電磁學實驗基本知識

1、附錄一. 電磁學實驗基礎知識Appendix1 Elementary Knowledge of Electromagnetic Experiment電磁測量是現代生產和科學研究中應用很廣的一種實驗方法和實用技術。除了測量電磁量外，它還可通過換能器把非電量變?yōu)殡娏縼磉M行測量。物理課程中電磁學實驗的目的，是學習電磁學中常用的典型測量方法（如伏安法、電橋法、電位計法、沖擊法等），進行實驗方法和實驗技能的訓練，培養(yǎng)看圖、正確連接線路和分析判斷實驗故障的能力；同時，通過實驗的觀測，深入認識和掌握電磁學理論的基本規(guī)律。一、 電源Current power電源是把其他形式的能量轉變?yōu)殡娔艿难b置。電源分為直流

2、和交流兩類：1 直流電源Direct current power圖1 WYJ-15型直流穩(wěn)壓電源常用的直流電源有干電池、晶體管直流穩(wěn)壓電源和鉛蓄電池。直流穩(wěn)壓電源的型號繁多，外形各異，但結構上都是由變壓器、晶體管、電阻和電容等電子元件按一定的線路組裝而成的。它的電壓穩(wěn)定性好，內阻小，功率較大，使用方便。只要接到交流220V電源上，就能輸出連續(xù)可調的直流電壓（輸出電壓和電流的大小可由儀器上的電表讀出）。使用時，要注意它的最大允許輸出電壓和電流，切不可超過。我們實驗室里常用的是WYJ-15型直流穩(wěn)壓電源，其面板如圖1所示，最大允許輸出電壓為15V，最大允許輸出電流為3A。每個鉛蓄電池的正常電動勢為

3、2V，額定供電電流約為2A，多個并聯可得較大電流，輸出電壓比較穩(wěn)定。使用時要注意，當它的電動勢降低到1.8V時，應及時充電，蓄電池即使未用也需要每隔23星期充電一次。2 交流電源Alternate current power常用的電網電源是交流電源。交流電的電壓可通過變壓器來調節(jié)。交流儀表的讀數一般指有效值，例如交流220V就是有效值，其峰值為×220V301V。使用交流或直流電源時，應特別注意不能使電源短路，即不能將電源兩極直接接通，使外電路電阻等于零。二、 電阻Resistance為了改變電路中的電流和電壓，或作為特定電路的組成部分，在電路中經常需要接入各種不同大小的電阻。電阻分

4、為固定的和可變的兩類，不論是固定電阻還是可變電阻，使用時除注意其阻值的大小外，還應注意其額定功率，即容許通過的電流。在額定功率下，固定電阻接于電路中比較簡單，但可變電阻接法不同，其功用也不一樣。下面著重介紹兩種可變電阻滑線變阻器和旋轉式電阻箱的結構及用法。1 滑線變阻器Slide-wire rheostat 圖2 滑線變阻器滑線變阻器的外形和結構示于圖2。把電阻絲（如鎳鉻絲）繞在瓷筒上，然后將電阻絲兩端和接線柱A、B相聯，因此A、B之間的電阻即為總電阻。在瓷筒上方的滑動接頭C可在粗銅棒上移動，它的下端在移動時始終和瓷筒上的電阻絲接觸。銅棒的一端（或兩端）裝有接線柱C、C，用來代表接頭C以利于連

5、線。改變滑動接頭C的位置，就可以改變AC之間和BC之間的電阻。 圖3滑線變阻器的限流接法圖4滑線變阻器的分壓接法滑線變阻器在電路中有兩種接法：（1） 交流接法（限流器）用滑線變阻器改變電流的接法示于圖3，即將變阻器中的任一個固定端A（或B）與滑動端C串聯在電路中。當滑動接頭C向A移動時，A、C間的電阻減??；當滑動接頭C向B移動時，A、C間的電阻增大?？梢?，移動滑動接頭C就改變了A、C間的電阻，也就改變了電路中的總電阻，從而使電路中的電流發(fā)生變化。（2） 分壓接法（分壓器）用滑線變阻器改變電壓的接法示于圖4，即變阻器的兩個固定端A、B分別與電源的兩極相接，由滑動端C和任一固定端B（或A）將電壓引

6、出來。由于電流通過變阻器的全部電阻絲 ，故A、B之間任意兩點都有電位差。當滑動接頭C向A移動時，B、C間電壓VBC增大；當滑動頭C向B移動時，B、C間的電壓VBC減小?？梢?，改變滑動接頭C的位置，就改變了B、C（或A、C）間的電壓。應當注意的是，滑線變阻器用作改變電流的大小和用作分壓兩種接法是不相同的，一定不能弄混！同時還應記住，開始實驗以前，在限流接法中，變阻器的滑動端應放在電阻最大的位置；在分壓接法中，變阻器的滑動端應放在分出電壓最小的位置。2 旋轉式電阻箱Rotary type resistance box電阻箱是由若干個準確的固定電阻元件，按照一定的組合方式接在特殊的變換開關裝置上構成

7、的。利用電阻箱可以在電路中準確調節(jié)電阻值。準確度級別高圖5旋轉式變阻箱（a）內部結構示意圖(b)面板示意圖的電阻箱還可作任意值的電阻標準量具。圖5表示某一種電阻箱的內部電路和面板示意圖。在箱面上有六個旋鈕和四個接線柱，每個旋鈕的邊緣上都標有0，1，2，3，9等數字，靠旋鈕邊緣的面板上刻有標志，并有×0.1，×1，×10000等字樣，也稱倍率。當某個旋鈕上的數字旋到對準其所示的倍率時，用倍率乘上旋鈕上的數字，即為所對應的電阻。如圖5中電阻箱面板上每個旋鈕所對應的電阻分別為3×0.1，4×1，5×10，6×100，7×

8、1000，8×10000，總電阻為3×0.1+4×1+5×10+6×100+7×1000+8×10000=87654.3。四個接線柱上標有0，0.9，9.9，99999.9等字樣，表示0與0.9兩接線柱的阻值調整范圍為0.19×0.1；0與9.9兩接線柱的阻值調整范圍為0.19（0.1+1）；0與99999.9兩接線柱的阻值調整范圍為0.19（0.1+1+10+100+1000+10000）。在使用時，如只需要0.10.9或9.9的阻值變化，則將導線接到“0”和“0.9”或“9.9”兩接線柱。這種接法，可以避免電阻

9、箱其余部分的接觸電阻和導線電阻對低阻值帶來不可忽略的誤差。電阻箱各擋電阻容許通過的電流是不同的?，F以ZX21型電阻箱為例，列表如下：旋鈕倍率×0.1×1×10×100×1000×10000容許負載電流(A)1.50.50.150.050.0150.005在電氣原理圖里，常用不同的圖形符號來代表各個元件，用線條表示它們之間的聯系。表1列舉了常用的電氣元件符號。表1 常用的電氣元件符號名 稱符 號名 稱符 號原電池或蓄電池單極開關雙極轉換開關電阻的一般符號(固定電阻)變阻器(可調電阻)(1) 一般符號(2) 可斷開電路的(3) 不斷開電路

10、的指示燈泡電容器的一般符號可變電容器不聯接的交叉導線聯接的交叉導線電感線圈有鐵芯的電感線圈有鐵氧體芯不可調線圈晶體二極管穩(wěn) 壓 管晶體三極管(p-n-p)有鐵芯的單相雙線變壓器三、 電表kilowatt-hour meter電測儀表的種類很多。在物理實驗中常用的絕大多數電表都是磁電系儀表，其讀數靠指針在標尺上的偏轉來顯示。這種儀表只適用于直流，具有靈敏度高、刻度均勻、便于讀數等優(yōu)點。下面對磁電系儀表作一簡單介紹。1 電流計（表頭）Rheometer它是利用通電流的線圈在永久磁鐵的磁場中受到一力偶作用發(fā)生偏轉的原理制成的。在磁場、線圈面積和線圈匝數一定時，偏轉角度與電流的大小成正比。它的結構如圖

11、6所示。圖中1為強磁力的永久磁鐵；2是接在永久磁鐵兩端的關圓筒形的“極掌”；3是圓柱形鐵芯，它與兩極掌間形成氣隙，氣隙內的磁場呈 圖6磁電系電表的結構均勻的輻射狀分布；4是處在氣隙中的活動線圈（簡稱“動圈”），它是在一個矩形鋁框上用很細的絕緣銅線繞制成的；5為裝在轉軸上的指針；6是產生反作用力矩的兩個“游絲”，游絲的一端固定在儀表內部的支架上，另一端固定在轉軸上。當線圈通有電流受到磁力矩的作用而繞軸轉動時，游絲隨著發(fā)生扭轉變形，由于游絲是螺旋形彈簧，有力圖恢復原狀的特性，因而對轉軸產生一個反作用力矩。當反作用力矩與磁力矩平衡時，線圈停止轉動，指針指在一定的位置。螺旋方向相反的兩個游絲還兼作把電

12、流引入線圈的引線。7是固定在動圈兩端的“半軸”，其軸尖支持在寶石軸承里，可以自由轉動。 為了使儀表指針開始在零的位置，通常還有一個“調零器”，它的一端與游絲相連。如果使用前儀表的指針不指零位，可用起子輕輕調節(jié)露在表殼外面的調零螺桿8，使儀表指針逐漸趨近于零位。9是平衡錘。圖7電流表的結構電流計（表頭）也可用于檢驗電路中有無電流通過，能直接測量的電流在幾十微安到幾十毫安之間。如果用它來測量較大的電流，必須加分流器。2 電流表（安培表）Amperemeter如圖7所示，在表頭線圈上并聯一個阻值很小的分流電阻，就成了電流表。分流電阻的作用是使線路中的電流大部分通過它自身流過去，只有少量的電流才通過表

13、頭的線圈，這樣就擴大了電流的量限。表頭上并聯的分流電阻不同，可以測量的最大電流也就不同，即得到不同量限的電流表。使用電流表時，應把它串聯在待測電流的電路中，并注意正負端的接法，應使電流從電流表的正端流入，從負端流出。3 電壓表（伏特表）Voltmeter 圖8電壓表的構造如圖8所示，從表頭線圈上串聯一個附加的高電阻，就成了電壓表。當測量電壓時，附加的高電阻起限制電流的作用，并使絕大部分的電壓降落在附加電阻上，只有很小一部分電壓降落在表頭上。在表頭上串聯的附加電阻不同，可以測量的最大電壓也不同，即得到不同量限的電壓表。使用時，應把電壓表并聯在待測電壓的兩端，并將電壓表的正端接在電位高的一端，負端

14、接在電位低的一端。使用電流表和電壓表時，應注意電表的量限，不得使測量值超過量限，否則易將電表燒壞。對于多量限的電表，在不知道被測量值的范圍時，為了安全起見，一般應先接大量限；在得出測量值的范圍后，應換接與被測量值最接近的量限，以獲得更精確的測量值。測量值A按下式計算： 式中a為該量限可測量的最大值，N為該量限對應的標度尺的總分度數，n為電表指針指示的讀數（分度數）。根據我國的規(guī)定，電氣儀表的主要技術性能都以一定的符號來表示，并標記在儀表的面板上。表2中給出了一些常見電氣儀表表面上的標記。表2 常見電氣儀表面板上的標記名 稱符 號名 稱符 號指示測量儀表的一般符號磁電系儀表檢 流 計靜電系儀表安

15、 培 表A直 流毫 安 表mA交流(單相)微 安 表A直流和交流伏 特 表V以標度尺量限百分數表示的準確度等級,例如1.5級1.5毫 伏 表mV以指示值的百分數表示的準確度等級,例如1.5級1.5千 伏 表kV標度尺位置為垂直的歐 姆 表標度尺位置為水平的兆 歐 表M絕緣強度試驗電壓為2kV負 端 鈕接地用的端鈕正 端 鈕調 零 器公 共 端 鈕*II級防外磁場及電場 抗寒防潮能力強抗寒防潮一般抗寒防潮差圖9 C59-mA型電流表和C59-V型電壓表我們實驗室常用的電流表和電壓表為C59-mA型和C59-V型，其面板圖示如下：根據GB776-76電氣測量指示儀表通用技術條件，電表的準確度等級分

16、為0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5和5.0七級。電表指針指示任一測量值所包含的最大基本誤差為 式中Am為電表的量限（即電表可測量的最大值，用電表指針指到滿刻度時的數值來表示），K是電表的準確度等級。 例如，準確度等級為0.5級的電表，在規(guī)定的條件下工作時，它所示出的數值可能包含的最大基本誤差是該電表量限的±0.5%。4 直流檢流計Direct current galvanometer圖10 AC5型直流指針式檢流計（a）AC15型直流復射式檢流計檢流計用來檢測電路中的微小電流和電壓，它有很高的靈敏度，在精密測量中常作為指零儀表。由于檢流計需要特別高的靈敏度，它的動圈多用

17、張絲懸掛起來，以減小摩擦阻力。它的讀數裝置有指針式和光點復射式等多種結構。AC5型直流指針式檢流計屬于便攜式磁電式結構，用時需水平放置，它的分度值為2×10-6A/格。檢流計的可動部分用短路阻尼的方法制動，這樣可防止張絲因機械振動而引起的變形或損壞。當小旋鈕移向紅色圓點位置時，線圈即被短路。使用時，首先將檢流計之接線柱端鈕按其“+”、“-”標記接入電路內，將小旋鈕移向白色圓點位置，并用零位調節(jié)器將指針調節(jié)到零位。按下“電計”按鈕，檢流計便被接入電路。如需將檢流計長期接入電路時，可將“電計”按鈕按下，并轉一角度即可將按鈕鎖住。用它作指零儀表時，不要將這一按鈕鎖住。若指針不停地擺動時，按

18、一下“短路”按鈕，指針便立刻停止擺動。檢流計使用完畢后，必須將小旋鈕移向紅色圓點位置，“電計”和“短路”按鈕應放松。AC15型檢流計也屬便攜式磁電式結構，它的分度值可達1.5×10-9A/格。為提高靈敏度，在動圈上端裝有小平面鏡，利用這小鏡對光線的多次反射來指標活動部分的偏轉。它的照明系統(tǒng)有變壓器、電源標志片、電源開關等，可直接利用電壓為6.3V的羅口燈泡，當“220V”電源插口接上220V電壓時，電源開關應置于220V處。當“6V”電源插口接上6V電壓時，電源開關應置于“6V”處。圖10直流復射式檢流計檢流計安裝有零點調節(jié)器，用做粗調；標盤活動調節(jié)器，用做細調。檢流計配有分流器，測

19、量時，應從檢流計最低靈敏度開始，如偏轉不大，則可逐步轉到高靈敏度測量。0.01檔為最低靈敏度檔。在測量中，當檢流計光點搖晃不停時，可用短路電鍵使動圈受到阻尼。在改換電路或移動檢流計時，均應使檢流計處于短路狀態(tài)。檢流計使用完畢后，應將分流器置于“短路”檔。四、 儀器布置和線路連接Instrument layout and line connecting要獲得正確的實驗測量結果，實驗儀器的布置和線路的正確連接是非常重要的。儀器布置不恰當，實驗時就不順手，而且造成接線混亂，不便于檢查線路，容易出錯。結果，輕者待測量測不準確，重者損壞儀器，造成事故！因此，需要學習和訓練儀器布置和接線方面的技能。1在電磁學實驗的電路圖中，各種儀器都是用一定的圖形符號表示的（參看表1），并用直線將它們聯接