外圖9-3電流計(jì)光標(biāo)運(yùn)動(dòng)情況曲線圖9-4圖9-5AG15/4型直流復(fù)射式檢流計(jì)面板圖對(duì)于一定的電流計(jì)，其內(nèi)阻Rg是一定的，故可通過(guò)外電阻R外來(lái)改變電磁阻尼力矩的大小。R外大時(shí)感應(yīng)電流i’小，阻尼也小，線圈到達(dá)平衡位置時(shí)不能立即停止，需擺動(dòng)幾次才能停下來(lái)（圖9-3（a）、（b）中的曲線①）這種情況叫欠阻尼狀態(tài)。外電阻小時(shí)，線圈受的阻尼大，所以轉(zhuǎn)動(dòng)緩慢，慢慢接近平衡位置，不來(lái)回?cái)[動(dòng)，這種情況叫過(guò)阻尼狀態(tài)（圖9-3（a）、（b）中的曲線②）?？偪梢哉业揭粋€(gè)外電阻Rc使線圈受到的阻尼正好使它能很快到達(dá)平衡位置而又不繞平衡位置來(lái)回?cái)[動(dòng)，這種情況叫臨界阻尼狀態(tài)，Rc稱為臨界外阻。在臨界阻尼狀態(tài)下，線圈從開(kāi)始運(yùn)動(dòng)到靜止于平衡位置所需的時(shí)間稱為臨界阻尼時(shí)間tc。tc小則讀取一次數(shù)據(jù)花的時(shí)間少，工作效率就高。一般實(shí)驗(yàn)中常使R外略大于Rc，使線圈稍微超過(guò)平衡位置再返回，這樣便于準(zhǔn)確判斷平衡位置而又不致影響測(cè)量速度。三、靈敏電流計(jì)的使用本實(shí)驗(yàn)使用AG15／4型直流復(fù)射式檢流計(jì)，其面板如圖9-5所示。各部件如下：1、電源本儀器可以使用220V或6V電源，在儀器背面有兩種電源的接口。嚴(yán)禁將220V電源接入6V接口。本實(shí)驗(yàn)使用220V電源，這時(shí)電源開(kāi)關(guān)扳向“220V”時(shí)電源接通，扳向“6V”時(shí)電源斷開(kāi)。2、零點(diǎn)調(diào)節(jié)旋鈕是粗調(diào)電流計(jì)機(jī)械零點(diǎn)用的。在標(biāo)尺上裝有一個(gè)金屬小手柄，稱為標(biāo)尺調(diào)節(jié)器，可以利用它使標(biāo)尺稍微左、右移動(dòng)，對(duì)零點(diǎn)進(jìn)行微調(diào)。機(jī)械零點(diǎn)必須在未接通電源時(shí)調(diào)好，并在測(cè)量過(guò)程中經(jīng)常關(guān)斷電源檢查零點(diǎn)是否有變動(dòng)，及時(shí)予以調(diào)整（越靈敏的儀器零點(diǎn)越容易漂移。）3、分流器有“短路”、“直接”、“×1”、“×0.1”、“×0.01”五檔。當(dāng)旋鈕撥向“短路”時(shí)，電流計(jì)兩端直接接通。這時(shí)與電流計(jì)線圈串聯(lián)的外電阻R外＝0，電流計(jì)處于極端阻尼狀態(tài)，線圈很難擺動(dòng)。例如，當(dāng)線圈擺動(dòng)不止時(shí)，將電流計(jì)兩端短路，線圈就會(huì)馬上停下來(lái)。電流計(jì)使用完畢，特別是需要搬動(dòng)電流計(jì)時(shí)，必須撥到“短路”檔，以免線圈強(qiáng)烈擺動(dòng)損壞懸絲。旋鈕撥向“直接”時(shí)，電流計(jì)兩端直接與兩個(gè)接線柱連接，外電路的電流全部通過(guò)電流計(jì)。旋鈕撥向“×1”時(shí)，電流計(jì)與電流計(jì)的分流電阻R分=R1+R2+R3并聯(lián)，如圖9-6所示。R分的阻值比Rg大得多，實(shí)際上外電路的電流I幾乎全部通過(guò)Rg，分流電阻并沒(méi)有起到多大的分流作用。就通過(guò)電流計(jì)的電流來(lái)看，“×1”檔和“直接”檔沒(méi)有很大的區(qū)別。它們的主要區(qū)別在于各自適用于不同的外電路。當(dāng)R外與臨界電阻Rc相當(dāng)時(shí)用“直接”檔可以使電流計(jì)處于臨界阻尼狀態(tài)；當(dāng)時(shí)R外>>Rc時(shí)，用“×1”檔可以使電流計(jì)處于臨界阻尼狀態(tài)。因?yàn)檫@時(shí)決定電流計(jì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的不僅僅是R外，而是R外和R分的并聯(lián)電阻（如圖9-7所示）。R外和R分的并聯(lián)值接近Rc而使電流計(jì)接近臨界阻尼狀態(tài)。旋鈕撥向“×0.1”檔時(shí)，R3與Rg串聯(lián)后再與（R1+R2）并聯(lián)，這時(shí)不但可使電流計(jì)接近臨界阻尼狀態(tài)，而且使起到了擴(kuò)大電流計(jì)量程的作用?！啊?.01”檔的情況類似，請(qǐng)讀者自己分析。圖9-6分流電阻圖9-7“×1”檔原理四、電流計(jì)參數(shù)的設(shè)定電流計(jì)的主要參數(shù)有內(nèi)阻、臨界外阻、分度值、臨界阻尼時(shí)間．除分度值外其他幾個(gè)參數(shù)前面都已討論過(guò)了。在工作中應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要來(lái)選用電流計(jì)。例如回路電阻大時(shí)宜選用臨界外阻大的電流計(jì)等?！胺侄戎怠笔侵鸽娏饔?jì)的光標(biāo)在標(biāo)尺上偏轉(zhuǎn)1個(gè)分度時(shí)相應(yīng)于多大的電流通過(guò)電流計(jì)，單位是“安／分度”。分度值又叫電流計(jì)常數(shù)。各電流計(jì)的參數(shù)是不同的，在電流計(jì)的銘牌上都標(biāo)有這四個(gè)參數(shù)的值。但由于長(zhǎng)期使用，有的值可能會(huì)發(fā)生一些變化，所以用它作定量測(cè)量時(shí)必須重新測(cè)定。下面介紹測(cè)定電流計(jì)參數(shù)的一種方法。l、測(cè)量電路圖9-8是測(cè)量參數(shù)的一種電路。在擬定測(cè)量電路時(shí)應(yīng)考慮到靈敏電流計(jì)只允許極小的電流（10-6～10-10A）通過(guò)。由于整個(gè)回路的電阻僅為電流計(jì)內(nèi)阻Rg，和外阻（其值近似等于臨界外阻Rc）之和，所以需要的電壓是極小的，為此必須采用兩次分壓來(lái)提供所需的電壓。由圖9-8（a）可知，電源電壓經(jīng)分壓器R分出的電壓再經(jīng)電阻R0和R1組成的分壓器進(jìn)行第二次分壓。圖9-8電路圖在本實(shí)驗(yàn)中R0和R1由一個(gè)ZX21型電阻箱提供。它的4個(gè)接線柱分別標(biāo)有“0”、“0.9?”、“9.9?”、“99999.9?”字樣。本電路使用其中的三個(gè)，圖9-8（b）所示。由圖可知R0可取0.1～9.9?的值，R1可取10～99990?的值。當(dāng)電流計(jì)的光標(biāo)擺動(dòng)不止時(shí)，接通分流器撥向“短路”，光標(biāo)即停止運(yùn)動(dòng)。利用它可以使光標(biāo)很快靜止在零點(diǎn)。K1是換向開(kāi)關(guān)，它是將一個(gè)雙刀雙擲開(kāi)關(guān)對(duì)角上的接線柱用導(dǎo)線連接而成。利用K1可使通過(guò)電流計(jì)的電流改變方向。因?yàn)殡娏饔?jì)標(biāo)尺的零點(diǎn)位于標(biāo)尺中央，光標(biāo)可以向左或向右偏轉(zhuǎn)，測(cè)量時(shí)利用換向開(kāi)關(guān)讀取左、右偏轉(zhuǎn)的讀數(shù)，以其平均值作為電流計(jì)光標(biāo)的偏轉(zhuǎn)值。2、參數(shù)的測(cè)定。測(cè)量時(shí)分流器應(yīng)撥向“直接”檔．①臨界外阻Rc。Rc取一系列值。令電流計(jì)有一定偏轉(zhuǎn)，然后斷開(kāi)K1（K1處在中立位置），觀察光標(biāo)返回零點(diǎn)時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況，在臨界阻尼狀態(tài)下R2的值即為臨界外阻Rc。②臨界阻尼時(shí)間tc。電流計(jì)處于臨界阻尼狀態(tài)時(shí)，從斷開(kāi)K1至光標(biāo)靜止于零點(diǎn)所需的時(shí)間即為臨界阻尼時(shí)間。③內(nèi)阻Rg。測(cè)內(nèi)阻的方法很多，測(cè)量時(shí)應(yīng)盡量在接近臨界阻尼狀態(tài)下進(jìn)行，才能使測(cè)量迅速準(zhǔn)確。仍用圖9-8的電路，設(shè)R0、R1、R2，為某一值時(shí)通過(guò)電流計(jì)的電流為Ig（光標(biāo)的偏轉(zhuǎn)為a），則：（9-1）式中R并為R0和（Rg+R2）的并聯(lián)阻值，V為電壓表讀數(shù)。保持R1和R0不變，改變R2為R’2，并調(diào)節(jié)V為V’使通過(guò)電流計(jì)的電流仍為Ig，這時(shí)有：（9-2）將式（9-1）、（9-2）聯(lián)立并注意到拈（Rg+R2）>>R0，（Rg+R’2）>>R0,故R并≈R0，R’并≈R0，可得：（9-3）④分度值K根據(jù)式（9-1）可得通過(guò)電流計(jì)的電流Ig，若這時(shí)光標(biāo)的偏轉(zhuǎn)為a，則（9-4）【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】一、觀察電流計(jì)線圈的阻尼運(yùn)動(dòng)。l、記錄銘牌上的參數(shù)值，包括內(nèi)阻Rg，臨界外阻Rc，分度值K和臨界阻尼時(shí)間tc。內(nèi)阻Rg=?臨界外阻Rc=?分度值K=A/div臨界阻尼時(shí)間tc=s2、按圖9-8的測(cè)量電路接線，電壓表用數(shù)字萬(wàn)用表，自己選擇量程。R0取2?，K處于斷開(kāi)的位置。3、估R0、R1的值可根據(jù)電流計(jì)允許通過(guò)的最大電流和已知的參數(shù)值進(jìn)行估算。根據(jù)式（9-1)并考慮到R并R并≈R0，可得：（9-5）Ig電流計(jì)的最大偏轉(zhuǎn)。α=60分度及分度值K來(lái)估算，R2取臨界外阻值。以Ig=Kα，R2=Rc代人上式得：（9-6）式中K、Rg、Rc取銘牌上標(biāo)的參數(shù)值，V的值根據(jù)所提供的電源電壓而定，由實(shí)驗(yàn)室給出。計(jì)算R1并將R1撥到計(jì)算值上。一切準(zhǔn)各就緒，經(jīng)教師檢查同意后方可接通電源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。4、觀察線圈（即光標(biāo)）的阻尼運(yùn)動(dòng)。調(diào)分壓器R使電流計(jì)的光標(biāo)偏轉(zhuǎn)約40分度，斷開(kāi)K1觀察光標(biāo)回零時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況和阻尼狀態(tài)。從R2=0到R2=∞之間改變R2的取值，測(cè)定臨界外阻Rc及臨界阻尼時(shí)間tc（測(cè)三次取平均值），表格自擬。注：電流計(jì)偏轉(zhuǎn)后斷開(kāi)連接檢流計(jì)的一根導(dǎo)線，使R2=∞；光標(biāo)擺動(dòng)，分流器撥向“短路”，使R2=0。二、測(cè)定電流計(jì)的內(nèi)阻Rg。電路同上，取R2稍大于Rc，R’2稍小Rc。調(diào)分壓器R使電流計(jì)仍偏轉(zhuǎn)40分度。根據(jù)（9-3)式測(cè)出有關(guān)的量，計(jì)算Rg重復(fù)上述步驟使光標(biāo)往相反方向偏轉(zhuǎn)再測(cè)一次Rg，取兩次Rg的平均值作為測(cè)量結(jié)果。自己擬定數(shù)據(jù)記錄表格。