电磁学实验基本知识.docx
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电磁学实验基本知识
附录一.电磁学实验基础知识
Appendix1ElementaryKnowledgeofElectromagneticExperiment
电磁测量是现代生产和科学研究中应用很广的一种实验方法和实用技术。
除了测量电磁量外，它还可通过换能器把非电量变为电量来进行测量。
物理课程中电磁学实验的目的，是学习电磁学中常用的典型测量方法（如伏安法、电桥法、电位计法、冲击法等），进行实验方法和实验技能的训练，培养看图、正确连接线路和分析判断实验故障的能力；同时，通过实验的观测，深入认识和掌握电磁学理论的基本规律。
一、电源Currentpower
电源是把其他形式的能量转变为电能的装置。
电源分为直流和交流两类：
1．直流电源Directcurrentpower
图1WYJ-15型直流稳压电源
常用的直流电源有干电池、晶体管直流稳压电源和铅蓄电池。
直流稳压电源
的型号繁多，外形各异，但结构上都是由变压器、晶体管、电阻和电容等电子元件按一定的线路组装而成的。
它的电压稳定性好，内阻小，功率较大，使用方便。
只要接到交流220V电源上，就能输出连续可调的直流电压（输出电压和电流的大小可由仪器上的电表读出）。
使用时，要注意它的最大允许输出电压和电流，切不可超过。
我们实验室里常用的是WYJ-15型直流稳压电源，其面板如图1所示，最大允许输出电压为15V，最大允许输出电流为3A。
每个铅蓄电池的正常电动势为2V，额定供电电流约为2A，多个并联可得较大电流，输出电压比较稳定。
使用时要注意，当它的电动势降低到1.8V时，应及时充电，蓄电池即使未用也需要每隔2~3星期充电一次。
2．交流电源Alternatecurrentpower
常用的电网电源是交流电源。
交流电的电压可通过变压器来调节。
交流仪表的读数一般指有效值，例如交流220V就是有效值，其峰值为
×220V≈301V。
使用交流或直流电源时，应特别注意不能使电源短路，即不能将电源两极直接接通，使外电路电阻等于零。
二、电阻Resistance
为了改变电路中的电流和电压，或作为特定电路的组成部分，在电路中经常需要接入各种不同大小的电阻。
电阻分为固定的和可变的两类，不论是固定电阻还是可变电阻，使用时除注意其阻值的大小外，还应注意其额定功率，即容许通过的电流
。
在额定功率下，固定电阻接于电路中比较简单，但可变电阻接法不同，其功用也不一样。
下面着重介绍两种可变电阻——滑线变阻器和旋转式电阻箱的结构及用法。
1．滑线变阻器Slide-wirerheostat
图2滑线变阻器
滑线变阻器的外形和结构示于图2。
把电阻丝（如镍铬丝）绕在瓷筒上，然后将电阻丝两端和接线柱A、B相联，因此A、B之间的电阻即为总电阻。
在瓷筒上方的滑动接头C可在粗铜棒上移动，它的下端在移动时始终和瓷筒上的电阻丝接触。
铜棒的一端（或两端）装有接线柱C′、C″，用来代表接头C以利于连线。
改变滑动接头C的位置，就可以改变AC之间和BC之间的电阻。
滑线变阻器在电路中有两种接法：
（1）交流接法（限流器）
用滑线变阻器改变电流的接法示于图3，即将变阻器中的任一个固定端A（或B）与滑动端C串联在电路中。
当滑动接头C向A移动时，A、C间的电阻减小；当滑动接头C向B移动时，A、C间的电阻增大。
可见，移动滑动接头C就改变了A、C间的电阻，也就改变了电路中的总电阻，从而使电路中的电流发生变化。
（2）分压接法（分压器）
用滑线变阻器改变电压的接法示于图4，即变阻器的两个固定端A、B分别与电源的两极相接，由滑动端C和任一固定端B（或A）将电压引出来。
由于电流通过变阻器的全部电阻丝，故A、B之间任意两点都有电位差。
当滑动接头C向A移动时，B、C间电压VBC增大；当滑动头C向B移动时，B、C间的电压VBC减小。
可见，改变滑动接头C的位置，就改变了B、C（或A、C）间的电压。
应当注意的是，滑线变阻器用作改变电流的大小和用作分压两种接法是不相同的，一定不能弄混！
同时还应记住，开始实验以前，在限流接法中，变阻器的滑动端应放在电阻最大的位置；在分压接法中，变阻器的滑动端应放在分出电压最小的位置。
2．旋转式电阻箱Rotarytyperesistancebox
电阻箱是由若干个准确的固定电阻元件，按照一定的组合方式接在特殊的变换开关装置上构成的。
利用电阻箱可以在电路中准确调节电阻值。
准确度级别高
的电阻箱还可作任意值的电阻标准量具。
图5表示某一种电阻箱的内部电路和面板示意图。
在箱面上有六个旋钮和四个接线柱，每个旋钮的边缘上都标有0，1，2，3，…9等数字，靠旋钮边缘的面板上刻有标志，并有×0.1，×1，…×10000等字样，也称倍率。
当某个旋钮上的数字旋到对准其所示的倍率时，用倍率乘上旋钮上的数字，即为所对应的电阻。
如图5中电阻箱面板上每个旋钮所对应的电阻分别为3×0.1，4×1，5×10，6×100，7×1000，8×10000，总电阻为3×0.1+4×1+5×10+6×100+7×1000+8×10000=87654.3Ω。
四个接线柱上标有0Ω，0.9Ω，9.9Ω，99999.9Ω等字样，表示0与0.9Ω两接线柱的阻值调整范围为0.1~9×0.1Ω；0与9.9Ω两接线柱的阻值调整范围为0.1~9（0.1+1）Ω；0与99999.9Ω两接线柱的阻值调整范围为0.1~9（0.1+1+10+100+1000+10000）Ω。
在使用时，如只需要0.1~0.9Ω或9.9Ω的阻值变化，则将导线接到“0”和“0.9Ω”或“9.9Ω”两接线柱。
这种接法，可以避免电阻箱其余部分的接触电阻和导线电阻对低阻值带来不可忽略的误差。
电阻箱各挡电阻容许通过的电流是不同的。
现以ZX21型电阻箱为例，列表如下：
旋钮倍率
×0.1
×1
×10
×100
×1000
×10000
容许负载电流（A）
1.5
0.5
0.15
0.05
0.015
0.005
在电气原理图里，常用不同的图形符号来代表各个元件，用线条表示它们之间的联系。
表1列举了常用的电气元件符号。
表1常用的电气元件符号
名称
符号
名称
符号
原电池或蓄电池
单极开关
双极转换开关
电阻的一般符号（固定电阻）
变阻器（可调电阻）
（1）一般符号
（2）可断开电路的
（3）不断开电路的
指示灯泡
电容器的一般符号
可变电容器
不联接的交叉导线
联接的交叉导线
电感线圈
有铁芯的电感线圈
有铁氧体芯不可调线圈
晶体二极管
稳压管
晶体三极管（p-n-p）
有铁芯的单相双线变压器
三、电表kilowatt-hourmeter
电测仪表的种类很多。
在物理实验中常用的绝大多数电表都是磁电系仪表，其读数靠指针在标尺上的偏转来显示。
这种仪表只适用于直流，具有灵敏度高、刻度均匀、便于读数等优点。
下面对磁电系仪表作一简单介绍。
1．电流计（表头）Rheometer
它是利用通电流的线圈在永久磁铁的磁场中受到一力偶作用发生偏转的原理制成的。
在磁场、线圈面积和线圈匝数一定时，偏转角度与电流的大小成正比。
它的结构如图6所示。
图中1为强磁力的永久磁铁；2是接在永久磁铁两端的关圆筒形的“极掌”；3是圆柱形铁芯，它与两极掌间形成气隙，气隙内的磁场呈
图6磁电系电表的结构
均匀的辐射状分布；4是处在气隙中的活动线圈（简称“动圈”），它是在一个矩形铝框上用很细的绝缘铜线绕制成的；5为装在转轴上的指针；6是产生反作用力矩的两个“游丝”，游丝的一端固定在仪表内部的支架上，另一端固定在转轴上。
当线圈通有电流受到磁力矩的作用而绕轴转动时，游丝随着发生扭转变形，由于游丝是螺旋形弹簧，有力图恢复原状的特性，因而对转轴产生一个反作用力矩。
当反作用力矩与磁力矩平衡时，线圈停止转动，指针指在一定的位置。
螺旋方向相反的两个游丝还兼作把电流引入线圈的引线。
7是固定在动圈两端的“半轴”，其轴尖支持在宝石轴承里，可以自由转动。
为了使仪表指针开始在零的位置，通常还有一个“调零器”，它的一端与游丝相连。
如果使用前仪表的指针不指零位，可用起子轻轻调节露在表壳外面的调零螺杆8，使仪表指针逐渐趋近于零位。
9是平衡锤。
图7电流表的结构
电流计（表头）也可用于检验电路中有无电流通过，能直接测量的电流在几十微安到几十毫安之间。
如果用它来测量较大的电流，必须加分流器。
2．电流表（安培表）Amperemeter
如图7所示，在表头线圈上并联一个阻值很小的分流电阻，就成了电流表。
分流电阻的作用是使线路中的电流大部分通过它自身流过去，只有少量的电流才通过表头的线圈，这样就扩大了电流的量限。
表头上并联的分流电阻不同，可以测量的最大电流也就不同，即得到不同量限的电流表。
使用电流表时，应把它串联在待测电流的电路中，并注意正负端的接法，应使电流从电流表的正端流入，从负端流出。
3．电压表（伏特表）Voltmeter
图8电压表的构造
如图8所示，从表头线圈上串联一个附加的高电阻，就成了电压表。
当测量电压时，附加的高电阻起限制电流的作用，并使绝大部分的电压降落在附加电阻上，只有很小一部分电压降落在表头上。
在表头上串联的附加电阻不同，可以测量的最大电压也不同，即得到不同量限的电压表。
使用时，应把电压表并联在待测电压的两端，并将电压表的正端接在电位高的一端，负端接在电位低的一端。
使用电流表和电压表时，应注意电表的量限，不得使测量值超过量限，否则易将电表烧坏。
对于多量限的电表，在不知道被测量值的范围时，为了安全起见，一般应先接大量限；在得出测量值的范围后，应换接与被测量值最接近的量限，以获得更精确的测量值。
测量值A按下式计算：
式中a为该量限可测量的最大值，N为该量限对应的标度尺的总分度数，n为电表指针指示的读数（分度数）。
根据我国的规定，电气仪表的主要技术性能都以一定的符号来表示，并标记在仪表的面板上。
表2中给出了一些常见电气仪表表面上的标记。
表2常见电气仪表面板上的标记
名称
符号
名称
符号
指示测量仪表的一般符号
磁电系仪表
检流计
静电系仪表
安培表
A
直流
毫安表
mA
交流（单相）
微安表
μA
直流和交流
伏特表
V
以标度尺量限百分数表示的准确度等级,例如1.5级
1.5
毫伏表
mV
以指示值的百分数表示的准确度等级,例如1.5级
1.5
千伏表
kV
标度尺位置为垂直的
欧姆表
Ω
标度尺位置为水平的
兆欧表
MΩ
绝缘强度试验电压为2kV
负端钮
接地用的端钮
正端钮
调零器
公共端钮
*
II级防外磁场及电场
抗寒防潮能力强
抗寒防潮一般
抗寒防潮差
图9C59-mA型电流表和C59-V型电压表
我们实验室常用的电流表和电压表为C59-mA型和C59-V型，其面板图示如下：
根据《GB776-76电气测量指示仪表通用技术条件》，电表的准确度等级分为0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5和5.0七级。
电表指针指示任一测量值所包含的最大基本误差为
式中Am为电表的量限（即电表可测量的最大值，用电表指针指到满刻度时的数值来表示），K是电表的准确度等级。
例如，准确度等级为0.5级的电表，在规定的条件下工作时，它所示出的数值可能包含的最大基本误差是该电表量限的±0.5%。
4．直流检流计Directcurrentgalvanometer
图10AC5型直流指针式检流计（a）AC15型直流复射式检流计
检流计用来检测电路中的微小电流和电压，它有很高的灵敏度，在精密测量中常作为指零仪表。
由于检流计需要特别高的灵敏度，它的动圈多用张丝悬挂起来，以减小摩擦阻力。
它的读数装置有指针式和光点复射式等多种结构。
AC5型直流指针式检流计属于便携式磁电式结构，用时需水平放置，它的分度值为2×10-6A/格。
检流计的可动部分用短路阻尼的方法制动，这样可防止张丝因机械振动而引起的变形或损坏。
当小旋钮移向红色圆点位置时，线圈即被短路。
使用时，首先将检流计之接线柱端钮按其“+”、“-”标记接入电路内，将小旋钮移向白色圆点位置，并用零位调节器将指针调节到零位。
按下“电计”按钮，检流计便被接入电路。
如需将检流计长期接入电路时，可将“电计”按钮按下，并转一角度即可将按钮锁住。
用它作指零仪表时，不要将这一按钮锁住。
若指针不停地摆动时，按一下“短路”按钮，指针便立刻停止摆动。
检流计使用完毕后，必须将小旋钮移向红色圆点位置，“电计”和“短路”按钮应放松。
AC15型检流计也属便携式磁电式结构，它的分度值可达1.5×10-9A/格。
为提高灵敏度，在动圈上端装有小平面镜，利用这小镜对光线的多次反射来指标活动部分的偏转。
它的照明系统有变压器、电源标志片、电源开关等，可直接利用电压为6.3V的罗口灯泡，当“220V”电源插口接上220V电压时，电源开关应置于220V处。
当“6V”电源插口接上6V电压时，电源开关应置于“6V”处。
图10直流复射式检流计
检流计安装有零点调节器，用做粗调；标盘活动调节器，用做细调。
检流计配有分流器，测量时，应从检流计最低灵敏度开始，如偏转不大，则可逐步转到高灵敏度测量。
0.01档为最低灵敏度档。
在测量中，当检流计光点摇晃不停时，可用短路电键使动圈受到阻尼。
在改换电路或移动检流计时，均应使检流计处于短路状态。
检流计使用完毕后，应将分流器置于“短路”档。
四、仪器布置和线路连接Instrumentlayoutandlineconnecting
要获得正确的实验测量结果，实验仪器的布置和线路的正确连接是非常重要的。
仪器布置不恰当，实验时就不顺手，而且造成接线混乱，不便于检查线路，容易出错。
结果，轻者待测量测不准确，重者损坏仪器，造成事故！
因此，需要学习和训练仪器布置和接线方面的技能。
1．在电磁学实验的电路图中，各种仪器都是用一定的图形符号表示的（参看表1），并用直线将它们联接起来。
接线时，首先必须了解线路图中每个符号代表的意思，弄清楚各个仪器的作用，然后按照“走线合理，操作方便，易于观察，实验安全”的原则布置仪器。
也就是说，仪器设备不一定要完全按照实验电路中的相应位置一一对应；而一般是将经常要调整或者要读数的仪器放在近处，其他仪器放在远处；使用电压不同的几种电源时，高压电源要远离人身。
2．从电源正极开始按回路对点接线。
当线路复杂时，可把它按图形分成几个回路，先接完一个回路，再分别地一一连接其他回路。
接线时应充分利用电路中的等位点，避免在一个接线柱上集中过多的导线接线片（最好不超过三个）。
3．电磁学实验大都运用多种仪器，根据不同目的的连接成形式不同的电路，不能正确连线就不能使期望的现象发生，达到预定的目的。
更为严重的是，如果接线不正确又随意接电源，将会造成仪器损坏。
因此，必须遵守“先接线路，后接电源；先断电源，后拆线路”的操作规程。
按电路图接好线路后，先自行仔细检查一遍，再请教师复查并听取指导，才能接通电源。
接电源时，必须全局观察整个线路上的所有仪器，如发现有不正常现象（如指针超出电表的量限，指针反转，焦臭等）应立即切断电源，重新检查，分析原因。
若电路正常，可用较小的电压或电流先观察实验现象，然后才开始测读数据。
现将操作的过程概括成下面四句话：
手合电源，眼观全局，先看现象，再读数据。
4．测得实验数据后，应当用理论知识来判断数据是否合理，有无遗漏，是否达到了预期的目的。
在自己确认无疑又经教师复核后，方可拆除线路，并整理好仪器用具。
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