靈敏電流計(jì)特性的研究

實(shí)驗(yàn)十一靈敏電流計(jì)特性的研究實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．了解靈敏電流計(jì)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。2．掌握測(cè)量靈敏電流計(jì)內(nèi)阻和靈敏度的方法。3．學(xué)會(huì)正確使用靈敏電流計(jì)。實(shí)驗(yàn)儀器靈敏電流計(jì)，直流穩(wěn)壓電源，滑線變阻器，電阻箱，標(biāo)準(zhǔn)電阻，直流電壓表等。實(shí)驗(yàn)原理靈敏電流計(jì)是一種重要的電學(xué)測(cè)量?jī)x器，它的靈敏度很高，用來(lái)檢測(cè)閉合回路中的－－10

－－差電動(dòng)勢(shì)等，更常用作檢流計(jì)，如作為電橋、電位差計(jì)中的示零器。常見(jiàn)的有指針式、壁架式和光點(diǎn)式等。本實(shí)驗(yàn)研究的是光點(diǎn)式靈敏電流計(jì)。1．光點(diǎn)式靈敏電流計(jì)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理光點(diǎn)式靈敏電流計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖4－11－1所示。在永久磁鐵之間有一圓柱形軟鐵芯，使空隙中的磁場(chǎng)呈輻射狀分布。用張絲將一多匝矩形線圈垂直懸掛于空隙中，在線圈下端裝置了一平面小鏡。從光源發(fā)出的一束定向聚焦光首先投射在小鏡上，反射后射到凸面鏡上，再反射到長(zhǎng)條平面鏡上，最后反射到弧形標(biāo)度尺上，形成一個(gè)中間有一條黑色準(zhǔn)絲像的方形光斑。當(dāng)有微弱電流通過(guò)線圈時(shí)，此線圈（及小鏡）在電磁力矩作用

矩形線圈平面鏡

張絲

A下以張絲為軸而偏轉(zhuǎn)，于是小鏡的反射光也改變方向。這個(gè)反射光起了電流計(jì)指針的作用。由于這種裝置沒(méi)有軸承，消除了難以避免的機(jī)

光斑

凸面鏡

B

圓柱形鐵芯小鏡械摩擦；又由于發(fā)射光線多次來(lái)回反射，增加了“光指針”的長(zhǎng)度，使在同樣轉(zhuǎn)角下，“光指針針尖”（光斑）所掃過(guò)的弧長(zhǎng)增加，所以這種電流計(jì)的靈敏度得到大大提

光源

圖4－11－1

標(biāo)尺高。由此可知，光點(diǎn)式靈敏電流計(jì)是磁電式電表的一種。因此，通過(guò)電流計(jì)線圈的電流Ig與線圈的偏角θ成正比，由圖4－11－2可知，線圈（及小鏡）的偏轉(zhuǎn)角θ又與光斑的位移d成正比，所以，通過(guò)線圈的電流Ig與光斑的位移d成正比。即Ig=Kd

（4－11－1）微弱電流（約106—10A）或微弱電壓（約103—106V），如光電流、生理電流、溫微弱電流（約106—10A）或微弱電壓（約103—106V），如光電流、生理電流、溫式中的比例系數(shù)K稱(chēng)為電流計(jì)常數(shù)，單位是安培／毫米，也就是光斑偏轉(zhuǎn)1毫米所對(duì)應(yīng)的電流值，它的倒數(shù)Si

1K

dIg

（4－11－2）稱(chēng)為電流計(jì)的電流靈敏度，顯然，Si越大（K越小），電流計(jì)就越靈敏。要定量的測(cè)量電流，就必須知道K或Si的數(shù)值。一般在電流計(jì)的銘牌上標(biāo)明了K或Si的數(shù)值，但由于長(zhǎng)期使用、檢修等原因，其數(shù)值往往有所改變，所以使用電流計(jì)定量測(cè)量之前，必須測(cè)定K或Si的數(shù)值。

θ2．靈敏電流計(jì)線圈的三種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)在使用靈敏電流計(jì)時(shí)我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，某些情況下，當(dāng)電流發(fā)生變化后，光標(biāo)會(huì)來(lái)回?cái)[動(dòng)很久才逐漸停在新的平衡位置上，這樣讀

L

θ

θ數(shù)很浪費(fèi)時(shí)間。一般的指針式電表，內(nèi)部裝有電磁阻尼線圈，通電流后指針很快擺到平衡位置，上述問(wèn)題不會(huì)引人注意。但靈敏電流計(jì)的阻尼問(wèn)題要求使用者在外部線路解決，這就需要研究一下如何用電磁阻尼控制

0圖4－11－2

d線圈的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。由電磁感應(yīng)定律可知，閉合線圈在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)因切割磁力線而產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)和感生電流。這個(gè)感生電流也要受磁場(chǎng)作用，即線圈受到一個(gè)阻礙線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的電磁阻尼力矩M作用，由電流計(jì)內(nèi)阻Rg和外電阻R外組成的閉合回路總電阻和M成反比

θM∝

1RgR外

①由此可見(jiàn)，可以通過(guò)改變R外的大小來(lái)控θ0制電磁阻尼力矩M的大小。M不同，線圈的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也不同，按其性質(zhì)可分為三種不同的

②

③狀態(tài)：（1）當(dāng)R外較大時(shí)，M較小，線圈作振幅逐漸衰減的振蕩。也就是說(shuō)，線圈偏轉(zhuǎn)到相應(yīng)

0

圖4－11－3

t位置θ0處不會(huì)立即停止不動(dòng)，而是越過(guò)此位置，并以此位置為中心來(lái)回振蕩，需較長(zhǎng)時(shí)間才能停在平衡位置θ0處。R外越大，M越小，振蕩時(shí)間也就越長(zhǎng)。這種狀態(tài)稱(chēng)為阻尼振蕩狀態(tài)或欠阻尼狀態(tài)，如圖4－11－3中曲線①所示。（2）當(dāng)R外較小時(shí)，M較大，線圈緩慢地趨向于新的平衡位置，也不會(huì)越過(guò)此平衡位置。R外越小，M越大，達(dá)到平衡位置的時(shí)間也越長(zhǎng)，這種狀態(tài)稱(chēng)為過(guò)阻尼狀態(tài)，如圖4－11－3中曲線③所示。（3）當(dāng)R外適當(dāng)時(shí)，線圈能很快達(dá)到平衡位置而又不發(fā)生振蕩，處于欠阻尼與過(guò)阻尼的中間狀態(tài)。這種狀態(tài)稱(chēng)為臨界狀態(tài)，如圖4－11－3中曲線②所示，這時(shí)對(duì)應(yīng)的R外叫做臨界外電阻R外臨，R外臨的數(shù)值標(biāo)在銘牌上或說(shuō)明書(shū)中。3．測(cè)定靈敏電流計(jì)的內(nèi)電阻Rg和靈敏度Si測(cè)量電路如圖4－11－4，K2

①合①，電源電壓經(jīng)R0分壓后由伏特表測(cè)出，再經(jīng)Ra、Rb第二次分

Ra

②K2

R壓加到電阻箱R和電流計(jì)G上，使電流計(jì)偏轉(zhuǎn)一定的數(shù)值。Ra取幾千歐姆，Rb取1歐姆，（Rg＋R）一般選取幾百歐姆。在

E

K1

R0V

R

RgG

K3計(jì)算Rb兩端的電壓V’時(shí)，因?yàn)椋≧g＋R）>>Rb，且Ra>>Rb，R’b是bc間的電阻應(yīng)為Rb與Rg＋R的并聯(lián)值，故

圖4－11－4V′

Rb′RaRb′

V≈

RbRaRb

RRa通過(guò)電流計(jì)的電流IgK?d≈

V′RRg

RVRaRRg

（4－11－3）測(cè)量采用等偏轉(zhuǎn)法，即當(dāng)V＝V1時(shí)，調(diào)R＝R1，使電流計(jì)偏轉(zhuǎn)至一定的數(shù)值d（例如偏50—60毫米），以后改變電壓至V2同時(shí)調(diào)節(jié)R使電流計(jì)偏轉(zhuǎn)數(shù)不變。這樣可取得一系列V與R的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，即：V＝V1，V2，V3，V4，…，R＝R1，R2，R3，R4，…，為了減少測(cè)量誤差，伏特計(jì)和電流計(jì)的偏轉(zhuǎn)數(shù)都不宜太小，而R值不宜太大。故V值的選取可以從0.6—0.7V開(kāi)始，以后每隔0.1—0.2V讀一次數(shù)。利用測(cè)量的這些數(shù)據(jù)，即可求出Rg和Si的數(shù)值。較簡(jiǎn)單的辦法是把數(shù)據(jù)分成兩組，例如V1和V5、V2和V6……，由（4－11－3）式得V1R1Rg

V5R5Rg解之得

Rg

V1R5?V5R1V5?V1求出Rg值取平均后代回（4－11－3）式求出電流計(jì)常數(shù)K，即可得到靈敏度Si。較嚴(yán)格的辦法是用回歸法處理數(shù)據(jù)，由（4－11－3）式得V≈bV≈b?V≈bV≈b?R

RbIgRa

V?Rg這實(shí)際上就是一元線性回歸，利用一元線性回歸公式即可求出Rg。儀器描述AC15型電流計(jì)的面板如圖4－11－5所示。圖中零點(diǎn)調(diào)節(jié)為粗調(diào)旋鈕，固定在標(biāo)尺上的手柄為零點(diǎn)細(xì)調(diào)，左右移動(dòng)它可使光斑準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)零點(diǎn)。面板的左上部有一轉(zhuǎn)換旋鈕（分流器），當(dāng)它指“×1”檔時(shí)，靈敏度最高，指“×0.1”和“×0.01”檔時(shí)，靈敏度分別降低1/10和1/100，如標(biāo)度盤(pán)上找不到光點(diǎn)影象時(shí)，可將電流計(jì)開(kāi)關(guān)置于直接處，并將電流計(jì)輕微擺動(dòng)，如有光點(diǎn)影象掃掠時(shí)，則可調(diào)節(jié)零點(diǎn)調(diào)節(jié)器，將光點(diǎn)調(diào)至標(biāo)度盤(pán)上，當(dāng)光斑晃動(dòng)不止或搬動(dòng)檢流計(jì)時(shí)，應(yīng)將旋鈕指向“短路”位置，以便保護(hù)電流計(jì)的50

40

30

20

10

0

10

20

30

40

50零點(diǎn)細(xì)調(diào)短路

直接

×1

×0.1×0.01

AC15

220V

6V零點(diǎn)調(diào)節(jié)分流器－

＋圖4－11－5張絲。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1．測(cè)定電流計(jì)的內(nèi)阻Rg和靈敏度Si（1）調(diào)節(jié)AC15型電流計(jì)的旋鈕指“×1”檔，調(diào)節(jié)零點(diǎn)調(diào)節(jié)器，使光斑指零。（2）按圖4－11－4連接電路，閉合開(kāi)關(guān)K1，將開(kāi)關(guān)K2合向①，按照測(cè)定內(nèi)阻Rg方法進(jìn)行測(cè)量。（3）求出Rg和Si。2．觀察靈敏電流計(jì)線圈的三種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)電流計(jì)的銘牌上給出了該電流計(jì)的臨界外電阻值。根據(jù)這個(gè)數(shù)，把R拔到2R外臨，令K2合向①，使電流計(jì)有60毫米的偏轉(zhuǎn)，將K2從①迅速地合向②時(shí)，觀察光點(diǎn)回零時(shí)的運(yùn)動(dòng)方式，判斷屬