物理實驗萬用電表的使用

《大學(xué)物理實驗指導(dǎo)（電磁學(xué)部分）》實驗九萬用電表的使用[目的]1.了解萬用電表的基本原理及設(shè)計方法；2.學(xué)會萬用電表的使用。[儀器和用具]1.萬用電表(MF-50型)；2.直流穩(wěn)定電源(MCH-305D-Ⅱ型0-30V、0-5A)；3.單相自耦調(diào)壓器(500VA0－250V)；4.實驗電阻板（3.0KΩ、15KΩ、47KΩ、56Ω、0.62KΩ、1.5KΩ0.25W各1個）；5.電學(xué)暗盒（內(nèi)裝有47μF電解電容1個、0.22μF普通電容器1個、；6.3V穩(wěn)壓二極管1個、1N4007硅二極管1個、47KΩ電阻器1個）6.單刀開關(guān)；[原理]一、萬用電表的基本結(jié)構(gòu)萬用電表是實驗室常用的一種儀表，可用來測量交直流電壓、電流以及電阻等，還可用于檢查元器件以及電路，排除電路故障。萬用電表主要由靈敏度較高的磁電系微安表（簡稱表頭）和由轉(zhuǎn)換開關(guān)控制的測量電路及保護電路組成。它實際上是根據(jù)電表改裝的原理，將一個表頭分別通過轉(zhuǎn)換開關(guān)連接各種測量電路而改成多量程的電流表、電壓表及歐姆表的。是既能測量直流電流、電壓也能測量交流電壓的復(fù)合表。各個測量檔共用一個表頭,表頭面盤上有相應(yīng)于測量各種量的幾條標(biāo)度尺,標(biāo)度尺按表的功能有各種不同的刻度,以指示相應(yīng)值。對于某一測量的內(nèi)容,一般分成幾個大小不同的幾檔五檔，電流有100μΑ、2.5mΑ、25mΑ、250mΑ、2.5Α五檔，直流電壓有五檔，交流電壓亦有四檔)。除了電阻檔標(biāo)注的是倍率外，各檔標(biāo)注的均為該擋的量程值。使用標(biāo)度尺讀數(shù)時，應(yīng)注意不同的測量量不同的量程適用于不同的標(biāo)尺。例如：MF50型萬用表，電阻檔應(yīng)使用由上往下數(shù)的第一條標(biāo)尺，交流10V檔應(yīng)使用(例如MF50型萬用表,其電阻檔有×1、×10、×100、×1K、×10K第三條標(biāo)尺，其余的電流、電壓量程均看第二條標(biāo)尺。二、萬用電表的主要測量電路1.直流電流、電壓檔萬用表直流電流檔一般采用如圖9－1的閉路抽頭式電路。為了計算方便，通常在表頭支路串入一個可調(diào)電阻R0并取RA+R0=Rm為整數(shù)值。則，被改裝表的內(nèi)阻應(yīng)為Rm。由實驗一可知，各電流檔的總分流電阻RSi及各抽頭電阻Ri按下列公式計算：RU0SiIiUIRR9100SmIRRR00SARRRSi1iSi式中，RS為與表頭支路并聯(lián)的總電阻值。直流電流設(shè)計方法外臨界電阻值R外臨，按環(huán)形回路總電阻值略大于表頭的外臨界電阻值R外臨的原則確定表頭支路并聯(lián)的總電阻值RS。即取RRRRn略大于R外臨。（關(guān)于電流表的外臨界電阻值R外臨值詳S12１見楊述編《普通物理實驗（電磁學(xué)部分）》“靈敏電流計特性的研究”實驗.）按式（9－1）先求出回路電壓U0阻R。并按下式求出改裝以后的最小滿程電流值I。然后逐檔計算抽頭電miniIRII0(9-2)mSminR0萬用表直流電壓檔一般采用如圖9－2的共用分壓電阻式電路形式。（即前檔的分壓電阻與但是，其時改裝電路是用擴后檔共用的形式。）程后的電流表作為被改裝的表頭（我們稱其為電壓檔的等效表頭），然后串聯(lián)分壓電阻構(gòu)成。設(shè)，電壓檔等效表頭的滿程電流值為I,其V0內(nèi)阻為R。V0則各分壓電阻R的數(shù)值為iUIRF1RV01V0UUi11RFiUU（9－3）(i1)iIiV0直流電壓檔設(shè)計方法1設(shè)直流電壓檔的每伏歐姆數(shù)為。則先按的原則確定出直流電壓檔的每伏歐姆數(shù)（應(yīng)Imin1取整數(shù)值），再根據(jù)I求出電壓檔所需的滿程電流值I，然后在電流檔中設(shè)計出一量程為I的電流V0V0V0RR檔，作為電壓表的等效表頭，按求出該等效表頭的內(nèi)阻R。再按式（9－3）計算出各電壓V0RmSRV0RmS檔的分壓電阻。RFi2.交流電壓檔如圖9－3所示，交流電壓檔基本原理是先將交流電壓經(jīng)分壓電阻R分N壓，再經(jīng)二極管整流器整流后輸入等效表頭測量。圖中D為整流1管，D是為保護D21而設(shè)計的。當(dāng)流管的交流電為正半周時，二極管D被加上正向電壓而導(dǎo)通，輸入的電流通過D流經(jīng)表頭量測，表頭指示出交流電壓的有效11值。而當(dāng)負(fù)半周時，D的正極性端為低電位，負(fù)極性端為高電位，D被加上反向電11壓而處于截止?fàn)顟B(tài)，測量電路中無電流。其時，從萬用表ab端測電壓將全部降落在若被測電壓幅值較大，將可能擊穿整流管D，導(dǎo)致表頭損壞。串入二極管D后，當(dāng)D的兩端，1D的交流121２電為負(fù)半周而使D截止時，D的負(fù)極性端為低電位，而其正極性端為高電位，D被加上正向電壓而導(dǎo)通，122輸入的被測電壓通過D降落在分壓電阻R上，使D兩端的壓降極小，從而保護了D管不被擊穿。圖9Ni211－3中表頭兩端并聯(lián)的兩個二極管D、D是為了保護表頭而設(shè)計的。當(dāng)萬用表使用不慎而選錯檔位使得表34頭過載時，二極管D或D將得到足夠的正向壓降而導(dǎo)通。D或D導(dǎo)通后，大部分的電流將流經(jīng)導(dǎo)通的二3434極管而分流掉，從而保證了表頭不過載，確保其安全。而當(dāng)萬用表正確使用時，表頭兩端的最大壓降IR0A小于二極管的導(dǎo)通電壓值，二極管D或D處于截止?fàn)顟B(tài)，其電阻數(shù)值相對于表頭內(nèi)阻為無窮大，故流進(jìn)表34頭支路的電流全部流經(jīng)表頭測量，不影響測量結(jié)果。設(shè)計方法設(shè)，交流電壓檔的每伏歐姆數(shù)為。則可先根據(jù)＜的原則，確定一個合適的交流電壓檔的每伏～～1歐姆數(shù)值，按I所需的工作電流值，再按II算出I經(jīng)整流V0IV0V0～V0～V0～～后的直流電流量I（采用二極管半波整流時，取0.441；全波整流時，取0.882），然后又在直流Vo電流檔中設(shè)計一量程為I的直流電流檔，作為交流電壓檔的等效表頭，計算交流電壓檔等效表頭的內(nèi)阻Vo值。例如對圖9－3，有RVO～＝RRRRRRRRR51RR5253123RR4mRRRRRV0～Dm5253123451(9-4)RRRRRRRRRm5253123451RRmDS式中，R為整流二極管D的正向?qū)娮柚?。求出R后，按下式計算各交流電壓檔的分壓電阻值RD1VO～NiU1～RRN1V0～I(xiàn)V0～(95)UUi1～(i1)～i～～1RUUNii～I(xiàn)V0～若上述計算得到的I大于電流檔中的最小電流值I,說明取得偏大,應(yīng)減min～V0IImin少值,重求I直到為止。V0～V03.直流電阻檔①歐姆表測量原理歐姆表測量的原理如圖9－4所示。表頭、干電池E、可變電阻R以及待測電阻R串聯(lián)構(gòu)成閉合回路，電路中的電流0xIx流過表頭即可使指針，其值為96EEIRxRRrRxRADxE內(nèi)式中R為待測電阻；E為干電池電動勢，其內(nèi)阻為r；R為可調(diào)電阻；R＝R+r+R為歐姆表內(nèi)阻。從上式內(nèi)xEDAED３可以看出，當(dāng)電池電動勢及其內(nèi)阻一定的條件下，指針偏轉(zhuǎn)和回路的總電阻R＋R成反比，當(dāng)被測電阻內(nèi)xR改變時，電流就相應(yīng)變化，表頭的指針位置也有相應(yīng)的變化。可見，表頭的指針位置與被測電阻R的大xx小是一一對應(yīng)的，如果表頭標(biāo)尺按與電流對應(yīng)的電阻數(shù)值進(jìn)行刻度，這樣就可以直接用來測量電阻了。E由（9－6）式可知，當(dāng)R＝0時，調(diào)節(jié)R使表頭的指針指在滿刻度值I處，此時I＝I，可見0xD0xR內(nèi)歐姆表的電阻零值點在電流表的滿刻度值處。當(dāng)R＝∞時，I＝0這時表頭的指針指在電流表的零值刻度處。可見歐姆表的標(biāo)尺刻度與電流表、電壓表xx的標(biāo)尺刻度反向且刻度非常不均勻，在I接近零時，R的變化對I的影響小，標(biāo)尺上刻度線較密集，分度xxx值較大，而在I接近I時則反之。x0當(dāng)R＝R內(nèi)時，I＝I/2，這時表頭的指針恰好指在標(biāo)度尺的中心，因而將此時對應(yīng)的電阻值稱為中心阻XX0值（或稱為歐姆中心，用R中表示），即R中顯然，中心阻值的分度值就越小，由于一般使用歐姆表測量電阻時主要用標(biāo)度尺的中心附近區(qū)域②“零歐姆”校準(zhǔn)電路由于電池電動勢E會逐漸下降，使得當(dāng)R＝0時I≠I，表頭的指針不指在零歐姆刻度處，這種現(xiàn)象稱R中越小，歐姆表標(biāo)度尺右半，因而中心阻值R就類似于電流表的量程。Kxx0為“零點漂移”，它給測量造成了較大的誤差，必須設(shè)計調(diào)整電路來解決零點漂移問題，這種電路稱為“零歐姆”調(diào)節(jié)電路。圖9－5即為一種常見的萬用表電阻檔“零歐姆”調(diào)節(jié)電路,其等效電路如圖9－5‵所示。圖中，R設(shè)計為定值電阻，R為調(diào)零電位器，其滑動端將R分成兩部分，一部分與表頭串聯(lián)成為表頭內(nèi)阻，DJJ另一部分歸入R‵，當(dāng)E值變化時，調(diào)節(jié)R滑動端使得R＝0時表頭的指針仍指在滿刻度值I處，即可消除SJx0零點漂移。顯然，當(dāng)E值高于其標(biāo)稱值1.5V時，R滑動端應(yīng)向左移動，以減小電阻檔等效表頭的總分流電J阻R‵的數(shù)值，使得流過R‵的電流增大，保證通過表頭的電流等于I值；而當(dāng)E值低于其標(biāo)稱值時，R滑動端應(yīng)向SS0J右移動，以增大電阻檔等效表頭的總分流電阻R‵的數(shù)值，保證通過表頭的電流等于I值。S0注意：由于調(diào)節(jié)R滑動端時，J電阻檔等效表頭的內(nèi)阻R將發(fā)AΩ生改變，中心阻值R隨之改變，使中測量產(chǎn)生誤差，因此，R應(yīng)盡量取D得大些，以使得RAΩ的變化量相對于中心阻值R可以中４忽略。對于多量程歐姆表，可在R×1K檔中并聯(lián)不同的分流電阻Rdi而構(gòu)對于多量程歐姆表，可在R×1K檔中并聯(lián)不同的分流電阻R而構(gòu)成。其電路如圖9－6所示。Di將上述的直流電流、電壓、交流電壓、直流電阻測量電路組合起來，就構(gòu)成了圖9－7的萬用電表的基本原理圖。從原理圖可知，電阻檔用的干電池的負(fù)極與萬用表的“＋”表筆插孔相連。所以，對于電流、電壓檔b端為正極性端，而對于電阻檔，b端為負(fù)極性端，三、使用萬用表應(yīng)注意的幾個問題1.使用前先調(diào)好表頭指針的機械零點，確定好檔位。應(yīng)先弄清楚要測的是什么物理量，再確定量程。切勿用電流檔、電阻檔去測量電壓。電流檔、電壓檔量程的選擇，應(yīng)使電表內(nèi)阻對電路的影響盡可能小且使表頭指針有盡可能大的偏轉(zhuǎn)。當(dāng)被測的電流或電壓的大小無法預(yù)先估計時，應(yīng)先選擇大量程試測，然后再逐漸到合適的量程上。轉(zhuǎn)換量程時，表筆應(yīng)脫離電路電阻檔的選擇，應(yīng)盡量使指針在標(biāo)度尺的中心附近區(qū)域或偏右半的區(qū)域偏轉(zhuǎn)。時，必須采用“躍接法”。盡量避免將表固定連接在電路中，以便在發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象時表筆能迅速脫離電路。3.測高壓時，人體不可觸及電路及電表的金屬部分。4.使用電阻檔時，應(yīng)先進(jìn)行“零歐校準(zhǔn)”。（即選好檔位后，將兩根表筆短路，然后調(diào)節(jié)零歐“0Ω”刻度線上。）測量若轉(zhuǎn)換量程，必須重新進(jìn)行“零歐校準(zhǔn)”。測電路中的電阻時，必須先切斷電源。測量時，被測電阻至少要有一端脫離電路。對大容量電容器，應(yīng)先短路放電后再測量。測高阻時僅防人體電阻并入測量。5.每次使用完電流檔、電阻檔后，應(yīng)馬上將量程開關(guān)轉(zhuǎn)換到最大電壓檔位置，萬用表使用完畢，亦應(yīng)將置于最高電壓檔位置，以避免下次使用使用時，忘記選擇量程而損壞電表。以減小估讀誤差。2.測量直流量應(yīng)注意萬用表的極性。測量調(diào)節(jié)旋鈕，使不表頭指針指示在中，量程四、萬用表的應(yīng)用1.檢查電路a.電壓檢查法在電路通電的情況下，先了解電路中電位分布的情況，然后從電源部分開始，用電壓檔逐點測試其電壓值。由不正常處查找故障。此法方便、快捷，但對電路中電位分布情況必須熟悉。b.電流檢查法與電壓檢查法一樣，在電路通電的情況下，先了解電路中電流分布的情況，然后將萬用表（置電流檔）分別串入各個支路測量其電流值，由不正常處查找故障。此法必須斷開電路，接入電表，較不方便。c.電阻檢查法此法要求在切斷電源后在不帶電的情況下檢查，并且待測部分無其他分路，（若有其他分路，必須先斷開）逐一檢查電路中每個元件，每條導(dǎo)線以及各連接點處的情況，從而判斷出故障位置及其原因。此法較為繁瑣，但很有效，特別是在判斷電路的元件、導(dǎo)線質(zhì)量的好壞很有用。2.常用元器件的檢查①電容器a.電解電容萬用表量程開關(guān)置×1K檔(或×10K)位置，電容短路放電后，將萬用表兩表筆分別接到電容的兩個極腳，同時觀察表頭指針的偏轉(zhuǎn)情況：５i.當(dāng)指針先朝R＝0的方向偏轉(zhuǎn)，而后又朝R=∞的方向返回時，說明有被充電的現(xiàn)象，可初步判斷該xx電容為好的；若充電現(xiàn)象不明顯或無此充電的現(xiàn)象，則又將電容短路放電后，用×10K檔再試一次，若還是如此，則可判斷該電容已經(jīng)損壞。ii.充電時表頭指針擺動的角度愈大,返回的時間愈長，表明該電容的容量愈大，反之容量愈小。例如，對圖9－8（a）的情況，表明待測電容的較小；對圖9－8（b）的情況，表明待測電容的大。iii.當(dāng)指針返回至停止不動后，記下此時指針指示的電阻數(shù)值，然后將電容再次短路放電后對調(diào)萬用表兩根表筆與電容兩個極腳的接觸位置，重測一次，比較兩次測得的電阻數(shù)值的大小，阻值大的那一次，與萬用表黑表筆相接端為該電容的正極性端（如圖9－8（c）所示），反之，阻值小的那一次，與萬用表紅表筆相接端為該電容的正極性端（如圖9－8（d）所示）。若兩次所得阻值均為∞，應(yīng)將量程轉(zhuǎn)換至×10K檔重試。b.無極性電容對無極性電容的好壞檢查和容量大小的判10k檔檢查，若充電現(xiàn)象還不明顯，可以直接對調(diào)萬用表兩根表筆與電容兩個極腳的接觸位置，重試一次，若表頭的指針有更大的偏轉(zhuǎn)，說明該電容器是好的，否則說明該器可能已經(jīng)損壞。通常對于容量＜0.1μF的電容，別方法仍如上所述。但應(yīng)注意，若電容的容量較小，應(yīng)改用×電容利用萬用表只能檢查其有無短及充電現(xiàn)象，這時須外加交路及漏電，無法直接觀察其有無斷路流信號源，利用交流電壓檔來檢查。②晶體二極管的檢查通?？捎萌f用表×1K電阻檔測鍺二極管用×10K檔測硅二極管的正反向電阻數(shù)值。先將兩根表筆分別與二極管的兩個極腳相接，測出其電阻數(shù)值，比較兩次電阻值的大小，兩次數(shù)值相差愈大，性能愈好；通常，硅二極管相差最大，鍺二極管相差較小，穩(wěn)壓二極管相差最??；若兩次數(shù)值相差很小或無差別，說明該二極管已經(jīng)損壞。對于正常的二極管，兩次的數(shù)值中，數(shù)值小的那一次，與黑表筆相接端為該二極管的正極性端（如圖9－9所示）。[實驗內(nèi)容、要求]一、用萬用表測量交流電壓值要求：1.調(diào)節(jié)自耦調(diào)壓器的輸出電壓值，使其分別指示在20V、40V、60V、100V、140V、180V、240V，選擇合適的量程，分別測出對應(yīng)的交流電壓有效值。2.比較調(diào)壓器指示值與萬用表測量值并進(jìn)行討論。注意：1.必須選用交流電壓檔，并選擇合適的量程；2.必須注意用電安全，嚴(yán)禁觸摸到萬用表筆及調(diào)壓器裸露的金屬部位。測試完畢，必須拔掉調(diào)壓器的電源輸入線。二、用萬用表測量直流電流、電壓值要求：1.按圖9－11連接電路，取E＝30V,選擇合適的電流、電壓量程，按表一進(jìn)行測量。2.分別計算：UUUU、UUUUUUUUU的數(shù)值，、1abbccd2aeeffd3abbeeffd檢驗是否等于所測的U數(shù)值，并討論檢驗結(jié)果。ad三、用萬用表測量電阻數(shù)值要求：６1.選擇倍率，分別測出圖9－10電阻板中6個電阻的數(shù)值以及圖9－11中去掉電源后ad間的電阻值。．．．．．2.計算(R+R+R)//(R+R+R)的數(shù)值，并以直接測得的R比較，討論比較的結(jié)果。（式中，R～R用．16ad123456測量值代入。）．．．．．四、二極管、電容器的判別要求：1.利用萬用電表判別圖9-12電學(xué)暗盒中的元器件分布，并畫在圖9-12上。2.確定暗盒中電解電容、二極管的極性；判出二極管中那個是穩(wěn)壓二極管。預(yù)習(xí)要求:1.認(rèn)真閱讀本實驗指導(dǎo)書，了解萬用表的結(jié)構(gòu)及其測量電路的原理和萬用表使用的注意事項。2.在正規(guī)的實驗報告紙上預(yù)先寫好實驗報告的[實驗?zāi)康腯、[儀器和用具]、[實驗原理]三部份并在分組、實驗時呈給指導(dǎo)教師檢查。待實驗后再補充完實驗報告余下的[實驗內(nèi)容、步驟]、[數(shù)據(jù)記錄][數(shù)據(jù)處理]、[結(jié)果報道]、[實驗結(jié)論]等部分。書寫實驗報告應(yīng)注意如下幾點：1.儀器和用具應(yīng)按實際所使用的型號2.本實驗的實驗原理只需敘述如下內(nèi)容：一、萬用電表的三、萬用表的應(yīng)用?！救f用表主要測量電路部分不必敘述！】并畫出對應(yīng)的電路圖（圖9-8、圖9-9）。過程并參考講義中的[實驗內(nèi)容、要求]進(jìn)行敘述并畫出圖9－、規(guī)格給出?；窘Y(jié)構(gòu)；二、使用萬用表應(yīng)注意的幾個問題；3.[實驗內(nèi)容、步驟]必須根據(jù)具體的實驗10及圖9－11。4.[數(shù)據(jù)記錄]必須畫出記錄表格并標(biāo)明表中物理量的單位；表中所有數(shù)據(jù)均必須按有效數(shù)字規(guī)則給出。運算的結(jié)果為物理量的，應(yīng)給出單位。5.數(shù)據(jù)處理時，應(yīng)給出運算式并列出相應(yīng)的數(shù)字式，6.[結(jié)果報道]中的測量值和相對誤差值亦必須按有效數(shù)字規(guī)則給出。[數(shù)據(jù)記錄]一、交流電壓測量記錄表9－1調(diào)壓器示值20表中電壓單位：V4060100140180240測量值量程二、直流電流、電壓的測量記錄表9－2表中電壓單位：V電流單位：mA項目UadUabUbcUcdUaeUefUfdUbeII2I1測量值量程三、電阻的測量記錄表9－3RXR1R2R3R4R5R6Rad標(biāo)稱值(KΩ)3.015470.0560.621.5－－測量值(KΩ)倍