電磁學(xué)實驗基本知識

1、附錄一. 電磁學(xué)實驗基礎(chǔ)知識Appendix1 Elementary Knowledge of Electromagnetic Experiment電磁測量是現(xiàn)代生產(chǎn)和科學(xué)研究中應(yīng)用很廣的一種實驗方法和實用技術(shù)。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(xué)實驗的目的，是學(xué)習(xí)電磁學(xué)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(xùn)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(xué)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(nèi)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(diào)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(lián)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(yīng)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(wǎng)電源是交流電源。交流電的電壓可通過變壓器來調(diào)節(jié)。交流儀表的讀數(shù)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(yīng)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(jīng)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(yīng)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(zhuǎn)式電阻箱的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(lián)，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(lián)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(yīng)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(yīng)記住，開始實驗以前，在限流接法中，變阻器的滑動端應(yīng)放在電阻最大的位置；在分壓接法中，變阻器的滑動端應(yīng)放在分出電壓最小的位置。2 旋轉(zhuǎn)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(guān)裝置上構(gòu)成

7、的。利用電阻箱可以在電路中準確調(diào)節(jié)電阻值。準確度級別高圖5旋轉(zhuǎn)式變阻箱（a）內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(nèi)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(shù)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(shù)字旋到對準其所示的倍率時，用倍率乘上旋鈕上的數(shù)字，即為所對應(yīng)的電阻。如圖5中電阻箱面板上每個旋鈕所對應(yīng)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(diào)整范圍為0.19×0.1；0與9.9兩接線柱的阻值調(diào)整范圍為0.19（0.1+1）；0與99999.9兩接線柱的阻值調(diào)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(dǎo)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(dǎo)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。現(xiàn)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(lián)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(guān)雙極轉(zhuǎn)換開關(guān)電阻的一般符號(固定電阻)變阻器(可調(diào)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(lián)接的交叉導(dǎo)線聯(lián)接的交叉導(dǎo)線電感線圈有鐵芯的電感線圈有鐵氧體芯不可調(diào)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(shù)電表都是磁電系儀表，其讀數(shù)靠指針在標尺上的偏轉(zhuǎn)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(shù)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(zhuǎn)的原理制成的。在磁場、線圈面積和線圈匝數(shù)一定時，偏轉(zhuǎn)角度與電流的大小成正比。它的結(jié)構(gòu)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(guān)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(nèi)的磁場呈 圖6磁電系電表的結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)軸上的指針；6是產(chǎn)生反作用力矩的兩個“游絲”，游絲的一端固定在儀表內(nèi)部的支架上，另一端固定在轉(zhuǎn)軸上。當線圈通有電流受到磁力矩的作用而繞軸轉(zhuǎn)動時，游絲隨著發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，由于游絲是螺旋形彈簧，有力圖恢復(fù)原狀的特性，因而對轉(zhuǎn)軸產(chǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)動。 為了使儀表指針開始在零的位置，通常還有一個“調(diào)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(diào)節(jié)露在表殼外面的調(diào)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(jié)構(gòu)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(lián)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(lián)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(yīng)把它串聯(lián)在待測電流的電路中，并注意正負端的接法，應(yīng)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(gòu)造如圖8所示，從表頭線圈上串聯(lián)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(lián)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(yīng)把電壓表并聯(lián)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(yīng)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(yīng)先接大量限；在得出測量值的范圍后，應(yīng)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(chǔ)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(yīng)的標度尺的總分度數(shù)，n為電表指針指示的讀數(shù)（分度數(shù)）。根據(jù)我國的規(guī)定，電氣儀表的主要技術(shù)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(shù)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(shù)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(diào) 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(jù)GB776-76電氣測量指示儀表通用技術(shù)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(shù)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(shù)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(fù)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(shù)裝置有指針式和光點復(fù)射式等多種結(jié)構(gòu)。AC5型直流指針式檢流計屬于便攜式磁電式結(jié)構(gòu)，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(nèi)，將小旋鈕移向白色圓點位置，并用零位調(diào)節(jié)器將指針調(diào)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(zhuǎn)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(yīng)放松。AC15型檢流計也屬便攜式磁電式結(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)。它的照明系統(tǒng)有變壓器、電源標志片、電源開關(guān)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(guān)應(yīng)置于220V處。當“6V”電源插口接上6V電壓時，電源開關(guān)應(yīng)置于“6V”處。圖10直流復(fù)射式檢流計檢流計安裝有零點調(diào)節(jié)器，用做粗調(diào)；標盤活動調(diào)節(jié)器，用做細調(diào)。檢流計配有分流器，測

19、量時，應(yīng)從檢流計最低靈敏度開始，如偏轉(zhuǎn)不大，則可逐步轉(zhuǎn)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(yīng)使檢流計處于短路狀態(tài)。檢流計使用完畢后，應(yīng)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(jié)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(jié)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(xué)習(xí)和訓(xùn)練儀器布置和接線方面的技能。1在電磁學(xué)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(lián)接