大学物理实验教程电磁学部分实验成果

(1)电源

直流稳压电源虽型号各不相同,但在结构上都是大同小异,都是将交流电经整流、滤波和稳压后变为直流输出。它的特点是稳压性好、内阻小、功率大、输出连续可调。但使用时要注意不能超过它的最大允许输出电压和电流。如WYJ-30型电源,最大输出电压是30 V,最小输出电流为3 A。

干电池是很方便的直流电源,但它的功率较小,稳定性不高。每节干电池的电动势为1.5V。在使用过程中,干电池的电动势不断下降,内阻不断增加,最后因内阻过大而报废。

(2)电阻

电阻可分为固定电阻和可变电阻两大类。无论使用哪一类电阻,使用时除了注意其阻值的大小外还要注意其额定功率。下面介绍两种可变电阻的结构和使用方法。

①电阻箱。电阻箱的具体使用介绍将在后面章节介绍。

②滑线变阻器。滑线变阻器的外形构造与等效电路如图2.3所示,涂有绝缘层的电阻线绕在长直瓷管上,电阻丝的两端固定在接线柱A和B上,瓷管上方有一滑动触头与接线柱C相连。

滑线变阻器的用途是控制电路中的电压和电流,它不像电阻箱那样能确切地读出电阻值。它在电路中有两种接法:

图2.3　滑线变阻器

a.限流电路。限流电路接法如图2.4所示。

当滑动C时,改变了A和C之间的电阻RAC,也就改变了回路的总电阻,从而改变了回路中电流的大小,因而称为限流电路。

为了安全起见,在实验开始时,C应滑到B端,使得RAC最大,回路中电流最小,然后逐渐增大回路中的电流,但应注意不要超过滑线变阻器的额定电流。

为了能有效地调节回路中的电流,应使滑线变阻器的总电阻R>RL。需要精细调节电流时,还可采用二级限流,即将两个滑线变阻器R1和R2按限流的方式串联起来,阻值的选取应使得R1是R2的10倍以上,R1作粗调,R2作细调。

图2.4　限流电路

图2.5　分压电路

b.分压电路。分压电路接法如图2.5所示。

A和B两端分别与电源的两级相连,再由A端和C端向负载RL提供分压UAC。改变C在A和B之间的位置,即可改变输出电压,因此称为分压电路。当C与A重合时,输出电压为0;当C与B重合时,输出电压等于电源电压。实验开始时,应使C与A之间的电压为0,以后逐渐增加,并且注意不要使变阻器上的电流超过额定值。

(3)直流电表

1)电流计

电流计是最基本的直流电流表,也称表头。直流电流表是磁电系仪表,它由永久磁铁、转动线圈、游丝和指针构成。其基本原理是:处在磁场中的线圈通电时,受到一力矩的作用而转动,从而带动指针转动,直到与游丝的反扭力矩平衡。它的特点是:指针偏角的大小与通过线圈的电流成正比,电流方向不同时,指针偏转的方向也不同。电流计能直接测量的电流在几十微安到几十毫安间,如果要用它测较大的电流,则需要加分流电阻。

2)检流计

专门用来检验电路中有无电流通过的电流计称为检流计。检流计只要求有较高的灵敏度(单位电流引起指针偏转的格数),而不要求很高的精度。

外形如图2.6所示的检流计为磁电式指针电流计在电桥中做示零器。它的零点位于刻度盘中央,有“调零”旋钮,若通电前指针偏离了零点,则应先利用检流计上的调零旋钮调零,然后方可使用。“安全制动”拨钮平时处于锁定位置(拨钮指向红色圆点),检流计处于断开状态,以防止因震动造成机心损坏,只有使用时才打开(拨钮指向白色圆点),使指针能自由摆动。直接将检流计线圈短路的按键称为“短路”按键。检流计指针偏离零位时断电,指针会在零位左右摆动不停,影响下一次测量,这时只需在指针过零位时,按下此键,指针便在电磁阻尼作用下迅速停止于零位。“电计”按钮的作用相当于串接在桥路中的开关,按下此键桥路才会接通。这种指针式检流计常用来检测电路中的小电流和小电压。

图2.6　磁电式指针电流计(www.xing528.com)

3)电流表(安培表、毫安表、微安表)

在表头上并联一个小电阻,就构成了一个电流表。由于小电阻的分流作用,使电流表的量程扩大了。并联不同阻值的电阻就可以分别得到不同量程的电流表。

使用电流表时,应将它串联到待测电流的电路中,并注意正负端的接法,使电流从正端流入,从负端流出。

4)电压表(伏特表)

在表头上串联一个高电阻,就构成了一个电压表。由于高电阻具有限流分压的作用,使电压表的量程扩大了。串联不用阻值的电阻就可以得到不同量程的电压表。

使用电压表时,应将它并联在待测电压电路的两端,电压表的正端与高电位端相连,负端与低电位端相连。

5)数字式电表

由于近年来电子技术的快速发展,随之出现的许多新技术、新元件也促进了交流电表的发展与更新。如普通数字万用表,其价格已与普通指针式电表相当。其中的交流测量挡采用有效值变换电路或精密整流电路,因此准确度有较大提高。缺点是使用频率有所降低。又如较高档的数字电表,采用交流——有效值变换专用集成电路,准确度可以达到1.0级以上。各类新式电表一般具有功能多、使用方便、精度高等优点,因此应用越来越广。例如,用于电力测量的多功能数字电表同时具有测量电压、电流、功率因数、频率、电能(即电度表)等功能,并配有通信接口,便于实现自动测量,广泛应用于电力控制与管理,以及电机、家电等制造业的生产或产品检测线上。

6)使用电表时的注意事项

各类电气仪表的面板上注有各种符号以表明其用途、构造、准确度等。常用电器仪表符号见表2.2。在使用电表时,应首先观察其面板上的标记符号,了解电表的规格和使用方法。

①电表的量程。电表的量程指指针指满刻度时的电压值或电流值。有的电表是单量程的,有的电表是多量程的,如伏特表上有1.2,3,6,12,30 V五个量程。使用1.2 V量程时,指针指满刻度时测量电压为1.2 V;使用3 V(或6 V)量程时,指针指满刻度时测量电压为3 V(或6 V),以此类推。

测量时,应根据待测量的大小,选择合适的量程。如所选量程过小,待测量的值已超过了量程,则容易将电表烧坏;如果量程选择过大,指针的偏转就会偏小,读到的数据就不准确。

表2.2　常见电器仪表面板的标记符号

通常要使得指针偏转在满刻度的2/3以上。对选择好的量程,测量值按下式计算:

②电表的等级。电表的准确度等级分为七级,分别为0.1,0.2,0.5,1.0,1.5,2.5和5.0。利用等级为K的电表测得的数据可能包含的最大误差(绝对误差)为

Δm=±AmK%

式中,Am为所使用量程可测的最大值。如一个0.5级量程为100μA的微安表,用它测得的任一数值的最大可能误差都是±100μA×0.5=±0.5μA。

③电表的放置。使用标有“∩”标志的电表时,只能水平放置,不得垂直放置。使用标有“⊥”标志的电表时,只能垂直放置,不得水平放置。

7)电磁学实验操作规程

①了解各仪器的规格和使用方法。

②正确理解和连接电路。

③自己先检查电路及各仪器的初始状态(此时不可通电)。

④经教师检查电路后方可通电,进行观察测量。

⑤记录完数据后,断电,经教师检查数据后再拆线路,并调整好仪器。